齊大山露天礦高陡邊坡動(dòng)態(tài)預(yù)警方法研究

孫銘辰，孫厚廣，鐘小宇，曹 旺，陳曉青

(1.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051； 2.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)公司，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

露天礦邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析是了解開(kāi)采過(guò)程中坡體演變過(guò)程[1]，并為邊坡所處的安全狀態(tài)和失穩(wěn)預(yù)測(cè)提供可靠數(shù)據(jù)的科學(xué)方法[2-5]。通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)信息[6-8]了解巖土體變形的范圍和演化趨勢(shì)[9]，合理預(yù)測(cè)邊坡可能發(fā)生破壞的時(shí)間和空間[10-14]，以便于及時(shí)采取措施，確定優(yōu)化方案，合理解決邊坡失穩(wěn)破壞問(wèn)題。

目前采用傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，由于其模型僅考慮邊坡形態(tài)、力學(xué)參數(shù)對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響[15]，無(wú)法反映邊坡開(kāi)挖卸荷作用對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響[16]，因此，筆者在分析露天礦邊坡開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性時(shí)，不僅考慮坡體形態(tài)變化，還考慮開(kāi)挖卸荷對(duì)巖體的劣化作用，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)信息對(duì)坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

由于露天礦邊坡在頻繁爆破開(kāi)采過(guò)程中，邊坡形態(tài)與力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，因此筆者結(jié)合巖體劣化本構(gòu)模型[17]與強(qiáng)度折減法[18]，提出一種邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的分析方法。

1.1 巖體劣化本構(gòu)模型

(1)

在開(kāi)挖卸荷后巖體應(yīng)力重新分布，內(nèi)部原生裂隙不斷擴(kuò)展，這些細(xì)觀裂隙的發(fā)育擴(kuò)展[20]導(dǎo)致邊坡發(fā)生垮塌現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為原生裂隙的二次擴(kuò)展和新裂隙萌生過(guò)程是巖體微觀結(jié)構(gòu)不斷分離、連通的過(guò)程，在這一過(guò)程中，巖體黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ與抗拉強(qiáng)度T不斷降低。即表明在該脆性巖體劣化本構(gòu)模型中，巖體各力學(xué)參數(shù)均是關(guān)于等效塑性應(yīng)變的變化函數(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和反分析可以將其簡(jiǎn)化為線性分段函數(shù)，見(jiàn)圖1。圖1中φd為卸荷后巖體殘余內(nèi)摩擦角，Cd為卸荷后巖體殘余黏聚力，Td為卸荷后巖體殘余抗拉強(qiáng)度。

圖1 巖體卸荷區(qū)力學(xué)參數(shù)劣化過(guò)程

在該模型中，每一時(shí)步計(jì)算中模型的力學(xué)參數(shù)均需根據(jù)等效塑性應(yīng)變的變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則作為其剪切屈服函數(shù)。進(jìn)入屈服狀態(tài)后的巖體力學(xué)狀態(tài)隨等效塑性應(yīng)變不斷變化，屈服面也是等向或沿等傾線動(dòng)態(tài)變化；同時(shí)將巖體內(nèi)部原生裂隙對(duì)巖體強(qiáng)度的干擾納入考慮范圍，調(diào)整最大主應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，由于抗拉強(qiáng)度也是以等效塑性應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)定義的動(dòng)態(tài)函數(shù)，故可通過(guò)計(jì)算分析反映不同狀態(tài)下微觀裂隙的萌生、擴(kuò)展對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，最終在FLAC平臺(tái)上調(diào)用CRDM.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件進(jìn)行模擬。

1.2 強(qiáng)度折減法

Griffiths等提出的有限元強(qiáng)度折減法理論主要采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，即利用C和φ兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)代替巖體力學(xué)特性參數(shù)，且利用一個(gè)折減系數(shù)Fs對(duì)C和φ兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行折減來(lái)獲取平面應(yīng)變問(wèn)題中的最小安全系數(shù)，可分別由式(2)和式(3)求得參數(shù)C′和φ′并取代原參數(shù)，直至計(jì)算收斂。而彈性模量E、泊松比μ在計(jì)算中假設(shè)為定值，不隨C、φ的改變而變化。

(2)

(3)

