大峰露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與治理措施研究

侯 敏

(國家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，露天礦山數(shù)量較多，特別是鐵礦和有色金屬礦就約有1 500個，其中大型礦山數(shù)量分別達(dá)到40個和12個。截至2017年，全國建材類礦山露天開采量占100%，冶金輔助材料露天開采量占總開采量90.5%，鐵礦石露天開采量占總開采量86.4%，有色金屬礦露天開采量占總開采量49.6%，煤炭露天開采占總開采量5%。露天開采由于安全條件好、機(jī)械化程度高、資源回收利用率高等優(yōu)點，成為淺埋礦床首選方法[1-5]。

由于露天開采優(yōu)越的交通環(huán)境，為了進(jìn)一步提高礦山開采效率，越來越多先進(jìn)高效的鉆孔設(shè)備得到應(yīng)用，大孔徑、高臺階爆破技術(shù)得到發(fā)展，特別是在礦巖硬度比較大的露天礦φ310 mm牙輪鉆機(jī)逐步取代了φ200、φ250 mm潛孔鉆機(jī)，露天礦開采出礦量越來越大，年開采深度越來越深，礦山開采效率逐步增大的同時，邊坡安全隱患也越來越多。

20世紀(jì)50年代，我國邊坡穩(wěn)定性研究開始起步，主要以材料力學(xué)和簡單的土力學(xué)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算。60年代，邊坡研究理論得以發(fā)展，其中以巖體結(jié)構(gòu)理論和流變理論為代表。70年代，結(jié)合礦山實際情況，建立了相應(yīng)的過程地質(zhì)模型，開展了工程地質(zhì)力學(xué)研究[6]。80年代開始推廣應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)及邊坡可靠性分析，經(jīng)過近70年的發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性研究理論不斷成熟，將傳統(tǒng)的方法不斷發(fā)展，結(jié)合新的理論和試驗，逐步形成了定性和定量分析法[7-11]。大峰礦煤層具有“太西無煙煤”稱號，品味高，含有雜質(zhì)較少，工業(yè)生產(chǎn)過程中，燃燒值高，污染較少，在冶金和化工等方面得到廣泛的應(yīng)用。1958—1996年為露天小規(guī)模開采，1996—2006年為井工開采，由于地采受火區(qū)影響停止生產(chǎn)，2011年開采呈規(guī)模露天開采，由于大峰礦煤層較多，賦存條件復(fù)雜，隨著開采深度不斷加大，邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象逐步增多。因此本文通過對大峰露天煤礦進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場勘查及資料收集整理，利用已知的礦巖性質(zhì)，運用相關(guān)理論進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計算，并采用FLAC3D分析軟件建立特征邊坡模型，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下邊坡終了狀態(tài)的位移、應(yīng)力分布特征等，對大峰露天煤礦終了邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，提出邊坡防護(hù)措施并應(yīng)用于現(xiàn)場實踐。

1 工程概況

2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)理論計算分析

邊坡的安全系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性的最重要的衡量指標(biāo)，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)劃》(GB 50021—2001)(2009年版)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)對于新設(shè)計的邊坡：重要工程宜取1.3～1.5，一般工程宜取1.15～1.30，次要工程宜取1.0～1.15。本工程邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)允許值取k0=1.3。

2.1 非工作幫邊坡系數(shù)理論計算分析

非工作幫邊坡中含有2層軟弱的煤層，煤層與相鄰的巖體物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，近似于兩條平行的層理，根據(jù)文獻(xiàn)[12]順層邊坡的滑坡特點，層理面平行于砂巖巖層，且非工作幫終了邊坡層理貫穿巖體，在層理作用下極可能發(fā)生順層滑坡。

巖體結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面的產(chǎn)狀對于邊坡穩(wěn)定起著控制作用，大峰礦順層邊坡滑動受力分析如圖1所示。

圖1 大峰礦順層邊坡滑動受力分析Fig.1 Stress analysis diagram of slope slide of Dafeng open pit mine

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)k可以由抗滑力R與下滑力S之比表示：

(1)

式中，c為巖體內(nèi)聚力；θ為潛在滑面傾角；φ為巖體內(nèi)摩擦角；L為潛在滑面長度；α為開挖坡角；G為巖體自重；γ為巖體的容重；H為邊坡高度；h為邊坡切層高度。

(2)

將式(2)代入式(1)，整理得：

(3)

