某露天礦山邊坡巖體力學(xué)參數(shù)取值研究

盧 萍，張金梁，徐宗明，郭國(guó)祥，聶 琪，譚璘霞

(1.昆明冶金高等專(zhuān)科學(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033; 2.中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051; 3.云南磷化集團(tuán)有限公司安寧礦業(yè)分公司，云南 昆明 650300)

0 引 言

露天礦山邊坡穩(wěn)定性制約著礦山安全高效生產(chǎn)，直接關(guān)系到開(kāi)采的順利和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。研究露天礦山邊坡穩(wěn)定性的方法有工程地質(zhì)分析法、極限分析法、剛體極限平衡法、數(shù)值分析法以及可靠性分析法。而無(wú)論采用哪種穩(wěn)定性分析方法首先涉及到的是巖體力學(xué)參數(shù)的確定問(wèn)題[1]。它的取值可靠性[2]決定了邊坡設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。巖體力學(xué)參數(shù)確定常用方法有試驗(yàn)法、巖體分類(lèi)方法(經(jīng)驗(yàn)折減法)、反演分析法、不確定性分析法和數(shù)值分析法。多年來(lái)，大量學(xué)者在關(guān)于巖體力學(xué)參數(shù)研究的方面作出了較大貢獻(xiàn)：楊澤[3]將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)分析法相結(jié)合，應(yīng)用最小二乘法等方法確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。Sanei M[4]、李建林[5]、Kamman K等[6]結(jié)合室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法，獲得結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，巖體破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度，巖體變形模量經(jīng)驗(yàn)公式，點(diǎn)荷載指標(biāo)綜合強(qiáng)度評(píng)級(jí)。黃興政等[7]應(yīng)用結(jié)構(gòu)面特性:RBI值、RQD值、彈性縱波速度等評(píng)價(jià)巖體力學(xué)參數(shù)；黃高峰[8]應(yīng)用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則估算巖體力學(xué)參數(shù)；寧宇[9]、南英華[10]、劉正宇[11]應(yīng)用FLAC3D、3DEC軟件反演確定巖體力學(xué)參數(shù)。本文測(cè)定了某露天礦邊坡某個(gè)剖面中磷礦體、白云巖和細(xì)晶白云巖3種主要巖石力學(xué)參數(shù)，在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料、勘測(cè)資料得到RQD巖體分級(jí)和RMR值，將巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減成巖體力學(xué)參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

該露天礦山以磷礦開(kāi)采為主，礦山邊坡開(kāi)采標(biāo)高 2 035 m，高度達(dá) 300 m，走向?yàn)闁|西走向，產(chǎn)狀351°∠46°，屬于高陡傾順層巖質(zhì)邊坡(圖1)。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)以寒武系下統(tǒng)梅樹(shù)村組含磷巖系為主。由北向南出露為泥盆系中上統(tǒng)、寒武系下統(tǒng)、震旦系上統(tǒng)。上部以泥巖、粘土巖夾海綠石砂巖為主，中部以灰白色細(xì)晶白云巖為主，下部以磷、錳質(zhì)白云巖夾燧石為主；底板為寒武系梅樹(shù)村組第一段(∈1m1)。巖性為層紋狀含磷細(xì)晶白云巖、砂質(zhì)白云巖夾燧石條(厚20～45 m)，碳酸鹽沉積為主的白云巖(厚2.0～7.5 m)。在邊坡頂部易產(chǎn)生裂縫，局部地區(qū)出現(xiàn) 0.1～5 cm 裂縫，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性帶來(lái)了安全隱患。后期隨著開(kāi)采進(jìn)行底板巖層傾角變大，局部平臺(tái)寬度不足，存在“一面坡”的形式，局部地段發(fā)生了滑坡，嚴(yán)重影響到采場(chǎng)的正常生產(chǎn)。目前邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題已成為該礦山亟待解決的重要技術(shù)難題。

圖1 露天礦山采場(chǎng)現(xiàn)狀Fig.1 Stope status of open-pit mine

2 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)

因?qū)嶋H工程巖體受到裂隙、巖體結(jié)構(gòu)、地下水和尺寸效應(yīng)等因素的影響，室內(nèi)巖塊力學(xué)試驗(yàn)是定量得到巖石力學(xué)參數(shù)的最直接途徑，但不能直接得到巖體力學(xué)參數(shù)(即不能直接應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析)。本文將室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖石力學(xué)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)合，試驗(yàn)得到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、彈性模量以及泊松比，再用霍克-布朗(Hoek-Brown)強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行折減修正估算到巖體力學(xué)參數(shù)。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

