齊大山露天鐵礦邊坡開挖穩(wěn)定性分析

孟磊磊，孟興濤，王 潤，王永增，曹 洋，劉小剛

（1.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114001；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

齊大山鐵礦是鞍鋼大型露天鐵礦之一，同時也是鞍山本溪地區(qū)開采歷史最悠久的礦山之一，目前屬于典型的大型深凹露天采坑[1]。隨著露天礦開采深度的增加，邊坡高度、面積也相應(yīng)大幅度增加，邊坡滑坡災(zāi)害問題也日益突出[2]，因此，露天礦邊坡開挖穩(wěn)定性分析與控制成為了露天礦開采的重點問題之一。張俊陽[3]等結(jié)合露天礦邊坡實例，應(yīng)用FLAC程序不斷降低土體抗剪強度參數(shù)得到邊坡破壞滑動面，表明FLAC 強度折減法適用于露天礦開挖邊坡的穩(wěn)定性分析。曹蘭柱[4]等對寶日希勒露天礦南幫52#剖面邊坡的應(yīng)力應(yīng)變和位移進行數(shù)值模擬，表明南幫邊坡失穩(wěn)時，邊坡變形失穩(wěn)雖以剪切破壞為主，拉伸破壞也相伴發(fā)生，坡頂起主要作用。孫光林[5]等應(yīng)用有限差分數(shù)值計算軟件，對比分析了分步開挖條件下含有和不含有軟弱夾層邊坡的影響情況，表明含有軟弱巖層邊坡對工程開挖十分敏感。周子涵[6-7]等以大孤山西井邊坡為例進行了計算，通過能量突變分析和安全系數(shù)變化分析說明邊坡受開挖擾動的影響較為嚴重。黃輝[8]等模擬巖質(zhì)邊坡開挖后邊坡應(yīng)力、應(yīng)變，體現(xiàn)了開挖卸荷對邊坡穩(wěn)定性的影響以及易發(fā)生變形破壞的部位。屈春來[9]等通過露天開挖的數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，每步開挖對巖體均有破壞性擾動，沿片理的臺階型破壞與整體失穩(wěn)的可能性較大。在借鑒以上研究的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D6.0 軟件和slide 軟件模擬了齊大山鐵礦東幫860 勘察線邊坡開挖穩(wěn)定性，為采區(qū)接下來的開挖提供預(yù)測數(shù)據(jù)。

日式唐草的紋樣選材上相對比較單一，植物紋樣種類不超過三五種，也都是以美國西部植物紋樣為主。這也正是其來源于美式唐草的原因，其本土的植物紋樣幾乎沒有。

1 工程概況

齊大山露天鐵礦位于遼河沖積平原，緊連千山山脈，東高西低。二采區(qū)東幫860 勘查線附近邊坡產(chǎn)狀為NE60°∠35°，邊坡呈舒緩微凸形，設(shè)計高度由北向南增高。邊坡以混合巖為主，巖體比較破碎，風化較為嚴重，節(jié)理發(fā)育，特別是花崗類混合巖（黃色）力學(xué)強度較南部花崗混合巖低，上覆土層為第四系坡積、殘積、沖積層，此層由淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土和砂卵石組成，低洼處厚度達到40 m。該處邊坡比較高陡，且邊坡未留設(shè)寬大碎石平臺，邊坡表面受風化和爆破振動等作用，碎石易滑落，對下部運輸?shù)缆吩斐蓢乐匕踩[患。

探討我國醫(yī)學(xué)影像互認共享的情況，首先要界定“互認”與“共享”?！蛾P(guān)于醫(yī)療機構(gòu)間醫(yī)學(xué)檢驗、醫(yī)學(xué)影像互認有關(guān)問題的通知》中把醫(yī)療機構(gòu)間檢查檢驗互認界定為檢查資料互認和檢驗結(jié)果互認，具體內(nèi)容則包括四個方面：①具體內(nèi)容包括醫(yī)學(xué)檢驗結(jié)果和醫(yī)學(xué)影像檢查資料；②臨床生化、免疫、血液和體液等臨床檢驗中結(jié)果相對穩(wěn)定、費用較高的項目；③醫(yī)學(xué)影像檢查中根據(jù)客觀檢查結(jié)果出具報告的項目；④醫(yī)學(xué)影像檢查中依據(jù)動態(tài)觀察過程出具診斷報告的，或診斷報告與檢查過程高度相關(guān)的項目?；フJ強調(diào)的是結(jié)果性內(nèi)容或是客觀檢查項目，其目的是確定互認項目以及避免重復(fù)檢查。

2 數(shù)值模擬模型及參數(shù)

