考慮地震作用下的邊坡穩(wěn)定性計算及邊坡角優(yōu)化方案

劉清福 孫言飛 林元鑫 高 忠

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司,福建 上杭 364200)

0 引言

露天礦邊坡角的設(shè)計，對露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大的影響[1]。根據(jù)調(diào)查顯示，大型金屬露天礦每增加1°，可以節(jié)約剝離成本1億以上，但會帶來相應(yīng)滑坡的風(fēng)險。因此，邊坡角最優(yōu)設(shè)計應(yīng)在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下提高礦山經(jīng)濟效益的最大化[2,3]。對于多震地區(qū)來說，研究地震荷載作用下的最終邊坡角對露天礦開采具有重要意義[4]。

目前已有大量的學(xué)者對地震作用下的邊坡穩(wěn)定性進行了研究。通過對地震邊坡的失穩(wěn)機制進行了詳細探討，歸納總結(jié)了地震作用下邊坡穩(wěn)定性的影響因素[5]；利用有限元軟件對地震動力作用下影響壩體邊坡最危險滑裂面位置及穩(wěn)定性的動力影響因素進行了詳細探討[6]；基于擬靜力法研究不同參數(shù)對地震作用系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)坡高和坡角是影響地震作用下邊坡穩(wěn)定性的2個主要因素[7]；采用最小平均系數(shù)法研究地震荷載作用對邊坡安全系數(shù)的影響，對工程案例計算提供了有意義的參考[8]。

礦山烏拉根鉛鋅礦位于克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣黑孜葦鄉(xiāng)，目前設(shè)計生產(chǎn)能力為300萬t/a。該礦區(qū)為急傾斜層狀巖體，巖石抗壓強度較低，工程地質(zhì)條件為中等～復(fù)雜。該礦上所屬區(qū)域為地震多發(fā)地，為提高邊坡穩(wěn)定性，保證礦山可持續(xù)發(fā)展，在充分考慮地震偶發(fā)性的工況前提下對邊坡角優(yōu)化展開進一步的研究。

1 工程地質(zhì)概況及分區(qū)

烏拉根鋅礦礦區(qū)屬烏拉根向斜的東部，該向斜整體呈東端閉合(轉(zhuǎn)折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。優(yōu)化設(shè)計境界位于向斜南翼、地層總體走向62°，傾向北，傾角48°～68°。將采場邊坡劃分為Ⅰ～Ⅳ四個工程地質(zhì)分區(qū)，每個分區(qū)又根據(jù)巖性及風(fēng)化程度不同劃分為不同的亞區(qū)，如表1所示。

表1 工程地質(zhì)分區(qū)

2 礦區(qū)地震數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

烏拉根鋅礦位于烏恰縣，屬于全國地震烈度最高區(qū)域，年平均地震次數(shù)達到44次，絕大多數(shù)地震里氏震級為3～6級，震源深度0～60 km。采用MC. Guire在1976年提出的經(jīng)驗公式求得地震最大加速度，發(fā)現(xiàn)地震最大加速度主要集中在0～0.03 g。最高地震記錄為發(fā)生于2008年10月5日，為7.1級，地震最大加速度為0.08 g，見表2。烏拉根鉛鋅礦正常服務(wù)年限21年，若當(dāng)?shù)卣饎蛹铀俣?0.045 g，則服務(wù)年限內(nèi)地震發(fā)生的概率為59.03%，若當(dāng)?shù)卣饎蛹铀俣?0.055 g，則服務(wù)年限內(nèi)地震發(fā)生的概率為37.02%，由此可見存在較大的地震風(fēng)險。

表2 1970～2017年天山子網(wǎng)地震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表

(1)

式中：M—地震級別；R—距震源的距離，km。

3 邊坡穩(wěn)定性計算及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 計算工礦及安全系數(shù)選取

邊坡安全系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的生要指標(biāo)，它與邊坡穩(wěn)定性研究的各項工作內(nèi)容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各項定量參數(shù)的取用和定性分析評價、礦山服務(wù)年限、邊坡區(qū)段的重要性等因素有關(guān)。在邊坡極限平衡穩(wěn)定性分析中，安全系數(shù)K=1時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。理論上，只要K稍大于1，邊坡就是穩(wěn)定的；反之邊坡就失穩(wěn)。但由于影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)外因素很多，在具體穩(wěn)定性分析計算時，常進行強度儲備，將安全系數(shù)取K>1。對礦山邊坡來說，一般情況下取K=1.2～1.3。