大峰露天煤礦開采過程中，若忽略人為因素，由式(3)可知，非工作幫邊坡不同結(jié)構(gòu)參數(shù)安全系數(shù)分析可得：影響安全系數(shù)的可變參數(shù)為臺階高度和坡面角，并且安全系數(shù)隨著臺階高度增大而降低，隨著坡面角的增大而降低。

2.2 端幫邊坡系數(shù)理論計算分析

大峰礦終了邊坡端幫層理面呈水平分布，與砂巖巖層的夾角較大，根據(jù)文獻(xiàn)[13-15]對圓弧滑動的判斷，確定端幫的可能滑坡屬于圓弧滑坡。采用圓弧形條分法對圓弧滑坡的土坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，這種方法認(rèn)為邊坡巖體的滑動屬于平面問題，并假定滑面為圓弧形，其位置和安全系數(shù)要通過反復(fù)試算確定，計算中不考慮條塊間的作用力。計算模型如圖2所示。

圖2 圓弧形滑動計算模型Fig.2 Calculation model of circle failure

計算在每一條塊上的力，將每一條塊的自重分解為垂直于滑動面的法向壓力Ni和平行于滑動面的切向力Ti，即：

Ni=Wicosαi

(4)

Ti=Wisinαi

(5)

式中，φ為巖體的內(nèi)摩擦角；αi為通過條塊重心的垂線與底邊線的夾角；C為條塊滑面上的內(nèi)聚力。

作用在該條塊所對應(yīng)的長為Li，滑面上尚有摩擦力Nitanφ與總內(nèi)聚力CLi，此二力是抵抗滑動的抗滑力。

在條塊界面上還有垂直于平行條塊界面的E1，E2，T1和T2等作用力，為簡化計算，假定T1=T2，E1=E2，故在計算中這些力不予考慮。

計算各條塊的下滑力對圓弧圓形O點的力矩M1：

(6)

計算各條塊抗滑力對O點的力矩M2：

(7)

則安全系數(shù)n為：

(8)

式(8)為端幫終了邊坡安全系數(shù)計算理論，由于公式較復(fù)雜，無法直接算出安全系數(shù)，因此采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析和計算。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

三維模型計算時需要賦予礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，包括體積模量K和剪切模量G，通過以下公式進(jìn)行計算：

(9)

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock formations

(10)

3.2 三維數(shù)值模型

由第1節(jié)分析可知，根據(jù)大峰露天開采根據(jù)巖層產(chǎn)狀及邊坡特征，終了邊坡主要存在2種破壞模型：①非工作幫邊坡破壞模型；②端幫邊坡破壞模型，在有限元軟件Midas-Gts上建立了大峰露天煤礦2種終了邊坡工程地質(zhì)三維仿真模型。

非工作幫邊坡高度約96 m，邊坡無大型結(jié)構(gòu)斷裂，但是存在2個煤層，2煤層夾在邊坡中，且煤層傾向與最終邊坡的傾向大致平行，煤層厚度取3 m，如圖3所示。由于煤的物理力學(xué)性質(zhì)與周邊巖石的物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，煤層在邊坡中類似于層理面，對邊坡的破壞形態(tài)起決定性作用。三維建模時巖體網(wǎng)格劃分越小，計算結(jié)果越精確，因此，本模型三維尺寸為，x∈(0，10)，y∈(0，100)，z∈(0，96)，共建立15 214個節(jié)點，27 912個單元。本次模型以橫剖面Ⅷ剖面為基礎(chǔ)，上層巖體結(jié)構(gòu)為粉砂巖，下層巖體為粗粒砂巖。

圖3 非工作幫邊坡計算模型Fig.3 Calculation model of non-work wall slope

端幫邊坡高150 m，邊坡內(nèi)部無大型的結(jié)構(gòu)斷裂，存在3層煤層與水平面大致平行，巖體上部為粉砂巖，下部為粗粒砂巖，如圖4所示。煤層厚度取3 m，模型以礦山縱剖面9剖面為基礎(chǔ)，共有 184 292個節(jié)點，35 464個單元。邊坡在3個坐標(biāo)軸上的位置分別為：X∈(0，130)，Y∈(0，100)，Z∈(0，150)。

圖4 端幫邊坡計算模型Fig.4 Calculation model of slope

3.3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值結(jié)果

基于第3.2節(jié)有限元軟件Midas-Gts對兩種邊坡建立數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，再將模型導(dǎo)入FLAC3D三維軟件進(jìn)行計算并分析邊坡應(yīng)力特點。根據(jù)其應(yīng)力分布判斷邊坡潛在的破壞特征，分析結(jié)果如下。