2.1 模型的建立

根據(jù)地質(zhì)條件及邊坡形態(tài)，選取東幫滑坡位置860 勘察線典型剖面做力學(xué)分析。該剖面邊坡以花崗類混合巖為主，下部出露含鐵石英巖，局部邊坡夾雜少量閃長巖。通過FLAC3D6.0 軟件建立的齊大山鐵礦860 勘察線東幫邊坡開挖數(shù)值計算模型如圖1。

圖1 數(shù)值計算模型

模型寬度為425 m，高度從水平-120 m 起，一直模擬到地表，高度為248 m。計算模型共用2 747個單元，5 760 個節(jié)點，局部地方進行網(wǎng)格加密。由于齊大山露天鐵礦開采范圍較大，并且整個采場在環(huán)線方向上的變形很小，可以忽略不計，故設(shè)定模型坡體表面為自由面，四周及底部進行法向約束。邊坡共開挖3 次，開挖垂直范圍分別為+65～+40 m 水平、-15～-30 m 水平、-30～-45 m 水平，采用Mohr-Coulomb屈服準則進行數(shù)值計算。

從圖3 中可以看出，隨著分步開挖的進行，最大剪切應(yīng)變總是出現(xiàn)在最危險區(qū)域的坡腳，且剪切應(yīng)變增量較大區(qū)域不斷向坡頂方向擴展，呈現(xiàn)逐漸貫通的趨勢，對邊坡穩(wěn)定性造成不利的影響。因此，有必要加強標高-50 m 水平至坡頂?shù)谋O(jiān)測，重點監(jiān)測該區(qū)域的邊坡位移。同時，需對總體邊坡進行全面、定期檢測，力求早發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)域，為修改設(shè)計和治理邊坡積累資料，提前給出邊坡合理治理措施。

2.2 模型參數(shù)

從表1 中可以看出，Bishop 法、Spencer 法、M-P法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相近，Ordinary 法得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小，Bishop 法得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大。開挖前Ordinary 法與Bishop 法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相差9.23%，開挖后Ordinary 法與Bishop 法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相差10.22%。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

1302主撤巷和3003措施巷掘進過程中，不同等級的狀態(tài)預(yù)警結(jié)果所占比例如圖5所示，由圖5可知：1302主撤巷預(yù)警結(jié)果全部為“正?！保?303措施巷非正常報警比例達60%，其中“威脅”的占34%，“危險”的占26%。對兩工作面的預(yù)警結(jié)果進行比較可知，3303措施巷的突出危險性遠大于1302主撤巷，與實際情況完全相符。

本次模擬為反演邊坡開挖以及采動作用下滑坡的啟動過程，特別針對開采過程中的3 個狀態(tài)：第1階段主要按照設(shè)計線將邊坡滑動部位清理，主要開挖未達到設(shè)計線部位，并計算開挖后的該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性情況；第2 階段主要開挖區(qū)域為坡體下部，其臺階以上基本挖至設(shè)計坡型，下部未開挖至廠區(qū)設(shè)計標高，計算開挖后的邊坡穩(wěn)定情況；第3 階段主要開挖坡體最下部，其臺階以上基本挖至設(shè)計坡型，下部開挖至下一個臺階頂部位置，計算開挖后邊坡穩(wěn)定情況。

3.1 有限差分法

有限差分強度折減法的基本原理是將巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的值同時用1 個折減系數(shù)Fs進行折減，得到一組新的黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值作為新的材料參數(shù)進行試算。當計算不收斂時，對應(yīng)的折減系數(shù)值被稱為坡體的最小安全系數(shù)，如式（1）：

開挖前后邊坡位移變化云圖如圖2，開挖前后邊坡最大剪切應(yīng)變增量變化云圖如圖3。

式中：C′為折減后巖土體黏聚力，N；C 為折減前巖土體黏聚力，N；Fs為折減系數(shù)；φ′為折減后巖土體內(nèi)摩擦角，（°）；φ 為折減前巖土體內(nèi)摩擦角，（°）。

圖3 開挖前后邊坡最大剪切應(yīng)變增量變化云圖

Janbu 法的計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最接近限差分法的計算結(jié)果，開挖前邊坡安全系數(shù)為1.159，小于東幫的安全系數(shù)設(shè)計值1.2，但是大于1，表明邊坡坡當前狀態(tài)下穩(wěn)定性較差，不適宜繼續(xù)開挖，要進行邊坡處理；第1 步開挖按照設(shè)計線將邊坡滑動部位清理使得安全系數(shù)降低了0.016；第2 步開挖使得邊坡安全系數(shù)降低了0.091；第3 步開挖后邊坡安全系數(shù)保持在1.068，接近于1，安全儲備降低，滑坡發(fā)生的幾率增加。