式中：C′為折減后黏聚力；φ′為折減后內(nèi)摩擦角；F為折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減法的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)折減巖體抗剪強(qiáng)度，使得最大抗剪強(qiáng)度線性函數(shù)逐漸向巖體莫爾應(yīng)力圓靠近的過(guò)程，當(dāng)兩函數(shù)處于相切狀態(tài)時(shí)，巖體的安全系數(shù)即可用此刻的折減系數(shù)Fs來(lái)表述。

由于巖體力學(xué)參數(shù)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行而動(dòng)態(tài)變化，因此在利用強(qiáng)度折減法分析時(shí)，邊坡的巖體參數(shù)隨著開(kāi)采狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整。其中在FLAC軟件中，通過(guò)強(qiáng)度折減收斂得到安全系數(shù)時(shí)需先利用RDM本構(gòu)模型獲取模型中所有單元的力學(xué)參數(shù)，然后再將單元參數(shù)自動(dòng)賦予邊坡計(jì)算模型中，最后實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析。

2 齊大山露天礦邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)預(yù)警方法

2.1 露天礦概況

齊大山露天鐵礦是亞洲最大的露天礦，其邊坡全貌如圖2所示。該礦位于鞍山市的東北郊千山區(qū)調(diào)軍臺(tái)村，礦床的大致走向?yàn)槲鞅薄蠔|向，現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)采至-243 m，其封閉圈的標(biāo)高為+42 m，礦坑南北長(zhǎng)度為3 400 m，礦坑的寬度大約為1 000 m。原一期到界邊坡長(zhǎng)度1 540 m，邊坡標(biāo)高+30～-187 m，最大邊坡高度220 m，邊坡角35°32′。

圖2 齊大山露天礦邊坡全貌

采場(chǎng)南采區(qū)東幫邊坡，二期擴(kuò)建到界邊坡長(zhǎng)度1 370 m，邊坡標(biāo)高+154～+76 m，邊坡高度78 m，邊坡角32°10′，邊坡巖性主要為第四系、混合巖、石英綠泥片巖。采場(chǎng)西幫邊坡長(zhǎng)度1 930 m，邊坡標(biāo)高+42～-30 m，最大邊坡高度72 m，邊坡角38°69′。邊坡巖性主要為第四系千枚巖。目前該礦進(jìn)入擴(kuò)幫開(kāi)采期，其邊坡穩(wěn)定性是安全生產(chǎn)的重要保障，因此對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

2.2 露天礦邊坡穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

由于齊大山露天礦坑?xùn)|北幫區(qū)域穩(wěn)定性較差，在擴(kuò)幫期間出現(xiàn)了幾次小型破壞，因此根據(jù)工程需要在該區(qū)域布設(shè)了3個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2018年10月15日開(kāi)始采集變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，變形觀測(cè)周期設(shè)置為2 h，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 滑坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖4可以看出，利用GPS對(duì)邊坡進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)近一個(gè)月時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3邊坡下部擴(kuò)幫工程持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的變形持續(xù)增大，在10月15日至10月30日期間，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形始終保持6.5 mm/d的變形速率，在10月30日前后，變形量累計(jì)為8 cm，但此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2的變形速率十分穩(wěn)定，而且其變形值僅為2～3 mm(圖5中曲線基本重合)。以上數(shù)據(jù)可以表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)3附近的邊坡在擴(kuò)幫過(guò)程中，存在潛在失穩(wěn)的可能性。

在10月30日至11月6日期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的變形進(jìn)一步增大，而且變形速率較之前線性增長(zhǎng)階段大大提高，其中11月1日至11月6日變形速率分別為50.4、40.7、78.3、91.7、156.0、176.0 mm/d,截至11月6日，該點(diǎn)處的空間變形量累計(jì)已超過(guò) 1 m。參考前述同類(lèi)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)案例，當(dāng)位移速率為10～100 mm/d時(shí)，邊坡發(fā)生滑坡的概率較大，因此可以判斷齊大山露天礦東北幫邊坡已經(jīng)達(dá)到失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。

2.3 露天礦邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)預(yù)警方法

露天礦邊坡開(kāi)采卸荷過(guò)程是復(fù)雜的多空間、時(shí)效性強(qiáng)的系統(tǒng)工程，且具有難度自增等特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在開(kāi)挖深度增加和開(kāi)挖尺寸增大等條件下巖體潛在滑移面裂隙演化發(fā)育變化情況復(fù)雜，無(wú)法簡(jiǎn)單利用顯式數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來(lái)反映開(kāi)挖引起的邊坡位移量值與邊坡安全系數(shù)Fs之間的變化規(guī)律。為了更準(zhǔn)確反映邊坡巖體位移量和安全系數(shù)的關(guān)系，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱ANN)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)來(lái)分析邊坡巖體位移與安全系數(shù)之間的變化規(guī)律，并得出兩者的非線性函數(shù)關(guān)系。

