露天礦高陡邊坡巖體參數(shù)獲取與穩(wěn)定性評價(jià)方法研究

張志輝, 康景宇, 龐鑫, 周春梅, 夏祿清, 杜文杰, 付曉東,*

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 武漢 430074; 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071; 3.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司, 攀枝花 617000)

礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)保障。露天開采是獲取礦產(chǎn)資源的主要形式[1-3]。目前,中國大中型露天礦山數(shù)量眾多且規(guī)模龐大,其邊坡的最終設(shè)計(jì)高度通常在400 m以上。隨著礦區(qū)的不斷開采,邊坡坡腳高程逐漸降低,使得露天礦區(qū)逐漸形成高陡邊坡[4]。高陡邊坡的形成使得巖體參數(shù)較難獲取,且導(dǎo)致礦區(qū)的穩(wěn)定性逐漸降低,而邊坡的穩(wěn)定性關(guān)乎礦區(qū)生產(chǎn)的安全,因此高陡邊坡巖體參數(shù)的確定和穩(wěn)定性的評價(jià)顯得尤為重要。

獲得巖體的力學(xué)參數(shù)對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析有著重要的意義,如何可靠的獲取巖體的力學(xué)參數(shù),一直是巖體力學(xué)界研究的重要課題[5-6]。由于巖體參數(shù)由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的巖石參數(shù)與結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度共同決定,因此許多學(xué)者采用野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來確定巖體的參數(shù)。譚維佳等[7]根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用巖石力學(xué)分類(rock mass classification,RMR),獲取了用于邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析的摩爾庫倫模型基本參數(shù)。何怡等[8]根據(jù)巖體野外現(xiàn)場調(diào)查資料和室內(nèi)巖石試驗(yàn),結(jié)合Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,使用所探討的巖體體積節(jié)理數(shù)確定方法獲取了數(shù)值計(jì)算所用的巖體力學(xué)參數(shù)。由于高陡邊坡的結(jié)構(gòu)面人工統(tǒng)計(jì)難,因此對高陡邊坡進(jìn)行實(shí)地勘察并不現(xiàn)實(shí)。針對以上缺點(diǎn),采用非接觸方式無人機(jī)攝影測量技術(shù)來統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度,結(jié)合室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)評價(jià),最終得到巖體力學(xué)參數(shù)。

露天礦邊坡穩(wěn)定性評價(jià)是礦區(qū)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,中外學(xué)者對此方面開展了廣泛的研究。林江宇等[9]、杜忠原等[10]對降雨條件下的高邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評價(jià)。黃潤秋[11]在西南地區(qū)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,通過建立巖石高邊坡在卸荷條件下的變形破壞演化動(dòng)力過程的三階段模式,提出了不同演化階段巖石邊坡變形破壞的發(fā)育特征及穩(wěn)定性意義。賀可強(qiáng)等[12]對不同穩(wěn)定性演化階段下的堆積層邊坡的變形性質(zhì)、位移矢量角的形成作用機(jī)制進(jìn)行深入研究,總結(jié)了在不同演化階段下的位移矢量角的變化規(guī)律。曹平等[13]使用突變理論對土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,論述了穩(wěn)定型邊坡等3種典型邊坡的演化路徑,同時(shí)得出邊坡的孕育是一個(gè)復(fù)雜的非線性演化過程。黃志全[14]運(yùn)用非線性理論的相關(guān)理論和方法,建立了邊坡演化的分岔模型,通過數(shù)值模擬、線性穩(wěn)定性分析對邊坡穩(wěn)定性演化趨勢進(jìn)行了理論研究。以上學(xué)者對邊坡的穩(wěn)定性評價(jià)主要是針對現(xiàn)狀邊坡,由于露天礦邊坡在不斷的向下開采,其穩(wěn)定性隨著礦區(qū)開采不斷發(fā)生變化,如何對該過程的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)目前研究不足。

鑒于此,在得到的巖體參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過有限單元法分析了不同開采步的塑性區(qū)和位移變化情況,從而揭示了邊坡在整個(gè)深部開采過程中的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。通過極限平衡法計(jì)算得到邊坡不同開采步安全系數(shù)的變化規(guī)律,并給出相應(yīng)的加固措施,最后采用塑性區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)方法對邊坡加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。研究成果可為露天礦高陡邊坡巖體參數(shù)取值和穩(wěn)定性評價(jià)提供參考。

