露天礦巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響特征研究

席 偉，張?jiān)t飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司， 河北 廊坊 065000)

SICOMINES銅鈷礦位于剛果(金)盧阿拉巴省，礦區(qū)面積約11.5 km2，礦石儲(chǔ)量達(dá)2.5億t，銅品位3.47%，鈷品位0.215%，是世界級(jí)的特大銅鈷露天礦。王亞明[1-2]根據(jù)剛果(金)SICOMINES礦工程地質(zhì)條件，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)分區(qū)，并評(píng)價(jià)各分區(qū)巖體質(zhì)量。折書群[3]根據(jù)水文地質(zhì)條件，對(duì)SICOMINES礦區(qū)采場(chǎng)提出坑水疏干措施。崔世新等[4-6]使用井下電視、聲波電視、視電阻測(cè)井的方法為SICOMINES礦巖體工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件提供物探依據(jù)。陳興海等[7-8]根據(jù)SICOMINES礦體、地層、構(gòu)造、工程水文地質(zhì)等條件分析礦床成因，并建立三維地質(zhì)模型設(shè)計(jì)合理開采方案。采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定直接決定礦區(qū)生產(chǎn)效率和人員財(cái)產(chǎn)安全。上述研究主要涉及SICOMINES礦區(qū)巖體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等方面，而關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)面的歸納分析、邊坡破壞方式及滑坡治理預(yù)案的研究?jī)?nèi)容較少。因此，研究結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響、分析邊坡破壞機(jī)理、提出邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)案，對(duì)保障露天礦安全開采，彌補(bǔ)和更新礦區(qū)工程地質(zhì)資料，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 礦區(qū)巖體概況

剛果(金)SICOMINES銅鈷礦礦區(qū)揭露地層較為簡(jiǎn)單，主要為RAT巖組。礦區(qū)中部分布D坑、M坑，2個(gè)露天開采礦坑；其中D坑面積、開采量較高。

1.1 巖體特征

D坑西幫RAT巖組的主要礦物成分為白云石、長(zhǎng)石及黏土礦物；隨主要礦物成分的差異，發(fā)育為白云巖﹑砂巖﹑泥巖，隨次要礦物的不同，表現(xiàn)為硅化白云巖﹑白云質(zhì)砂巖﹑白云質(zhì)泥巖等，局部表現(xiàn)為礫質(zhì)結(jié)構(gòu)的礫巖，見圖1.

圖1 巖組結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)RQD和RMR巖體質(zhì)量分級(jí)方法，結(jié)合RAT巖組結(jié)構(gòu)特征，綜合判定D坑西幫巖體質(zhì)量等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表1.

表1 RAT巖組結(jié)構(gòu)類型特征表

1.2 巖體邊坡破壞模式

SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡，坡頂高程約1 420 m，坡底高程約1 200 m，邊坡高度達(dá)220 m，屬于高邊坡。其中，高程1 260 m以上坡角約38°，1 260 m以下坡角約40°，總邊坡角36°，傾向約NE77°.

將D坑西幫RAT巖組的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行整理，見表2.

表2 RAT巖組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀表

通過判斷RAT-3巖組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與D坑西幫邊坡坡面產(chǎn)狀的組合關(guān)系，結(jié)合赤平投影方法(圖2),分析不同優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響(表3),判斷邊坡穩(wěn)定性和邊坡破壞模式。

圖2 RAT-3優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡面的赤平投影分析圖

表3 RAT-XI3巖組的赤平投影分析結(jié)果表

各RAT巖組均發(fā)育三組及以上優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，滿足“三組或多組產(chǎn)狀各異的軟弱結(jié)構(gòu)面存在，且不與邊坡面同向；可判定為圓弧形破壞模式”。RAT-3巖組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀45°∠31°的走向與坡面走向夾角處于0～30°，屬不穩(wěn)定邊坡，與坡面相切后可能形成平面破壞。綜合判定D坑西幫巖體邊坡破壞模式為平面型和圓弧形。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

D坑西幫邊坡現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著開采力度的加大，采場(chǎng)邊坡逐漸變化，最終達(dá)到露天礦設(shè)計(jì)境界邊坡?；贔LAC3D數(shù)值模擬軟件，建立D坑西幫設(shè)計(jì)境界邊坡的數(shù)值分析模型，見圖3；布置合理的剖面，見圖4；根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，在模型中限制邊界條件和自由面,研究設(shè)計(jì)境界邊坡的穩(wěn)定性。建模范圍x=430 777～429 406 m(邊坡東西走向)，y=306 836～308 012 m(邊坡南北走向)，z=950 m至地表，單元2 158 921個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 698 575個(gè)；RAT各巖組力學(xué)參數(shù)見表4.