烏拉根鋅礦設(shè)計最終邊坡最大高度超過500 m，根據(jù)GB51016-2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》劃分標(biāo)準(zhǔn)，烏拉根鋅礦露天邊坡屬超高邊坡，邊坡危害等級為Ⅱ級，邊坡安全等級劃分為Ⅰ級。同時對比國內(nèi)外礦山安全系數(shù)，綜合選取烏拉根鋅礦邊坡工程設(shè)計安全系數(shù)為自重+地下水工況下不小于1.20，自重+地下水+爆破振動力不小于1.18，自重+地下水+地震力下不小于1.15。在計算地震作用對邊坡的影響時，采用的地震最大加速度為0.08 g。不同計算工礦如表3所示。

表3 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算

根據(jù)烏拉根礦區(qū)目前的開采情況及整個礦體的賦存情況及其圍巖分布狀態(tài)，將其劃分為灰?guī)r、泥巖、砂巖、長石砂巖以及石膏5個巖組。前期對這5個巖組開展了大量巖石力學(xué)方面的研究，并進行了詳細的工程地質(zhì)調(diào)查。根據(jù)經(jīng)驗公式[9,10]以及工程類比的方法確定了計算所需的巖體力學(xué)參數(shù)，如表4所示。利用Slide軟件計算當(dāng)前邊坡不同工況條件下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計算結(jié)果如表5所示。其中剖面A、B屬于Ⅰ-1區(qū)，剖面C、D、E屬于Ⅰ-2區(qū)，剖面F屬于Ⅱ區(qū)，剖面G、H屬于Ⅲ-1區(qū)，剖面I屬于Ⅲ-2區(qū)，剖面J屬于Ⅲ-3區(qū)，剖面K屬于Ⅳ區(qū)。

表4 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

表5 不同計算工況下的安全系數(shù)

計算結(jié)果表明：在工況1和2條件下，除J剖面不滿足1.2的安全系數(shù)要求外，其余各剖面均滿足要求且存在較高的安全儲備，邊坡穩(wěn)定性狀況良好。在工況三條件下，受礦區(qū)高地震烈度影響，各計算剖面邊坡安全系數(shù)較工況一、工況二均大幅下降。其中A、B、E、I、K剖面安全系數(shù)大于允許值1.15，且具有一定的安全儲備，存在進一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面邊坡安全系數(shù)正好滿足要求，可維持原有邊坡角設(shè)計不變；C、H、J剖面安全系數(shù)不滿足要求，存在較大的滑坡風(fēng)險，需適當(dāng)降低邊坡角以提高邊坡穩(wěn)定性。

3.3 最終優(yōu)化結(jié)果

為進一步確定各段最終邊坡角最優(yōu)參數(shù)，并分析其合理性，對不同整體邊坡角邊坡穩(wěn)定性進行分析研究。邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，由于礦區(qū)位于地震多發(fā)地，地震動峰值加速度較大，工況三條件下安全系數(shù)遠低于其余兩種工況，因此在對邊坡參數(shù)優(yōu)化過程時，僅對工況三進行分析。優(yōu)化得到的邊坡角度如表6所示。

表6 各剖面優(yōu)化角度

通過對4個地質(zhì)分區(qū)共11個邊坡剖面進行計算分析，并綜合分析礦山服務(wù)年限及礦區(qū)地震風(fēng)險，得出了邊坡各剖面最優(yōu)邊坡角結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)工程地質(zhì)分區(qū)，推薦各分區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)表7所示。

表7 各區(qū)域邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表

經(jīng)過優(yōu)化后，Ⅰ-1區(qū)域增加1.3°，Ⅲ-2區(qū)域增加2.4°，Ⅳ區(qū)域增加1.6°，I-2、Ⅱ區(qū)域角度不變，Ⅲ-1降低1.5°，Ⅲ-3區(qū)域降低2.7°。各分區(qū)幫坡角同時優(yōu)化后，礦石量增加285萬t，巖石量減少334萬t。

4 結(jié)語

在充分考慮地震偶發(fā)性的前提下，通過收集相關(guān)資料及現(xiàn)場調(diào)查，進行了邊坡穩(wěn)定性計算，并優(yōu)化邊坡角及邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要研究結(jié)論如下：

1)對烏洽地區(qū)近幾十年地震數(shù)據(jù)進行了詳細的統(tǒng)計分析，確定了烏拉根鉛鋅礦在不同年限下發(fā)生地震的概率，并通過分析確定了本次計算所選取的地震加速度值，為0.8 g。

2)在當(dāng)前邊坡條件下，各區(qū)域在工況1和2條件下，邊坡穩(wěn)定性良好，具有較高的安全儲備；在工況3條件下：A、B、E、I、K剖面存在進一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面維持原有邊坡角設(shè)計不變；C、H、J剖面存在較大的滑坡風(fēng)險，需適當(dāng)降低邊坡角以提高邊坡穩(wěn)定性。

3)在考慮地震工況條件下，確定各個區(qū)域的最終邊坡角最優(yōu)參數(shù)。各區(qū)域幫坡角同時優(yōu)化后，礦石量增加285萬t，巖石量減少334萬t。