圖2 開挖前后邊坡位移變化云圖

由于電子運動速度快，很快在端部集聚，與中部行成電位差，出現(xiàn)超熱電子泄漏，使溫度，密度降低，約束時間變短。達不到勞森條件,Q<1。

3.2 極限平衡法

極限平衡法大多以條分法為基礎(chǔ)，依據(jù)靜力平衡方程，通過分析條塊體的抗滑力和滑動力之間的關(guān)系來分析邊坡的穩(wěn)定性。從工程實用觀點看，各種計算方法的假定對最后所求邊坡穩(wěn)定性的系數(shù)影響并不大。本次計算采用Ordinary 法、Bishop 法、Janbu法、Spencer 法、M-P 法多種方法尋找安全系數(shù)解集中的最小值，將最小值定義為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。利用slide 軟件對齊礦東幫勘探線860 線剖面進行極限平衡分析，開挖前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。

表1 開挖前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化表

根據(jù)前期研究資料及后期室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗，對選取的巖性參數(shù)進行統(tǒng)計分析及試算驗證，最終確定的巖性物理力學(xué)參數(shù)為：①第四系土層：密度1.885 t/m3，黏聚力53.10 kPa，內(nèi)摩擦角17.40°，彈性模量65 MPa，剪切模量23.89 MPa；②混合巖：密度2.529 t/m3，黏聚力748.64 kPa，內(nèi)摩擦角32.40°，彈性模量5 462 MPa，剪切模量2 134 MPa；③鐵礦體：密度2.657 t/m3，黏聚力1 053.76 kPa，內(nèi)摩擦角40°，彈性模量6 375 MPa，剪切模量2 510 MPa。

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，開挖前+40 m 水平處位移最大，為40～70 mm，坡頂處位移為20～35 mm，邊坡安全系數(shù)為1.144；第1 步開挖后+40 m 水平處位移依然最大，并且開挖后導(dǎo)致其最大位移達70 mm，但邊坡整體安全系數(shù)稍有提高，開挖后此平臺可以有效防止+40 m 水平處巖石滾落；第2 步開挖后其最大位移位于-15 m 水平處坡腳及+40 m 水平平臺處，最大位移增加至980 mm，邊坡安全系數(shù)為1.110；第3 步開挖后-35 m 水平至-45 m 水平邊坡最大位移達100 mm，邊坡安全系數(shù)降低至1.066。說明開挖會引起潛在滑坡區(qū)位移增大，邊坡安全系數(shù)降低，增加滑坡風險?？辈榫€860 邊坡-50 m 水平平臺以上開采線已經(jīng)接近設(shè)計線，邊坡由工作幫轉(zhuǎn)為非工作幫，不宜采取削坡措施。若邊坡位移依然持續(xù)增加，需盡快采用錨桿（索）并施加預(yù)應(yīng)力增大潛在滑動面上的正壓力以加固深層滑坡，提高巖體的整體強度。部分臺階位移相對較小，滑面較單一、清楚，在容易發(fā)生滑移的位置設(shè)置抗滑樁支擋即可。

3.3 2 種方法對比

與極限平衡法相比，F(xiàn)LAC3D中的有限差分數(shù)值模擬方法考慮了巖體內(nèi)部的本構(gòu)關(guān)系，可以直觀地得到巖體內(nèi)部各點的位移、應(yīng)力應(yīng)變和塑性區(qū)域圖，分析邊坡的發(fā)展及破壞過程；有限差分法得到的滑動面為一條滑動帶，而極限平衡法得到的是一個圓弧，而滑動帶更符合邊坡實際情況。但有限差分法在模型建立等前處理方面較復(fù)雜，計算分析速度較慢，而極限平衡法剛好相反，且可以得到多條滑動面的穩(wěn)定性系數(shù)。兩種方法的計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相差不大，各有利弊，在實際工程中可以相互驗證。極限平衡法中的Janbu 法計算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最接近有限差分法的計算結(jié)果，所以Janbu 法相比于極限平衡中的其它方法更適合高度礦山邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算。

4 結(jié)語

1）有限差分法計算表明，齊大山露天礦860 勘查線邊坡在開挖后穩(wěn)定性系數(shù)小于1.1，最大剪切應(yīng)變總是出現(xiàn)在最危險區(qū)域的坡腳，且剪切應(yīng)變增量較大區(qū)域不斷向坡頂方向擴展，呈現(xiàn)逐漸貫通的趨勢，接近滑坡，與現(xiàn)場情況吻合。

2）Janbu 法相比于極限平衡中的其它方法更適合高度礦山邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算，其計算結(jié)果最接近有限差分法計算結(jié)果。

式中 A為過水斷面面積；t為時間坐標；Q為流量；x為距離坐標；q為旁側(cè)入流量；g為重力加速度；h為水位；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

3）2 種方法計算結(jié)果相差不大，其結(jié)果可以作為邊坡治理依據(jù)，下一步礦體開挖前需做好削坡或者支護方案，避免邊坡出現(xiàn)滑塌。