1)取樣制樣：根據(jù)邊坡地層及地質(zhì)構(gòu)造情況分析，從現(xiàn)場(chǎng)選取磷礦石巖樣，白云巖及沙質(zhì)白云巖巖樣，細(xì)晶白云巖巖樣，在室內(nèi)使用水切機(jī)JY-SQJ004(圖2)、臺(tái)式鉆床Z512-2、切石機(jī)加工成試件9個(gè)長(zhǎng)方體 50 mm×50 mm×100 mm，9個(gè)正方體 50 mm×50 mm×50 mm，15個(gè)圓柱體D50 mm×25 mm(圖3)。

2)巖石的單軸壓縮及變形試驗(yàn)：通過(guò)室內(nèi)單軸壓縮變形試驗(yàn)，得到抗壓強(qiáng)度、彈性模量值及泊松比。試驗(yàn)過(guò)程中記錄其試驗(yàn)數(shù)據(jù)并描述試件的破壞形式，通過(guò)公式計(jì)算巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值、彈性模量值及泊松比。

3)巖石的抗拉強(qiáng)度采用巴西法(劈裂試驗(yàn)法)得到，選取圓柱形試件(直徑大于2倍高)，在壓力試驗(yàn)機(jī)上，平行于試件的徑向加載，使試件內(nèi)產(chǎn)生垂直于加載方向的張力，整體試件因張力作用沿加載方向開(kāi)裂，試驗(yàn)中記錄破壞時(shí)最大載荷和破壞形式。通過(guò)公式計(jì)算得到抗拉強(qiáng)度。

(a) (b) (c)圖2 水切機(jī)JY-SQJ004(a)、臺(tái)式鉆床Z512-2(b)、切石機(jī)(c)Fig.2 Water cutter JY-SQJ004(a)、 Bench drill Z512-2(b) 、Stone cutter (C)

(a) (b) (c)圖3 部分長(zhǎng)方體試件(a)、圓柱體試件(b)、正方體試件(c)Fig.3 Part of cuboid specimen (a)、cylinder specimen (b)、cube specimen (C)

(a) (b) (c)圖4 抗壓實(shí)驗(yàn)(a)、劈裂試驗(yàn)(b)和剪切試驗(yàn)(c)Fig.4 Compression test (a)、splitting test (b)and shear test (c)

4)剪切實(shí)驗(yàn)依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法》(GB/T50266—2013)，采用傾斜壓模法(或稱(chēng)變角度剪切法)進(jìn)行，如圖4c所示。在這種試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)給模具施加的載荷為P，模具再將載荷P分解為垂直于剪切方向的正壓力Pcosα和平行于剪切方向的剪切力Psinα。每組剪切試驗(yàn)所使用巖樣≥5個(gè)。采用線形回歸公式計(jì)算巖石的抗剪強(qiáng)度值，即內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ(圖4)。

2.2 室內(nèi)結(jié)果及分析

1)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)：按照《工程巖體試驗(yàn)方法》抗壓強(qiáng)度RC：RC=Pmax/A，其中Pmax為最大載荷，A為試件斷面面積。巖石的彈性模量和泊松比為試件抗壓強(qiáng)度50%處的彈性模量和泊松比：

(1)

式(1)中E50%為試件破壞載荷的50%；μ50%和為破壞載荷50%處所對(duì)應(yīng)的縱向(載荷作用方向)應(yīng)變和橫向(與載荷作用垂直的方向)應(yīng)變。得到如表1、圖5部分試件在單向荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

2)抗拉(劈裂)實(shí)驗(yàn)：采用圓柱形試件進(jìn)行對(duì)徑壓縮，抗拉強(qiáng)度ST=2Pmax/πDt,其中，Pmax為試件破壞時(shí)的最大載荷；D為試件直徑；t為試件厚度；π為圓周率，得到如表2所示結(jié)果。

表1 單軸巖石變形試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results form of uniaxial deformation test試件編號(hào)試件巖性容重/(kN·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa彈模/ GPa泊松比123磷礦體2.692.582.7163.1988.1270.8851.1063.4570.090.2200.2700.240456白云巖及砂質(zhì)白云巖2.672.732.75168.43143.60170.2180.6088.7291.110.2420.3100.280789細(xì)晶狀白云巖2.792.912.78178.16190.45173.6951.7748.6549.110.3130.2600.280 圖5 試件的抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.5 Compression force-displacement curve of specimen 表2 劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of crackling test試件編號(hào)試件巖性厚度t/mm直徑D/mm抗拉強(qiáng)度/MPa123磷礦體25.1824.1324.5549.3349.0948.992.0723.1692.961456白云巖及砂質(zhì)白云巖25.2225.3724.8849.1749.1149.125.0975.3066.144789細(xì)晶白云巖25.1925.3625.0148.7750.3449.315.2704.9985.766圖6 試件正應(yīng)力-剪應(yīng)力Fig.6 Normal stress-shear stress of specimen

