固化回填過程對露天邊坡的穩(wěn)定性影響*

彭華鋒,張欽禮

(1.銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司,安徽 銅陵市 244132;2.中南大學(xué),湖南 長沙 410083)

0 引言

露天礦山開挖后會破壞和擾動原來較為穩(wěn)定的巖體,而形成新的高陡邊坡,由于原有的平衡狀態(tài)被打破,巖體應(yīng)力將發(fā)生重新分布,這樣極易導(dǎo)致邊坡變形失穩(wěn)[1-2]。邊坡失穩(wěn)引起的滑坡、落石、塌陷、泥石流等,可能帶來嚴(yán)重的破壞,甚至不可估量的災(zāi)難。邊坡穩(wěn)定性成為影響露天礦山安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題,也一直是巖土工程中的重要研究內(nèi)容[3-4]。因此,邊坡穩(wěn)定性分析成為邊坡設(shè)計、邊坡穩(wěn)定狀態(tài)判別、邊坡加固與治理的重要決策依據(jù)[5-6]。國內(nèi)外學(xué)者針對邊坡穩(wěn)定性問題做了大量的研究,形成了邊坡穩(wěn)定性評價方法:工程地質(zhì)類比法、定性分析法、極限平衡分析法和數(shù)值分析法[7-9]。楊天鴻等[10]為建立基于微震監(jiān)測信息反演的邊坡巖體內(nèi)部損傷演化模型,提出了露天礦邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)識別表征方法和動態(tài)穩(wěn)定性評價方法,實現(xiàn)了露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析預(yù)測。張曉詠等[11]運用ABAQUS有限元程序結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)進(jìn)行滲流作用下邊坡穩(wěn)定分析,揭示了坡體內(nèi)滲流浸潤面和最危險滑動面的形狀和位置。

露天采坑治理的最佳途徑是采用無毒無害固體廢棄物進(jìn)行固化回填[12]。固化回填可以有效降低露天邊坡高度,同時可以起到壓坡腳的作用,有利于露天邊坡的維護(hù)[13]。但在固化回填過程中,濾水隨著回填作業(yè)滲透富集于充填體表面,通過巖石或充填體的滲透作用,沿裂(孔)隙滲透至邊坡巖體內(nèi),與地下水共同作用于周邊巖體。在水的長期浸泡下,邊坡巖體的強(qiáng)度可能會受到削弱,進(jìn)而影響邊坡的整體穩(wěn)定性。本文在分析當(dāng)前露天邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值模擬分析無滲流場/滲流場作用下不同固化回填高度對露天邊坡穩(wěn)定性的影響,以確保露天邊坡穩(wěn)定性不會因固化回填受到削弱。

1 邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬方案

新橋礦是一座東翼露天、西翼地下聯(lián)合開采的大型銅硫礦山,東翼露天開采結(jié)束后,形成了巨大的露天采坑和高陡邊坡,對下部資源回采產(chǎn)生一定安全威脅。由于新橋礦尾砂產(chǎn)出率較低,自產(chǎn)尾砂僅能維持井下充填平衡,沒有多余的尾砂進(jìn)行露天采坑的回填。在距新橋礦直線距離11 km 處的冬瓜山銅礦,其尾礦庫庫容接近飽和。如能通過區(qū)域礦山協(xié)同,利用冬瓜山銅礦充填剩余尾砂對新橋礦露天采坑進(jìn)行固化回填,是一項雙贏的環(huán)保工程。既解決了冬瓜山銅礦尾砂處置難題,又消除了新橋礦露天采坑的安全隱患,節(jié)約了新橋礦露天采坑復(fù)墾費用,實現(xiàn)協(xié)同雙贏。

新橋礦露天采坑形成最終開采境界后,封閉圈標(biāo)高為+36 m,坑底標(biāo)高為-156 m,下盤邊坡垂高為482 m,上盤最終邊坡角為42°～45°,下盤最終邊坡角為39°～41°,容積為4360萬m3。為保證新橋礦東翼露天轉(zhuǎn)地下安全平穩(wěn)過渡,在露天坑底標(biāo)高-180～-156 m 之間留設(shè)了24 m 境界頂柱。根據(jù)露天采坑的回填方案,坑底10 m 進(jìn)行打底回填,其中坑底以上5 m 充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度不低于4.5 MPa,5～10 m 充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度不低于2.5 MPa;坑底以上10 m 至露天采坑封閉圈進(jìn)行普通回填,充填體28 d 單軸抗壓強(qiáng)度不低于0.5 MPa。

邊坡穩(wěn)定性分析是對研究范圍內(nèi)的邊坡進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)調(diào)查,并在研究以往礦區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,通過建立正確、可靠的邊坡數(shù)值模型,采用可靠的方法對邊坡的安全穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評價。