1 工程背景與分析模型

攀枝花某露天鐵礦占地總面積大,礦區(qū)內(nèi)巖性、斷層、節(jié)理分布各異,地質(zhì)條件十分復(fù)雜,且在長期開挖作用下形成了多個(gè)高陡邊坡,坡角為46°～52°,最大高度超過500 m,對邊坡的長期穩(wěn)定性和礦區(qū)的安全生產(chǎn)造成了潛在的威脅。

為評估礦區(qū)高陡邊坡的穩(wěn)定性,選取礦區(qū)SS4剖面進(jìn)行開挖穩(wěn)定性演化特征分析,如圖1(b)所示。該剖面主要由鐵礦石、細(xì)粒輝長巖、斷層構(gòu)成,巖體破碎存在多條順坡向的小型斷層和與邊坡近于直交的礦區(qū)性斷層,易組合形成不穩(wěn)定楔形體。順坡向斷層與隱伏節(jié)理面組合形成危巖體,在開挖卸荷作用下發(fā)生松弛和應(yīng)力改變,易產(chǎn)生滑坡破壞,如圖1(c)所示。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

典型露天礦高陡邊坡的地質(zhì)剖面如圖2所示,根據(jù)礦山的實(shí)際生產(chǎn)需求,對1 175 m高程至1 000 m高程處的巖體從上至下進(jìn)行開挖,每15 m一個(gè)臺(tái)階。通過Geostudio軟件建立礦區(qū)開采數(shù)值模型(圖3)。SS4剖面分12層進(jìn)行開挖,從上至下依次開采至+1 150、+1 135、+1 120、+1 105、+1 090、+1 075、+1 060、+1 045、+1 033、+1 030、+1 015、+1 000 m,對每個(gè)階段開采步驟進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 SS4地質(zhì)剖面Fig.2 SS4 Geological profile

step1～step12代表鐵礦區(qū)待開挖的區(qū)域,根據(jù)開挖先 后順序從step1依次排序到step12

2 基于非接觸測量和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的巖體參數(shù)取值

非接觸無人機(jī)攝影測量技術(shù)利用無人機(jī)搭載傳感器采集高分辨率影像和地表數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)精確的地表測量和制圖,它具有高精度、成本效益、安全性等優(yōu)勢,可生成數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型,快速數(shù)據(jù)處理,適用于多種應(yīng)用。巖體參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)得到的巖石參數(shù)與結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度共同決定,對于巖石參數(shù)可采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取,而由于高陡邊坡的結(jié)構(gòu)面人工統(tǒng)計(jì)難,所以采用無人機(jī)攝影測量技術(shù),獲取研究區(qū)域的三維模型,并利用Shape MetriX軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面的分布情況。根據(jù)這兩部分得到的數(shù)據(jù),采用《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí),并給出邊坡巖體強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)建議值。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

針對研究區(qū)分布的兩類典型巖石—鐵礦石和細(xì)粒輝長巖,采用RMT-401巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(圖4)進(jìn)行巖石單軸試驗(yàn),該系統(tǒng)可以實(shí)施全過程控制和記錄各測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行資料整理,試樣尺寸采用Ф50 mm×100 mm的圓柱體。

圖4 RMT-401巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 RMT-401 rock mechanics test system

本次實(shí)驗(yàn)針對鐵礦石和細(xì)粒輝長巖共開展6個(gè)試樣,各巖石樣做一組試驗(yàn),每組包含3個(gè)試樣。試驗(yàn)前對各試樣的物理參數(shù)進(jìn)行測量,如表1所示。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)試樣規(guī)格

鐵礦石和細(xì)粒輝長巖單軸壓縮的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明,鐵礦石的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為179.496 MPa,彈性模量平均值為94.047 GPa,泊松比為0.266;細(xì)粒輝長巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值為99.964 MPa,彈性模量平均值為62.946 GPa,泊松比為0.21。

表2 試件單軸壓縮試驗(yàn)