3)剪切試驗(yàn)采用變角剪切，將最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力進(jìn)行擬合得到c和φ值，結(jié)果見(jiàn)圖6、表3。

表3 巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.3 The parameters of rock shear strength

3 現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

巖體自身的結(jié)構(gòu)性狀及對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)是巖體力學(xué)參數(shù)取值研究的關(guān)鍵[12]，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)方法眾多,以RQD分級(jí)法、BQ分類(lèi)法、Q分級(jí)法、CSIR分級(jí)法、GSI分類(lèi)法應(yīng)用較廣[13]。

3.1 工程地質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查

結(jié)構(gòu)面調(diào)查主要考慮巖石強(qiáng)度和巖體的完整性。巖體完整性由巖體結(jié)構(gòu)面特性所決定，用龜裂系數(shù)表示。為了掌握工程巖體的結(jié)構(gòu)面特性，筆者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)邊坡進(jìn)行結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得到第一優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面是層理結(jié)構(gòu)面，3種巖體的層理結(jié)構(gòu)面間距和密度見(jiàn)表4，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 層理結(jié)構(gòu)面間距和密度統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical stratified plane spacing and density

表5 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果Tab.5 Survey results of dominant structural planes

在表4中可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)面(1)傾角非常近似等于邊坡角，沿結(jié)構(gòu)面不易出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，邊坡是基本穩(wěn)定的，屬于比較經(jīng)濟(jì)合理的邊坡角。結(jié)構(gòu)面(2)和(3)與邊坡面近乎正交，滿(mǎn)足穩(wěn)定條件；3個(gè)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)整個(gè)邊坡穩(wěn)定性影響不大，而是結(jié)構(gòu)面的組合作用對(duì)其影響較大。巖體在自重作用下，反傾結(jié)構(gòu)面上容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，易發(fā)生斷裂、順層滑動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 RQD法

采用經(jīng)驗(yàn)公式確定巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值[14]

RQD=100e-λt(λt+1)

(2)

式(2)中： t為閾值, 常值為 0.1 m, 計(jì)算時(shí)可取較大值, 結(jié)果取較小值。λ為節(jié)理面密度, 與節(jié)理間距互為倒數(shù);計(jì)算得到：磷礦體RQD值為61.9%, 白云巖及砂質(zhì)白云巖RQD值為65.25%, 細(xì)晶白云巖RQD值為48.9%。

3.3 CSIR分級(jí)法

CSIR分級(jí)法[14]是南非科學(xué)和研究委員會(huì)Bieniawski 提出的RMR分類(lèi)方法, 選取完整巖石單向抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水條件、結(jié)構(gòu)面走向和傾角對(duì)邊坡開(kāi)挖影響程度等指標(biāo)評(píng)分值的代數(shù)和作為劃分巖體等級(jí)的依據(jù)。所得評(píng)分值代數(shù)和的不同將巖體劃分為5類(lèi)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果和計(jì)算得到, 磷礦體和白云巖及砂質(zhì)白云巖屬于一般偏下巖體(Ⅲ類(lèi)), 接近差巖體級(jí)別；細(xì)晶白云巖屬于一般巖體(Ⅲ類(lèi)), 見(jiàn)表6。

表6 巖體質(zhì)量分級(jí)Tab.6 Classification of rock mass quality

4 巖體力學(xué)參數(shù)研究

在考慮巖體的地質(zhì)因素充分和具有大量巖石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下, 采用經(jīng)驗(yàn)折減法能夠得到比較合理的巖體力學(xué)參數(shù)。巖體力學(xué)參數(shù)研究即利用巖體的質(zhì)量指標(biāo)去估算巖體力學(xué)參數(shù)以及利用巖體的變形和破壞規(guī)律進(jìn)行合理預(yù)測(cè)[15]。其中Hoek-Brown強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則能較全面地反映了巖體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖體強(qiáng)度的影響, 是目前使用較廣的方法[16]。

4.1 Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則原理

Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則反饋了巖體非線性破壞特征、結(jié)構(gòu)面組數(shù)、巖石強(qiáng)度及其應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。E.Hoek對(duì)m,s,a和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI關(guān)系修訂, 并提出參數(shù)D來(lái)處理爆破損傷和應(yīng)力松弛。

最初的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則[17]：

(3)

廣義Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則[17]可表示為：

(4)

其中

(5)

對(duì)于GSI>25 的巖體[18]：

s=exp[(GSI-100)/9],a=0.5

(6)

對(duì)于GSI≤25 的巖體：

s=0a=0.65-GIS/200

(7)

