某露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析及參數(shù)優(yōu)化

任衛(wèi)東

摘要：露天采場(chǎng)邊坡角的選取是露天開采境界確定的首要前提。針對(duì)某露天采場(chǎng)普遍存在邊坡角較小，露天邊坡壓覆較多資源的情況，結(jié)合礦山巖石力學(xué)情況及礦體賦存條件，對(duì)現(xiàn)有邊坡角進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)邊坡角。采用CAD與有限元軟件耦合的方式創(chuàng)建生成模型，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系選取具有代表性的剖面，結(jié)合開挖過(guò)程中不同臺(tái)階的位移變化，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確定露天采場(chǎng)終了邊坡角為38°～42°，為礦山開采方案優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：露天邊坡;穩(wěn)定性;邊坡角;有限元軟件;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD854+.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2020）06-0044-04?doi：10.11792/hj20200610

引?言

露天采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)是露天開采設(shè)計(jì)所面臨的重要課題，而露天邊坡角的選取是重中之重。邊坡角過(guò)大，容易造成邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生一系列問(wèn)題;邊坡角過(guò)小，雖然保證了邊坡的穩(wěn)定，但造成了可露采資源的減少，降低了礦山企業(yè)的利潤(rùn)。

隨著系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能技術(shù)等不斷發(fā)展，尤其在控制邊坡上的應(yīng)用，促使邊坡工程設(shè)計(jì)不斷達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。有不少學(xué)者通過(guò) ANYSY、PHASE2等有限元法更加準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，依靠Flac3D數(shù)值計(jì)算模擬建立二維或三維邊坡地質(zhì)模型，進(jìn)而更加優(yōu)化計(jì)算的可信度[1-3]。本次研究采用某有限元軟件數(shù)值模擬分析計(jì)算方法，以某露天礦采場(chǎng)邊坡為對(duì)象，按照GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，研究了露天境界及最終邊坡角設(shè)計(jì)時(shí)露天礦邊坡的穩(wěn)定性，分析了邊坡的位移變化，驗(yàn)算了露天邊坡安全系數(shù)，確定最終邊坡角。

1?工程概況

1.1?地質(zhì)條件

某金礦采用露天開采，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，可溶性巖類半堅(jiān)硬巖組、半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖組分布廣泛，厚度大，并可見溶蝕現(xiàn)象;主要礦體賦存于斷裂帶中，巖體破碎，穩(wěn)定性差;礦體頂板厚度不穩(wěn)定且屬軟弱層，局部地段易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問(wèn)題。礦區(qū)工程地質(zhì)屬以可溶巖層堅(jiān)硬—半堅(jiān)硬巖石為主、工程地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜類型。

根據(jù)礦體及圍巖工程地質(zhì)特征和巖石物理力學(xué)性質(zhì)（見表1），對(duì)礦區(qū)工程地質(zhì)巖組進(jìn)行劃分，結(jié)果見表2。

1.2?開采現(xiàn)狀

礦區(qū)現(xiàn)有露天坑南北長(zhǎng)約950 m，東西寬約850 m，坑底標(biāo)高1 690 m，邊坡角37°～41°，經(jīng)多年生產(chǎn)，邊坡總體較穩(wěn)定。

礦區(qū)為一寬緩式短軸向斜，走向NNE，采場(chǎng)西高東低。采場(chǎng)西緣頂面標(biāo)高1 965 m，與現(xiàn)有露天坑底相對(duì)高差275 m，巖層傾向東，傾角30°～60°，為順向坡。在采場(chǎng)剝離期間，對(duì)采場(chǎng)及其外圍地段同類型的自然和人工邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查與分析，自然邊坡角為20°～35°，人工邊坡角為25°～38°。

露天采場(chǎng)東部邊坡，位于向斜東翼，地層傾向西，傾角10°～40°，亦屬順向坡。東南幫采場(chǎng)上緣最高點(diǎn)標(biāo)高為1 840 m，與現(xiàn)有露天坑底高差為150 m，切割的地層主要是蛇山組，巖石力學(xué)性能差，巖體結(jié)構(gòu)松散，現(xiàn)露天采場(chǎng)東幫幫坡角為36°～41°，南幫幫坡角為29°～37°。礦山通過(guò)對(duì)東、南幫邊坡采用疏水、注漿等維護(hù)措施，目前邊坡較穩(wěn)定。

生產(chǎn)多年來(lái)，雖然邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象鮮有發(fā)生，但礦山普遍存在邊坡角較小，露天邊坡壓覆較多資源的現(xiàn)象，結(jié)合礦山巖石力學(xué)情況及礦體賦存條件，礦山邊坡角還有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。因此，在露天邊坡不同方位選取不同的邊坡角進(jìn)行驗(yàn)證分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化采場(chǎng)邊坡，盡可能地采用露天開采的方式回收資源，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1.3?邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)

本次工程為露天延深開采設(shè)計(jì)，根據(jù)開采地段礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)及礦巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時(shí)參照國(guó)內(nèi)外同類礦山實(shí)際生產(chǎn)的最終邊坡角資料和礦山多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，按類比法確定采場(chǎng)的最終邊坡參數(shù)，見表3。

