大型露天礦山采場(chǎng)邊坡安全分析與對(duì)策

文/龔新華 侯強(qiáng)某

本文借助FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件，通過建立大型露天礦山采場(chǎng)邊坡的概化模型，來研究該邊坡在不同開采階段的應(yīng)力應(yīng)變問題，并提出維護(hù)邊坡安全、穩(wěn)定的建議措施。

礦山邊坡在開挖過程中將引發(fā)周邊巖體的應(yīng)力重新分布，并伴隨一定的位移。分析邊坡因開挖引起周邊巖體的應(yīng)力、位移變化規(guī)律，有助于準(zhǔn)確判斷邊坡在開挖后的穩(wěn)定與否。但傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)分析及理論計(jì)算難以真實(shí)反應(yīng)應(yīng)力及位移的連續(xù)性變化過程，而計(jì)算機(jī)模擬軟件能夠很好地監(jiān)測(cè)巖體在開挖過程中的應(yīng)力、位移以及其他一些物理量的變化過程。

目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也出現(xiàn)了很多研究方法和模擬軟件，最具代表性的研究方法和軟件包括：以FLAC3D軟件為代表的有限差分法、以和ANSYS為代表的有限單元法、以Examine3D為代表的邊界元法等。

本文采用以FLAC3D為代表的有限差分法，來研究礦山邊坡在開挖過程中有關(guān)應(yīng)力、位移及安全穩(wěn)定性等問題。

建立邊坡模型進(jìn)行分析

建立邊坡模型

根據(jù)礦山地質(zhì)剖面圖，結(jié)合初步設(shè)計(jì)的開采境界，在充分考慮邊坡總高度及最終邊幫角的基礎(chǔ)上，選取設(shè)計(jì)的最終境界中某剖面作為本次分析的邊坡對(duì)象來建立數(shù)值模擬模型（圖1）。

模擬的開挖范圍為現(xiàn)狀邊坡至最終開采境界之間的區(qū)域，沿礦體走向長(zhǎng)100 m，因此建立沿X走向長(zhǎng)100 m、沿Y傾向長(zhǎng)350 m、Z豎直方向從+840 m水平標(biāo)高至地表的模型。模擬開挖的邊坡模型如圖1所示。

模擬開挖及監(jiān)測(cè)方案

初步設(shè)計(jì)采用的開采方式為自上而下分臺(tái)階開采，每一臺(tái)階高度為10 m。由于礦山開采深度較深，開采臺(tái)階數(shù)量較多，如果每一臺(tái)階開采都進(jìn)行模擬，模擬步驟繁瑣、費(fèi)時(shí)，且開挖步驟分得太細(xì)，對(duì)模擬結(jié)果也無(wú)益。因此本次模擬在充分考慮礦山開采實(shí)際并保證模擬準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化為兩步驟的開挖方案：以+950 m水平標(biāo)高為界：+950 m標(biāo)高以上為第一步驟開挖、+950 m標(biāo)高至+900 m標(biāo)高為第二步驟開挖。

為了真實(shí)反映邊坡巖體的位移在開挖擾動(dòng)下隨時(shí)間變化的非線性動(dòng)態(tài)過程，分別在+1 164 m臺(tái)階標(biāo)高、+1 090 m臺(tái)階標(biāo)高、+1 010 m臺(tái)階標(biāo)高及+950 m標(biāo)高臺(tái)階上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)K01～K04，開挖擾動(dòng)過程中的位移為動(dòng)態(tài)位移。

圖1 模擬開挖的邊坡模型

數(shù)值模擬參數(shù)及約束條件

開挖模型所涉及的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

模型邊界條件受位移約束，即模型在X方向上的兩端(x=0 m、100 m)分別在X方向上固定；在Y方向上的兩端(Y=0 m、350 m)分別在Y方向上固定；底部在Z=850 m處沿垂直方向固定；頂部設(shè)為自由邊界。模型巖性按彈塑性體材料考慮，適用于摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則（當(dāng)剪切面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之比達(dá)到最大時(shí)，材料發(fā)生屈服于破壞）。