為獲得邊坡位移與安全系數(shù)的非線性映射關(guān)系，可按如下步驟依次進(jìn)行：

1)將抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值作為模型主要影響因素構(gòu)建參數(shù)組合表，并結(jié)合ANSYS、FLAC3D等數(shù)值計(jì)算軟件獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形位移值D的信息，從而建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)初始可靠樣本；

2)將位移值D和抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量和輸出向量進(jìn)行迭代收斂，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

3)當(dāng)獲得成熟、準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練次數(shù)時(shí)，即表示成功建立了具有高強(qiáng)度非線性映射關(guān)系的邊坡實(shí)測(cè)位移值D與邊坡動(dòng)態(tài)安全系數(shù)Fs的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

4)將露天礦開(kāi)采過(guò)程中的邊坡實(shí)測(cè)位移值D作為輸入向量，即可通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得露天礦開(kāi)采卸荷過(guò)程中邊坡動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值；

5)將獲得的每組抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值代入數(shù)值計(jì)算軟件做一次正向計(jì)算，即可獲得露天礦開(kāi)采過(guò)程中邊坡的動(dòng)態(tài)安全系數(shù)Fs。

由上述步驟即可建立露天礦開(kāi)采過(guò)程中邊坡實(shí)測(cè)位移值D與邊坡動(dòng)態(tài)安全系數(shù)Fs的一一對(duì)應(yīng)的樣本空間。并進(jìn)一步建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算二維模型，如圖5所示。

圖5 邊坡二維計(jì)算模型

利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算可得巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)范圍,如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)范圍值

根據(jù)前文所述流程，通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算構(gòu)造不同巖體下邊坡位移的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本空間。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立露天礦開(kāi)采過(guò)程邊坡位移與黏聚力、內(nèi)摩擦角非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值輸入進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中，獲得動(dòng)態(tài)黏聚力和內(nèi)摩擦角，再將其作為抗剪強(qiáng)度參數(shù)通過(guò)FLAC3D進(jìn)行正向運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)Fs。

按照前述所示流程，以邊坡位移值為輸入，安全系數(shù)為輸出，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代收斂訓(xùn)練后，可獲得露天礦開(kāi)采過(guò)程邊坡位移與動(dòng)態(tài)安全系數(shù)非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到露天礦邊坡水平位移與動(dòng)態(tài)安全系數(shù)之間關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 露天礦水平位移與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)上述研究成果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)邊坡表面的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果確定了齊大山露天礦邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表2。根據(jù)齊大山露天礦擴(kuò)幫過(guò)程邊坡穩(wěn)定性分析與預(yù)警指標(biāo)，在邊坡進(jìn)入到臨界狀態(tài)時(shí)，需要停止擴(kuò)幫作業(yè)，全面勘查邊坡的具體形態(tài)，明確何種原因?qū)е逻吰伦冃纬掷m(xù)增大，必要時(shí)根據(jù)工程進(jìn)度與開(kāi)采情況進(jìn)行邊坡處理。如果邊坡達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài)，則須及時(shí)停止作業(yè)，并清退現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備，待查明原因并處理后再重新進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)。

表2 齊大山露天礦邊坡預(yù)警指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

1)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)一套基于邊坡變形的安全系數(shù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，可以實(shí)現(xiàn)邊坡的實(shí)時(shí)預(yù)警。

2) 邊坡動(dòng)態(tài)預(yù)警方法結(jié)合巖體損傷力學(xué)本構(gòu)模型，通過(guò)力學(xué)計(jì)算判斷邊坡巖體力學(xué)狀態(tài),再利用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。在計(jì)算時(shí)邊坡的巖體參數(shù)隨著開(kāi)采狀態(tài)而動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3)建立了露天礦開(kāi)采過(guò)程邊坡位移與動(dòng)態(tài)安全系數(shù)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在位移值增大初期，安全系數(shù)迅速減小，中期減小速率趨于平緩，后期減小速率逐漸加快。