2?邊坡穩(wěn)定性分析

某有限元軟件是一款適用于地面開挖設(shè)計(jì)和計(jì)算的彈塑性有限元分析軟件，同時(shí)還可以進(jìn)行邊坡穩(wěn)定的有限元分析。目前基于有限元分析的強(qiáng)度折減法廣泛用于露天礦邊坡穩(wěn)定性分析。

2.1?計(jì)算程序

根據(jù)露天剝離揭露的巖性及各類結(jié)構(gòu)面、軟弱層分布情況，采用有限元軟件[1-3]進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)證，從而確定經(jīng)濟(jì)合理的最終邊坡角，盡可能地減少?gòu)U石剝離，多回收資源，增加礦山的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)值模擬采用的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2?分析剖面選取

設(shè)計(jì)的采場(chǎng)最終邊坡參數(shù)見表3，根據(jù)設(shè)計(jì)確定的參數(shù)對(duì)該采場(chǎng)邊坡做進(jìn)一步的數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析驗(yàn)證。

分析剖面選擇在縱Ⅰ號(hào)勘探線和56號(hào)勘探線，其中每條勘探線上各取2個(gè)計(jì)算邊坡，取縱Ⅰ號(hào)勘探線上的計(jì)算剖面為剖面①和剖面②，56號(hào)勘探線上的計(jì)算剖面為剖面③和剖面④。選取的剖面基本上是最大邊坡角處和最大邊坡高度處，具有代表性，所選4個(gè)計(jì)算剖面位置見圖1。

2.3?力學(xué)分析模型

本次模擬采用某有限元軟件巖土分析模塊，模型采用CAD與其耦合的方式創(chuàng)建，即將所選地質(zhì)剖面（CAD，dwg 格式文件轉(zhuǎn)換成dxf格式文件）導(dǎo)入有限元軟件中，其建立的模型為數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格模型，有限元軟件按各向同性考慮，選用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系計(jì)算[4-10]。計(jì)算范圍根據(jù)圣維南原理選取，即邊坡左右兩側(cè)擴(kuò)展不小于30 m，下部延深不小于40 m。計(jì)算剖面①、②、③和④導(dǎo)入分析軟件后進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的情形見圖2和圖3。

2.4?計(jì)算結(jié)果及分析

2.4.1?位?移

剖面①和剖面②初始應(yīng)力水平位移云圖見圖4，剖面③和剖面④初始應(yīng)力水平位移云圖見圖5。

采用有限元軟件模擬礦體開挖過(guò)程，開挖至1 480 m臺(tái)階時(shí)剖面①和剖面②水平位移云圖見圖6，開挖至1 390 m臺(tái)階時(shí)剖面①和剖面②總位移云圖見圖7。

開挖至1 435 m臺(tái)階時(shí)剖面③和剖面④水平位移云圖見圖8，開挖至1 390 m臺(tái)階時(shí)剖面③和剖面④總位移云圖見圖9。

從圖6～9可以看出：露天境界南部和北部邊坡開挖至1 480 m臺(tái)階時(shí)，1 555 m至1 480 m之間邊坡的水平位移為66 mm和69 mm;西部邊坡開挖至1 435 m時(shí)，1 435 m至1 525 m之間邊坡的水平位移最大為63 mm，出現(xiàn)位移突變現(xiàn)象。

位移的變化量在正常的移動(dòng)范圍內(nèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)中需引起注意，必要時(shí)需對(duì)上述地段邊坡進(jìn)行局部加固，礦區(qū)東部邊坡位移較小，相對(duì)較安全。

2.4.2?安全系數(shù)

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，2個(gè)方向、4個(gè)剖面的邊坡安全系數(shù)均大于1.20，符合GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，說(shuō)明露天開采服務(wù)年限內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定，設(shè)計(jì)所選取的最終邊坡角參數(shù)合理。

因此，根據(jù)露天采場(chǎng)終了境界邊坡高度、露天采場(chǎng)服務(wù)年限及開采技術(shù)條件、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，參照露天采場(chǎng)現(xiàn)有邊坡參數(shù)及其穩(wěn)定性[11-12]，確定露天采場(chǎng)終了邊坡角為38°～42°。

3?結(jié)?論

1）采用CAD與有限元軟件耦合的方式，分別選取的2個(gè)方向、4個(gè)剖面的邊坡較典型，具有一定的代表性。

2）采用有限元軟件分別對(duì)露天開挖過(guò)程中的不同臺(tái)階斷面進(jìn)行位移云圖模擬，結(jié)合位移偏移量，說(shuō)明所選取邊坡角的合理性。

3）根據(jù)露天采場(chǎng)實(shí)際工況條件，參照露天采場(chǎng)現(xiàn)有邊坡參數(shù)及其穩(wěn)定性，確定露天采場(chǎng)終了邊坡角為38°～42°。

4）根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)確定的終了邊坡角整體來(lái)說(shuō)應(yīng)能保證露天采場(chǎng)邊坡整體穩(wěn)定，但不排除局部出現(xiàn)垮塌的可能，建議臨近露天采場(chǎng)最終邊坡爆破時(shí)，為保護(hù)邊坡安全，實(shí)行控制爆破，通過(guò)地震波計(jì)算控制爆破藥量，形成終了境界邊坡坡面時(shí)采用預(yù)裂爆破;建立邊坡監(jiān)測(cè)體系，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

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