初始應(yīng)力場(chǎng)生成

模型開挖之前形成的原始地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)開挖的邊坡穩(wěn)定性影響至關(guān)重要，因此有必要在邊坡開挖模擬之前使模型在原始應(yīng)力狀態(tài)下達(dá)到平衡，盡量使得邊坡的開挖模擬接近于實(shí)際情況。本模型采用彈塑性求解法生成的原始地應(yīng)力場(chǎng)，在模型生成原始地應(yīng)力場(chǎng)后即可根據(jù)上述分析對(duì)模型進(jìn)行兩步驟開挖。

模擬結(jié)果分析

通過對(duì)模型實(shí)施兩個(gè)步驟的開挖，得到了大量的信息及數(shù)據(jù)。下面分別以最大不平衡力、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線、模型最大主應(yīng)力值以及絕對(duì)位移值等4個(gè)方面分別分析上述邊坡在開挖后的安全穩(wěn)定性。

模型的最大不平衡力變化曲線

本次模擬的邊坡共分為兩步驟開挖，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的最大不平衡力變化見圖2，從中可以看出，模型最大不平衡力共出現(xiàn)了2個(gè)峰值，隨后從峰值回落，逐漸減小并最終趨近于0。說明每次模型開挖都引起了周邊圍巖應(yīng)力重新分布，使模型從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不平衡狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，不平衡力逐漸分散到周邊巖體中去，最終整體模型又達(dá)到一個(gè)新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大不平衡力變化曲線圖

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨不同開挖步驟的變化曲線圖

圖4 一步驟開挖后模型最大主應(yīng)力圖

圖5 二步驟開挖后模型最大主應(yīng)力圖

圖6 一步驟開挖后模型絕對(duì)位移圖

圖7 二步驟開挖后模型絕對(duì)位移圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線

從設(shè)置的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的位移隨開挖過程的變化曲線（見圖3）中可以看出，模型在剛開挖后位移有一個(gè)劇烈變化的過程，此時(shí)段對(duì)應(yīng)的模型最大不平衡力也達(dá)到峰值。隨后位移也逐漸趨于平緩，最終位移為兩步驟開挖后的累積位移，說明整體模型達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。但模型累積位移不大，均在厘米級(jí)，最大的1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移為2.0 cm左右，說明邊坡開挖后未產(chǎn)生大規(guī)?；破茐?。

模型的最大主應(yīng)力

如圖4、5所示，選取模型的最大主應(yīng)力（Smax）作為分析指標(biāo)，從兩步驟開挖方案模擬情況來看，模型整體的最大主應(yīng)力（Smax）呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，從一步驟開挖后的0.096 MPa增大至二步驟開挖后的0.528 MPa。受開采擾動(dòng)的影響邊坡開挖面附近形成了較大的集中應(yīng)力，坡頂表現(xiàn)為拉應(yīng)力，巖體承受了較大的拉力，坡腳表現(xiàn)為壓應(yīng)力，容易在該區(qū)域形成拉裂破壞區(qū)，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠的重視。

模型的絕對(duì)位移

如圖6、7所示，選取模型的絕對(duì)位移（Disp）作為分析指標(biāo)，從兩步驟開挖方案模擬情況來看，開挖引起的巖體位移最大值主要集中在開挖區(qū)域的邊坡坡頂和坡腳，邊坡巖體的變形在坡頂和坡腳處位移最大，從坡面向坡內(nèi)側(cè)位移逐漸減小，但總體模型的位移值均較小。說明邊坡開挖后未產(chǎn)生大規(guī)?；破茐?。

分析結(jié)論及建議

上述模型模擬計(jì)算得到的結(jié)果說明邊坡開挖后處于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)生較大位移，但是因受到開挖擾動(dòng)的影響，開挖區(qū)的坡頂、坡腳均存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，且本次模擬未考慮軟弱結(jié)構(gòu)面及爆破震動(dòng)對(duì)于邊坡巖體局部破壞的影響，邊坡實(shí)際情況可能比模擬結(jié)果更復(fù)雜。

因此，實(shí)際開采過程還應(yīng)該充分重視對(duì)邊坡的安全保護(hù)，盡量減低爆破對(duì)邊坡的擾動(dòng)影響，并及時(shí)處理采場(chǎng)上部的陡巖、危巖，加強(qiáng)采場(chǎng)境界外的截、排水工作，必要時(shí)可在局部巖體破碎地段采取相應(yīng)的加固方法，如錨固、注漿等，確保邊坡穩(wěn)定。