(1)非工作幫邊坡。模型中有2個煤層，即2個斷裂面，經(jīng)過數(shù)值計算后，由圖可以看出，在第1層煤層應(yīng)力符合自重應(yīng)力分布特征，無應(yīng)力集中點，但是在第2層煤附近出現(xiàn)了應(yīng)力的集中，主要體現(xiàn)為應(yīng)力在巖滑動面較周邊巖體應(yīng)力明顯的突變，說明終了邊坡的滑面出現(xiàn)在第2條層理面。

由圖5—圖8對X、Y、Z三個方向應(yīng)力進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，非工作幫終了邊坡由于存在2層傾斜的層理(煤層)，層理結(jié)構(gòu)上覆巖層沿著層理面存在較大的下滑力，且第2層層理結(jié)構(gòu)下滑力明顯大于第1層層理面，第2層層理埋藏大于第1層層理面，說明在第2次層理面上，自重應(yīng)力在層理面上的分力大于層理面的摩擦力，終了坡面下滑力明顯增大，非工作幫終了邊坡出現(xiàn)順層滑坡破壞特征。

圖5 X方向應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of X-direction

圖6 Y方向應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of Y-direction

圖7 Z方向應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of Z-direction

圖8 最大主應(yīng)力云圖Fig.8 Nephogram of maximum principal stress

(2)端幫邊坡。由圖9—圖12對端幫進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，其破壞模式較非工作幫有較大的區(qū)別。端幫的節(jié)理斷層更多，但是由于其節(jié)理與水平面平行，與坡面近乎垂直，因此層理面對于坡面的影響較小。但是通過應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，X與Y方向應(yīng)力和位移在節(jié)理面均有明顯的變化，Z方向應(yīng)力呈現(xiàn)弧形變化，說明在自重應(yīng)力作用，端幫邊坡出現(xiàn)圓弧形破壞特征。

圖9 X方向應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of Y-direction

圖10 Y方向應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of Y-direction

圖11 Z方向應(yīng)力云圖Fig.11 Stress nephogram of Z-direction

圖12 最大主應(yīng)力云圖Fig.12 Nephogram of maximum principal stress

由上述數(shù)值結(jié)果分析可知，非工作幫邊坡出現(xiàn)順層滑坡破壞特征，端幫邊坡出現(xiàn)圓弧形破壞特征，驗證了第2節(jié)理論分析得出的2種邊坡各自潛在的破壞形態(tài)。

4 邊坡穩(wěn)定性正交試驗分析

由第2節(jié)與第3節(jié)分析可知，若不考慮其他人為因素的影響，影響礦山巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的主要因素為臺階高度、臺階坡面角、平臺寬度，根據(jù)大峰礦初步設(shè)計建議，每個因素有一定的取值范圍，不同取值對于終了邊坡穩(wěn)定性將造成較大影響。由于3個因素取值水平較多，采用常規(guī)的試驗將進(jìn)行3n次試驗，試驗次數(shù)繁多，效率低。因此，本次試驗采用正交試驗分析，正交試驗分析就是選擇其中一部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗分析，提高工作效率，減少工作量，3個因素三水平對于采用正交按L9(33)正交表(表3)，只需進(jìn)行9次試驗。

本次試驗有3個因素，表示為A：臺階高度；B：臺階坡面角；C：平臺寬度。試驗方案見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性因素試驗方案Tab.2 Slope stability factor test protocol

(1)安全系數(shù)計算方法。采用理論式(8)對圓弧性滑坡進(jìn)行計算涉及參數(shù)眾多，影響因素較多，在理論計算過程中計算繁瑣且結(jié)果存在一定誤差。FLAC3D能夠用于邊坡安全計算，且能夠快速實現(xiàn)重復(fù)大量的計算。FLAC3D邊坡的安全系數(shù)為滑面實際抗剪強度指標(biāo)與發(fā)生破壞臨界狀態(tài)時虛擬的折減強度指標(biāo)的比值，其計算原理為：

(11)

式中，K為安全系數(shù)；L為折減強度指標(biāo)；φ為內(nèi)摩擦角；c為巖體內(nèi)聚力。

根據(jù)實際情況，逐步改變相關(guān)參數(shù)，得到不同的c′、φ′，代入FLAC3D反復(fù)迭代計算，直至坡體達(dá)到臨界狀態(tài)，坡體達(dá)到臨界狀態(tài)的K值即為邊坡安全系數(shù)。利用莫爾—庫倫強度準(zhǔn)則，將邊坡不收斂作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，其表達(dá)式為：