式(5)中：D為巖體擾動(dòng)參數(shù);主要考慮爆破破壞和應(yīng)力松馳對(duì)節(jié)理巖體的擾動(dòng)程度, 取值為0～1；s為巖體破碎程度;mi為完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)；

4.2 Hoek-Brown準(zhǔn)則參數(shù)的確定

(8)

2)爆破效應(yīng)對(duì)巖體擾動(dòng)程度D值的確定。露天礦山邊坡穩(wěn)定性易受到爆破采礦影響。在長(zhǎng)期爆破震動(dòng)荷載作用下, 邊坡巖體中具有彈、塑性性狀的結(jié)構(gòu)面將產(chǎn)生不可逆累計(jì)變形, 裂隙擴(kuò)展, 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新裂隙。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖節(jié)理狀況、巖體開(kāi)挖擾動(dòng)程度[19], 確定細(xì)晶白云巖D=0.6, 礦體和白云巖及砂質(zhì)白云巖巖性D=1。

3)GSI的確定。GSI地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo), 引入巖體質(zhì)量RMR分級(jí)法定量確定巖體質(zhì)量等級(jí)。 依據(jù)Z.T.Bieniawski研究認(rèn)為, 修正后的RMR指標(biāo)值與GSI值具有等效關(guān)系, 確定修正后的RMR指標(biāo)值, 即得出GSI值[20]。磷礦體GSI(RMR)=41, 白云巖及砂質(zhì)白云巖GSI(RMR)=40, 細(xì)晶白云巖GSI(RMR)=28.2。

4.3 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

1) 巖體變形模量。E.Hoek等建議巖體變形模量Em可用式(9)進(jìn)行估算[17]：

(9)

式(9)中：巖體變形模量單位為GPa。

2) 巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。莫爾強(qiáng)度曲線可用式(9)確定：破裂面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ為[17]：

(10)

將相應(yīng)的σ1和σ3代入式(10)就能在正應(yīng)力-剪應(yīng)力平面上得到莫爾包絡(luò)線上σ與τ的關(guān)系點(diǎn)坐標(biāo)。將點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理確定出巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)Hoek-Brown法原理,其中0<σ3<0.125σc。Hoek提出了抗剪強(qiáng)度非線性關(guān)系式：

lnτ/σc=aln(σ/σc-T) +b

(11)

其中常數(shù)A與B可由最小二乘法線性回歸, 當(dāng)σ=0時(shí),τ=cm, 則巖體的凝聚力為

cm=Aσc(-T)B

(12)

由內(nèi)摩擦角φm關(guān)系式得：

(13)

3) 巖體單軸抗拉強(qiáng)度[21]

(14)

其中，φL=0.85φ，cL=0.8c。

4.4 巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

在巖體質(zhì)量RMR分級(jí)結(jié)果，根據(jù)式(3)—(14)計(jì)算出的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 巖體力學(xué)參數(shù)確定結(jié)果Tab.7 Determination results of rock mechanics parameters

4.5 現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)

為了更好驗(yàn)證巖體力學(xué)參數(shù)折減的合理性，選取對(duì)其中的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。采用現(xiàn)場(chǎng)原位直剪試驗(yàn)直接求解巖體力學(xué)參數(shù)。參考楊澤[3]論文中相似礦山試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得砂質(zhì)白云巖c=0.139 MPa，φ=29.24°，層紋狀白云巖c=0.345 MPa，φ=43.41°。與本次巖體力學(xué)參數(shù)研究中抗剪參數(shù)(表7)折減后平均值較吻合，證明采用RQD值法、CSIR法與Hoek-Brown破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則相結(jié)合的巖體力學(xué)參數(shù)適合該類(lèi)礦山。

5 結(jié)論與建議

1)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)是巖體力學(xué)參數(shù)確定的關(guān)鍵,為后期進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)和巖體力學(xué)的參數(shù)折減提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)在室內(nèi)巖石力學(xué)測(cè)定所得結(jié)論的基礎(chǔ)之上，通過(guò)RQD 法和CSIR法對(duì)其巖體按照要求分級(jí)，綜合評(píng)定結(jié)果為：磷礦體和白云巖及砂質(zhì)白云巖屬于一般偏下巖體(Ⅲ類(lèi))，接近差巖體級(jí)別； 細(xì)晶白云巖屬于一般巖體(Ⅲ類(lèi))。

3)巖體工程質(zhì)量評(píng)價(jià)RQD值法和RMR法考慮了影響巖體力學(xué)性質(zhì)的多種要素，它與 Hoek-Brown破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則結(jié)合來(lái)估算巖體力學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)結(jié)果基本一致。采用該種方法計(jì)算得到的該礦山的巖體強(qiáng)度是可行的，為邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。