礦山邊坡穩(wěn)定性的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)分析

李強(qiáng)生

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

礦山開采過程中，礦山邊坡的穩(wěn)定與否直接影響礦山工程的順利進(jìn)行以及礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，也影響社會(huì)人們生活的和諧[1]。邊坡形態(tài)與地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造的組合關(guān)系也更為復(fù)雜[2]。因此，更有效的對(duì)礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析越來越成為專家和學(xué)者們關(guān)注的技術(shù)難題。

長時(shí)間進(jìn)行開采工作后，邊坡會(huì)隨之產(chǎn)生臨空面，這將使原來的巖石體在承受力上發(fā)生嚴(yán)重的改變。這就要求礦山開采施工團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行開采之前，將礦山邊坡的所受力的平衡狀態(tài)保持在合理的范圍之內(nèi)。經(jīng)過長時(shí)間采礦工作，一定會(huì)由于多種多樣的因素造成原本應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，從而形成應(yīng)力集中區(qū)，此種應(yīng)力集中區(qū)一般位于露天礦山邊坡頂部的交線位置，如果此種應(yīng)力區(qū)被擴(kuò)散到一定范圍后，就會(huì)造成邊坡事故[3]。

本文基于三維物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期待為同領(lǐng)域的工程實(shí)踐提供借鑒。

1 物理模擬模型鋪裝設(shè)計(jì)

在三維物理模型設(shè)計(jì)上，為了能夠理想的實(shí)現(xiàn)無力模型的物質(zhì)基礎(chǔ)，首先要根據(jù)施工開采的實(shí)際情況有選擇的對(duì)模擬試驗(yàn)臺(tái)以及相關(guān)加載系統(tǒng)進(jìn)行篩選。由于實(shí)驗(yàn)是在特定條件下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)條件是有限的，但為滿足測量的需要以及模擬開采過程，需要有一個(gè)面是開放的。

在實(shí)驗(yàn)過程中考慮到實(shí)際邊坡土層的沉積性特性，在鋪裝時(shí)仍采用分層鋪裝。其次，又考慮到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂蟹€(wěn)定性的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，將力學(xué)強(qiáng)度增加，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

按照模擬實(shí)驗(yàn)材料的配比及實(shí)驗(yàn)鋪裝，整個(gè)邊坡模型的設(shè)計(jì)過程共10天。本次模型鋪裝的基本材料以鐵粉、石膏、大白粉、河砂及水為主，采用人工進(jìn)行鋪裝，每次厚度為0.03m（如表1），由于石膏遇到水后會(huì)凝結(jié)的很快，因此在水中添加了適量的緩凝劑，一次完成本次鋪裝。在模型的鋪裝完成后，由于模型的體積過大，沉淀時(shí)間為3個(gè)月。

表1 三維物理模型材料裝填配比及分層厚度表

2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

在測量過程中一般使用的是各種測量儀器，其體積是較大的，但由于本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缦鄬?duì)來講比較小，在本次實(shí)驗(yàn)中使用的測量儀器在選擇上有所限定，本次實(shí)驗(yàn)所選的是特殊測量儀器。首先，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅韺訙y量上，采用立體地面測量技術(shù)，但在測量時(shí)可能會(huì)存在一些偏差，這時(shí)再采用光學(xué)全站儀對(duì)已經(jīng)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；其次，對(duì)坡體周圍圍巖屈服松動(dòng)斷裂過程的檢測上采用智能聲發(fā)射檢測儀器；第三，對(duì)于開采及開挖前后的地質(zhì)特殊情況區(qū)域及巖體損傷情況進(jìn)行分析時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)菜場開采，以實(shí)現(xiàn)“聲光電地”多元檢測相結(jié)合的方式，對(duì)坡體進(jìn)行全方位綜合檢測。

3 實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和步驟

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行模型的搭建。

（2）安裝測試儀器地質(zhì)雷達(dá)天線、聲發(fā)射裝置及傳感器、光學(xué)鉆孔攝像系統(tǒng)及測量觀測設(shè)備。

（3）將鋪好的模型巖體進(jìn)行剝離，使剝離達(dá)到最大設(shè)計(jì)邊界線。

（4）對(duì)已設(shè)計(jì)好的邊坡進(jìn)行首次測量，作為后期參考依據(jù)。

（5）邊坡后期開采挖采用分階段開挖方式進(jìn)行，共6次，監(jiān)測不同開采挖時(shí)段下邊坡圍巖損傷與變形破壞特征。

（6）使用鐵磚在邊坡臺(tái)上模擬礦車駕駛，檢測此時(shí)圍巖損傷與變形狀況。

（7）通過對(duì)聲發(fā)射、光學(xué)鉆孔攝像、地質(zhì)雷達(dá)及破體內(nèi)外部巖體變形測量等各個(gè)物理與力學(xué)測試系統(tǒng)結(jié)果的對(duì)比，分析邊坡圍巖應(yīng)力分布特征、巷道圍巖損傷變形破壞特征與演化特征。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

礦山邊坡的穩(wěn)定性受巖體結(jié)構(gòu)面控制，結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、規(guī)模、組合型式及其與邊坡面的空間位置關(guān)系決定了邊坡潛在破壞模式。經(jīng)過6次對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了以下邊坡穩(wěn)定及變形破壞情況：

（1）通過實(shí)驗(yàn)對(duì)邊坡實(shí)驗(yàn)不穩(wěn)定破壞規(guī)律可分為三個(gè)階段：第一階段是初期邊坡的開挖階段，此時(shí)邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；第二階段是中期邊坡開挖階段，邊坡開始出現(xiàn)輕微松動(dòng)和破裂；第三階段是尾末邊坡開挖階段，不穩(wěn)定破壞開始出現(xiàn)局部裂縫。邊坡巖體產(chǎn)生較大裂縫并貫通，形成局部失穩(wěn)垮塌，邊坡整體不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

（2）在實(shí)驗(yàn)中為確保最后的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的自重力，由于自重力的作用，開挖時(shí)出現(xiàn)局部破壞，但整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）受到坡肩與坡面張力帶的向下擾動(dòng)影響及本身鋪磚的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的影響，使得邊坡出現(xiàn)整體性滑動(dòng)破壞，但整體穩(wěn)定性不變。

5 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的不斷上升，社會(huì)生產(chǎn)與居民生活對(duì)于礦產(chǎn)的需求量也日漸增加。我國對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求與日俱增。礦產(chǎn)資源開采安全也越來越受到人們的重視，同時(shí)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的測量技術(shù)越來受到專家學(xué)者的重視，本文對(duì)于邊坡的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，希望對(duì)同行有借鑒性的意義。