(12)

式中，φ為內(nèi)摩擦角；J2為應(yīng)力偏量第二不變量；I2為應(yīng)力張量第一不變量；c為巖體內(nèi)聚力；θσ為應(yīng)力羅德角。

按照表3所示方案采用FLAC3D分別對非工作幫與端幫終了邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計算，運用正交試驗分析表格進(jìn)行統(tǒng)計分析，目標(biāo)值為安全系數(shù)n。

(13)

R=max{K1，K2，K3}-min{k1，k2，k3}

(14)

式中，Ki為i列同一因子影響目標(biāo)值之和；ki為i列目標(biāo)值平均數(shù)；R為極差。

由表3(左列數(shù)據(jù))可以明顯看出3個因素的主次順序依次B、A、C，即臺階坡面角對終了邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為臺階高度，最后為平盤寬度，因此影響非工作幫最主要的因素為臺階坡面角的設(shè)置，非工作幫為順層邊坡，坡面角越大，順層坡上覆巖層壓力越大，順層滑坡幾率越大。根據(jù)正交試驗結(jié)果，邊坡安全系數(shù)不小于1.3相對安全，安全系數(shù)越大，終了邊坡剝離量越大，經(jīng)濟(jì)性越差，因此綜合考慮安全因素和經(jīng)濟(jì)因素，非工作幫最優(yōu)的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)為A1B2C2，即臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為5 m時，效果最佳。

表3 非工作幫與端幫正交試驗分析Tab.3 Orthogonal test analysis of non-working wall

從表3(右列數(shù)據(jù))可以明顯看出3個因素的主次順序依次BAC，即臺階坡面角對終了邊坡穩(wěn)定性影響最大，其次為臺階高度，最后為平盤寬度，因此影響端幫最主要的因素為臺階坡面角，坡面角越大，其終了邊坡角越陡，越不利于邊坡的穩(wěn)定，通過理論分析及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，端幫的破壞主要以圓弧形破壞為主，終了邊坡角過大時，圓弧形破壞的趨勢越明顯。根據(jù)正交試驗結(jié)果，邊坡安全系數(shù)不小于1.3相對安全，安全系數(shù)越大，終了邊坡剝離量越大，經(jīng)濟(jì)性越差，因此綜合考慮安全因素和經(jīng)濟(jì)因素，端幫最優(yōu)的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)為A3B2C1，即臺階高度為15 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為3 m時，效果最佳。

根據(jù)數(shù)值模擬的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為減少大峰露天煤礦不同邊坡產(chǎn)狀滑坡的危害，大峰露天礦山非工作幫：臺階坡面角選擇70°，臺階高度10 m，臺階平盤寬度為5 m；端幫邊坡：坡面角選擇70°，臺階高度15 m，臺階平盤寬度為3 m。數(shù)值模擬分析的優(yōu)化方案應(yīng)用于現(xiàn)場，同時通過工程經(jīng)驗采取一些其他優(yōu)化措施，比如：排水過程、錨固技術(shù)與加強對邊坡的監(jiān)測等措施，最終大峰露天礦山未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，取得了較好的效果。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)大峰礦邊坡層理的分布特征，將邊坡的潛在破形態(tài)分為2類：非工作幫為例的順層滑坡與端面為例的圓弧形滑坡，通過理論分析得出影響2類邊坡穩(wěn)定性的主要因素有：臺階高度、臺階坡面角、平臺寬度。并根據(jù)理論公式對2類破壞形態(tài)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析得出：安全系數(shù)隨著臺階高度增大而降低，隨著坡面角的增大而降低。

(2)采用FLAC3D分析軟件對礦山邊坡進(jìn)行了三維建模數(shù)值仿真計算分析，對非工作幫與端幫邊坡的應(yīng)力、位移進(jìn)行特征分析，驗證了結(jié)論(1)2類邊坡對應(yīng)的破壞形態(tài)。

(3)運用正交實驗分析法對邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析得出：非工作幫終了邊坡臺階高度為10 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為5 m時，安全系數(shù)為1.53；端幫最優(yōu)的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)為臺階高度為15 m，臺階坡面角為70°，臺階平盤寬度為3 m時，安全系數(shù)為1.46，均大于允許值1.3。優(yōu)化方案在現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的效果。