圖3 設(shè)計(jì)境界邊坡的FLAC3D模型圖

圖4 計(jì)算模型剖面位置圖

表4 各RAT巖組力學(xué)參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

2.2.1 應(yīng)力分析結(jié)果

模型整體最大主應(yīng)力圖(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，見圖5.

由圖5可知,受地形影響，模型的應(yīng)力隨深度的增加而增大，越接近坡面主應(yīng)力值越小，其方向從坡體深部的垂直方向，逐漸轉(zhuǎn)為淺部的順坡方向；受巖性條件影響，在巖層交接部位、臺(tái)階坡面應(yīng)力狀態(tài)擾動(dòng)較大；在臺(tái)階坡面附近、地表和巖層淺部存在拉應(yīng)力區(qū)，在模型中部，RAT-1與RAT-2巖組穿插體巖體內(nèi)，應(yīng)力擾動(dòng)比較大，且出現(xiàn)少量的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 模型整體最大主應(yīng)力云圖

2.2.2 位移分析結(jié)果

模型整體位移等值線云圖見圖6. 從圖6可知,模型邊坡巖體的位移主要是向采坑臨空面和自然下沉移動(dòng)，邊坡巖土體變形主要以開挖卸荷回彈變形為主，表現(xiàn)為坡腳處向上的垂直位移增加。

圖6 模型整體位移圖

2.2.3 塑性區(qū)分析結(jié)果

根據(jù)強(qiáng)度折減法計(jì)算，模型各剖面安全系數(shù)分別為1.187、1.145、1.187，小于許用安全系數(shù)1.20. 各剖面的塑性區(qū)分圖見圖7,8,9.

圖7 模型剖面1塑性區(qū)分布圖

圖8 模型剖面2塑性區(qū)分布圖

圖9 模型剖面3塑性區(qū)分布圖

從圖7,8,9可知,各模型剖面的塑性破壞區(qū)集中在兩個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域?yàn)樯喜窟吰碌乃缮r組及碎裂巖組區(qū)域，第二個(gè)區(qū)域?yàn)橄虏窟吰碌能浫踅Y(jié)構(gòu)面附近區(qū)域。區(qū)域巖體質(zhì)量差，抗剪強(qiáng)度低,導(dǎo)致區(qū)域破壞形式均以剪切破壞為主，并伴隨少量的拉伸破壞。

3 滑坡治理方案

針對(duì)模型兩個(gè)區(qū)域潛在的滑坡體，提出相應(yīng)滑坡治理措施。

第一個(gè)區(qū)域上部松散巖組及碎裂巖組，邊坡現(xiàn)狀已維持30年以上，通過邊坡雷達(dá)對(duì)D坑西幫邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，見圖10，結(jié)果顯示邊坡無(wú)顯著位移趨勢(shì)，判定為基本穩(wěn)定狀態(tài)，且下方有寬大臺(tái)階。因此，邊坡治理措施以定期處理浮石進(jìn)行維護(hù)為主。

圖10 部分邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)位移點(diǎn)云圖

第二個(gè)區(qū)域剖面3的中下部臺(tái)階坡腳處是最危險(xiǎn)的滑面，其范圍約160 m. 擬采用壓腳法進(jìn)行治理，實(shí)施對(duì)象主要是軟弱破碎帶上方的滑體及中上部臺(tái)階邊坡，治理目標(biāo)是保證邊坡穩(wěn)定性的前提下，減少壓礦，節(jié)約成本。

3.1 優(yōu)化方案1

為避免或盡量少的壓覆RAT-3巖組內(nèi)的礦石，但又要保證西幫穩(wěn)定性最差的剖面3的穩(wěn)定性，提出局部邊坡調(diào)整優(yōu)化方案1.

1) 1 125～1 185 m標(biāo)高按臺(tái)階高度7.5 m，臺(tái)階坡面角為60°布置。

2) 1 185～1 215 m(即目前臺(tái)階標(biāo)高)，維持原設(shè)計(jì)不變。

3) 各臺(tái)階的寬度依礦體的賦存條件大小不等，為8.0～23 m.