1.1 分析方法

針對新橋礦露天采坑具體情況,利用SLIDE 巖土體邊坡穩(wěn)定性分析軟件,采用屬于極限平衡法的簡 化Bishop 法、Janbu 法 和 Morgenstem-Price(M-P)法進(jìn)行露天邊坡穩(wěn)定性分析。

1.2 數(shù)值模型構(gòu)建

1.2.1 基本假定與邊界約束

為便于建模和分析計算,需做出如下假設(shè):

(1) 邊坡巖體的變形和位移是微小的,按彈塑性平面應(yīng)變問題處理;

(2) 不考慮地應(yīng)力的影響,計算中只考慮自重應(yīng)力作用下邊坡的應(yīng)力與位移;

(3) 礦體和圍巖為局部均質(zhì)、各向同性的材料,塑性變形不改變材料各向同性;

(4) 考慮到巖石的脆性,分析中涉及到的所有物理量均與時間無關(guān);

(5) 不考慮應(yīng)變硬化(或軟化);

(6) 考慮到有限元程序的局限性,不考慮巖層和礦體中的結(jié)構(gòu)面、裂隙和軟弱層的存在與影響。

1.2.2 邊界條件

滲流邊界條件:邊坡定義出水點遠(yuǎn)端標(biāo)高為地下水位,取總水頭邊界,模型地面取不透水邊界,地層邊界取自由邊界。

位移邊界條件:模型兩側(cè)邊界施加水平軸向約束,模型底部施加水平和豎直軸向約束。

滲流場主要考慮地下水位、回填濾水和降雨匯水;根據(jù)初始地下水位,模擬穩(wěn)態(tài)流,以該結(jié)果作為后續(xù)非飽和滲流分析的基礎(chǔ);穩(wěn)定性模擬過程中,在充填體表面賦加地表水(回填濾水)。

1.2.3 力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計算分析的準(zhǔn)確性很大程度上取決于礦巖體基本力學(xué)參數(shù)是否準(zhǔn)確。本次模擬采用的礦巖力學(xué)參數(shù)為結(jié)合鉆孔取樣試驗和巖體質(zhì)量評價結(jié)果計算所得,結(jié)果見表1。

表1 巖體和充填體的力學(xué)參數(shù)

1.2.4 邊坡數(shù)值模型

在上盤邊坡和下盤邊坡各選取一個穩(wěn)定性相對較差的剖面進(jìn)行分析。為簡化理論模型,忽視臺階存在,按照上盤邊坡角為43°和下盤邊坡角為39°,運用SLIDE 軟件分別構(gòu)建上盤邊坡和下盤邊坡的數(shù)值模型,利用有限元法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,分別如圖1和圖2所示。本次露天邊坡穩(wěn)定性分析固結(jié)回填高度取值分別為:0、10 m(打底)、80 m、140 m。

圖1 上盤邊坡網(wǎng)格劃分

圖2 下盤邊坡網(wǎng)格劃分

1.3 安全系數(shù)

邊坡安全系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo),此次研究的邊坡允許安全系數(shù)以《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016-2014)的規(guī)定為依據(jù),確定新橋礦露天邊坡的允許安全系數(shù)為1.25。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 無滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性分析

無滲流場作用不同固結(jié)回填高度下露天邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果見表2,圖3和圖4展示了部分無滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果。由計算結(jié)果可以看出,Janbu法計算所得到的邊坡安全系數(shù)最小,而Bishop法的計算結(jié)果較大,這是由于Janbu法對坡體的破壞面形狀沒有限定,運算過程更加接近邊坡破壞的工程實際情況。

圖3 上盤邊坡安全系數(shù)(圓弧,Bishop法)

圖4 下盤邊坡安全系數(shù)(非圓弧,Janbu法)

表2 不同固結(jié)回填高度下露天邊坡安全系數(shù)

在不同邊坡穩(wěn)定性計算方法所得的結(jié)果中,上盤邊坡的最小安全系數(shù)為1.351,均大于允許安全系數(shù)限值,說明固化回填過程可以保證上盤邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)回填高度為0和10 m 時,下盤邊坡的最小安全系數(shù)為1.221和1.239,小于允許安全系數(shù)限值。另外,下盤邊坡的安全系數(shù)始終小于上盤邊坡的安全系數(shù),說明露天采坑下盤邊坡的穩(wěn)定性更差。

邊坡安全系數(shù)與回填高度呈正比例關(guān)系,即隨著回填高度的上升,邊坡安全系數(shù)逐漸提高。回填高度為0、10 m、80 m、140 m 時,上盤邊坡對應(yīng)的最小安全系數(shù)分別為1.351,1.390,1.832 和2.124;下盤邊坡對應(yīng)的最小安全系數(shù)分別為1.221,1.239,1.313和1.460。當(dāng)回填高度超過10 m 后,即使不穩(wěn)固的下盤邊坡穩(wěn)定性也滿足要求。