該邊坡調(diào)整優(yōu)化方案1，對(duì)剖面3優(yōu)化示意圖見圖11，局部邊坡調(diào)整后各工況條件下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的分析計(jì)算結(jié)果見表5，工況3條件下剖面3的計(jì)算結(jié)果見圖12，13.

圖11 優(yōu)化方案1的剖面3邊坡調(diào)整示意圖

表5 剖面3的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果表

圖12 優(yōu)化方案1簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果圖

圖13 優(yōu)化方案1 M-P法計(jì)算結(jié)果圖

由計(jì)算分析結(jié)果可知，剖面3按該方案進(jìn)行局部調(diào)整治理施工后，邊坡安全系數(shù)可達(dá)到許用值。該方案對(duì)1 090～1 125 m間RAT-3巖組內(nèi)的礦石有少量的壓礦。

3.2 優(yōu)化方案2

根據(jù)礦山現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)階預(yù)裂鉆孔傾角的大小(80°)，以及對(duì)臺(tái)階坡面角的技術(shù)要求(一般較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖石臺(tái)階坡面角為60°～75°),在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，改變臺(tái)階坡面角為70°，提出局部邊坡調(diào)整優(yōu)化方案2.

1) 對(duì)現(xiàn)狀1 215～1 185 m臺(tái)階，維持原境界設(shè)計(jì)不變，即臺(tái)階高15 m，坡面角60°.

2) 1 125～1 185 m標(biāo)高按臺(tái)階高度7.5 m，臺(tái)階坡面角為70°布置。

3) 各臺(tái)階的寬度依礦體的賦存條件大小不等，為9.7～24.3 m.

該方案對(duì)剖面3優(yōu)化示意圖見圖14，局部邊坡調(diào)整后各工況條件下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6，工況3條件下剖面3的計(jì)算結(jié)果圖見圖15，16.

圖14 優(yōu)化方案2的剖面3邊坡調(diào)整示意圖

表6 剖面3優(yōu)化方案2的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

圖15 優(yōu)化方案2簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算結(jié)果圖

圖16 優(yōu)化方案2 M-P法計(jì)算結(jié)果圖

由計(jì)算分析結(jié)果可知，剖面3按該方案進(jìn)行局部調(diào)整后邊坡安全系數(shù)可達(dá)到許用安全系數(shù)，邊坡穩(wěn)定。該方案對(duì)1 080～1 125 m間RAT-3巖組內(nèi)的礦石有少量的壓礦。

3.3 優(yōu)化方案對(duì)比

根據(jù)三維模型計(jì)算分析得出SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡的剪性塑性區(qū)東西跨度約為160 m. 在此基礎(chǔ)上對(duì)壓腳的2種優(yōu)化方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比，結(jié)果見表7.

表7 治理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析結(jié)果表

經(jīng)以上經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比，從滿足邊坡多工況下許用安全系數(shù)及壓礦量與施工方便等角度，推薦采用壓腳優(yōu)化方案2對(duì)SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡進(jìn)行治理。

4 結(jié) 論

根據(jù)剛果(金)SCIMONES銅鈷礦D坑西幫邊坡工程地質(zhì)勘察成果，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)D坑西幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析邊坡破壞機(jī)理，對(duì)潛在的滑坡體提出治理方案，對(duì)邊坡穩(wěn)定和礦區(qū)建設(shè)具有一定參考意義。

1) D坑西幫巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，巖組結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面的組合關(guān)系導(dǎo)致邊坡破壞模式為平面型和圓弧形。

2) 基于FLAC3D建立D坑西幫設(shè)計(jì)境界邊坡的數(shù)值模型，從模型的應(yīng)力、位移、塑性分區(qū)、安全系數(shù)變化等方面分析得知：設(shè)計(jì)境界邊坡整體穩(wěn)定，但局部存在貫通的剪切塑性區(qū)，有失穩(wěn)的可能；破壞形式為剪切破壞和拉伸破壞。

3) 潛在滑坡體主要位于邊坡上部松散巖體和剖面3下部巖體軟弱結(jié)構(gòu)面附近區(qū)域，是滑坡防治重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

4) 為治理邊坡潛在的滑坡體，通過定期處理浮石的方法對(duì)邊坡上部松散巖體進(jìn)行治理。通過使用優(yōu)化后壓腳方案對(duì)剖面3下部巖體進(jìn)行治理。