2.2 滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性分析

考慮滲流場作用后,不同固化回填高度下露天邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果見表3,圖5和圖6展示了部分滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果。在不同邊坡穩(wěn)定性計算方法所得的結(jié)果中,考慮滲流場作用,上盤邊坡在未開展回填作業(yè)前(回填高度為0)的最小安全系數(shù)僅為1.216,低于允許安全系數(shù)限值。由于露天采坑上盤外圍實施了防滲帷幕注漿工程,下盤邊坡無地下水水位線影響,僅考慮固化回填后露天采坑積水滲流的影響?；靥罡叨葹?0 m 時,下盤邊坡最小安全系數(shù)為1.221,仍然略小于臨界值。也就是回填高度小于10 m 時,在滲流場作用下,露天邊坡的最小安全系數(shù)均低于允許安全系數(shù)限值,無法保證露天邊坡的穩(wěn)定性。

圖5 滲流場作用下上盤邊坡安全系數(shù)(圓弧,Janbu法)

圖6 滲流場作用下下盤邊坡安全系數(shù)(非圓弧,Janbu法)

表3 滲流場作用下不同固化回填高度下露天邊坡安全系數(shù)

考慮滲流場作用后,露天邊坡安全系數(shù)隨回填高度的增加逐漸提高。當(dāng)回填高度為0,10 m,20 m,80 m 和140 m 時,上盤邊坡的最小安全系數(shù)分別為1.216,1.257,1.289,1.666 和2.050,下盤邊坡的最小安全系數(shù)分別為1.213,1.221,1.262,1.292和1.448。因此,即使考慮滲流作用,當(dāng)回填高度達(dá)到20 m 時,上盤邊坡和下盤邊坡都能滿足穩(wěn)定性要求。在實際回填作業(yè)過程中,通過有效控制堆填濾水量,合理布置排水工程,及時抽排堆填體表面水,可以進(jìn)一步減輕回填體濾水的影響。

2.3 有/無滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性對比分析

對比分析有/無滲流場作用下露天邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):

(1) 滲流場(主要為充填體表面積水)作用對下盤邊坡穩(wěn)定性影響較小,安全系數(shù)僅降低0.01～0.02?；靥罡叨葹?0 m 時,無滲流場條件下,下盤邊坡對應(yīng)的最小安全系數(shù)為1.239;滲流場條件下,下盤邊坡對應(yīng)的最小安全系數(shù)降至1.221,均小于允許安全系數(shù)限值,安全儲備不足。當(dāng)固化回填高度超過20 m 時,露天邊坡的最小安全系數(shù)均超過1.25,可以滿足露天邊坡穩(wěn)定性要求。

(2) 相對于下盤邊坡,滲流場(地下水+充填體表面積水)對上盤邊坡穩(wěn)定性影響較大,安全系數(shù)降低0.06～0.16。未開展固化回填前,無滲流場條件下,上盤邊坡的最小安全系數(shù)為1.351;而滲流場作用下,上盤邊坡的最小安全系數(shù)降至1.216,小于安全允許系數(shù)限值,當(dāng)固化回填高度達(dá)到10 m 后,最小安全系數(shù)提高至1.259,可以滿足露天邊坡穩(wěn)定性要求。

(3) 滲流場作用導(dǎo)致上、下盤邊坡穩(wěn)定性有所降低,但對露天邊坡的弱化作用有限,并不會對露天邊坡整體穩(wěn)定造成根本性影響,當(dāng)固化回填高度超過20 m 后,上、下盤邊坡都能滿足穩(wěn)定性要求。

(4) 露天采坑固化回填總體上有利于提高露天邊坡的穩(wěn)定性,可以減輕甚至消除大型露天坑邊坡長期暴露的地質(zhì)災(zāi)害安全隱患。

露天采坑開展回填作業(yè)前期(固化回填高度達(dá)到20 m 前),為了確保露天邊坡的穩(wěn)固性,建議采用相應(yīng)的加固措施;當(dāng)固化回填高度超過20 m 后,即使考慮滲流場作用,露天邊坡也較不回填時更為穩(wěn)定,可以消除露天采坑未處置時局部邊坡存在的安全隱患。

3 結(jié)論

本文依靠數(shù)值模擬手段,對有/無滲流場作用下露天邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析,為固化回填對露天邊坡穩(wěn)定性的影響做出了科學(xué)評價。

(1) 滲流場作用會導(dǎo)致上、下盤邊坡的穩(wěn)定性有所降低,但對露天邊坡的弱化作用有限,并不會對露天邊坡整體穩(wěn)定造成根本性影響。

(2) 露天采坑固化回填總體上有利于提高露天邊坡的穩(wěn)定性,且隨著回填高度的上升,露天邊坡安全系數(shù)逐漸提高。

(3) 當(dāng)固化回填高度超過20 m 時,上、下盤邊坡都能滿足露天邊坡穩(wěn)定性的要求。