2.2 節(jié)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)節(jié)理的分布情況,首先在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)3個(gè)像控點(diǎn)以確定模型的空間坐標(biāo),接著利用大疆精靈4RTK無人機(jī)對研究區(qū)域進(jìn)行仿地飛行,獲取高分辨率圖片91張,將其導(dǎo)入Shape MetriX軟件進(jìn)行三維重構(gòu),并導(dǎo)入3個(gè)已知像控點(diǎn)坐標(biāo),獲得該坡面處的三維模型,如圖5所示,長為19.2 m,寬為6.15 m,高為4.35 m,由78 756個(gè)點(diǎn)云組成。

圖5 三維重構(gòu)模型Fig.5 3D reconstruction model

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì),累計(jì)得完整結(jié)構(gòu)面94個(gè)。將統(tǒng)計(jì)所得的94個(gè)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行K均值聚類分析,如圖6所示,結(jié)果表明,該區(qū)域優(yōu)勢節(jié)理組可分為3組,J1包含30個(gè)結(jié)構(gòu)面,傾向?yàn)?12.9°,傾角為29.73°;J2包含32個(gè)結(jié)構(gòu)面,傾向?yàn)?34.71°,傾角為57.89°;J3包含32個(gè)結(jié)構(gòu)面傾向?yàn)?84.44°,傾角為62.05°。3組節(jié)理組的跡線統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示,結(jié)果表明:3組優(yōu)勢節(jié)理組的平均間距分別為0.87、1.12、2.5 m。

圖6 結(jié)構(gòu)面聚類分析Fig.6 Structural plane clustering analysis

圖7 節(jié)理跡線分布Fig.7 Joint trace distribution

2.3 巖體質(zhì)量分級(jí)

基于上述室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)及節(jié)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果,采用《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)對該區(qū)域巖體質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。采用飽和巖石單軸抗壓強(qiáng)度反映巖石堅(jiān)硬程度,采用巖體體積節(jié)理數(shù)和結(jié)構(gòu)面平均間距反應(yīng)巖體的完整程度,如表3所示。

表3 Kv定性估計(jì)方法

由于巖體中具有多組優(yōu)勢節(jié)理組,因此提出一種計(jì)算多組優(yōu)勢節(jié)理組平均間距的方法,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:dev為巖體節(jié)理的平均間距;di為第i組節(jié)理的平均間距,i=1,2,…,n;n為優(yōu)勢節(jié)理組數(shù)。

根據(jù)式(1)可計(jì)算出各處巖體節(jié)理的平均間距,所選區(qū)域的節(jié)理平均間距為0.41 m,根據(jù)表3可估計(jì)所選區(qū)域巖體的Kv為0.35。根據(jù)巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度及巖體完整程度進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí),結(jié)果如表4所示。

表4 所選區(qū)域巖體質(zhì)量分級(jí)

綜上所述,巖體主要為III,屬于較好～較差的巖石。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)的建議值,并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,巖體的物理力學(xué)參數(shù)建議值如表5所示。

表5 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 高陡邊坡開挖動(dòng)態(tài)演化分析

3.1 位移特征分析

SS4剖面step1、step6步和step12開挖的位移矢量圖如圖8所示?？梢钥闯?礦區(qū)開采區(qū)朝臨空面方向的變形較大,造成這種現(xiàn)象的原因是由于卸荷回彈效應(yīng)。剖面上部斷層較多且較為集中,其中最長斷層與邊坡大致平行,從圖8(a)可以看出,邊坡初始變形中心受斷層位置及方向影響,變形趨勢與斷層方向大致一致,符合邊坡破壞實(shí)際規(guī)律。剖面下部存在一礦巖界面,變形受礦巖界面弱面的影響,與界面走向大致一致, 最大變形出現(xiàn)在其附近。隨著礦區(qū)的不斷開采,靠近開采區(qū)域的位移逐漸增大,最大增量位移隨著礦區(qū)不斷的開采逐漸向下移動(dòng)。

圖8 位移與矢量云圖Fig.8 Displacement and vector cloud map

不同開挖步導(dǎo)致的位移增量如圖9所示,結(jié)果表明,SS4剖面礦區(qū)開采最大增量位移來自step8,為33.2 mm。最大增量位移呈先急后緩的趨勢,直至開采至step8時(shí)達(dá)到最大。

圖9 不同開采步的最大增量位移Fig.9 Maximum incremental displacement of different mining steps

3.2 邊坡塑性區(qū)分析

SS4剖面塑性區(qū)分布如圖10所示?？梢钥闯?SS4剖面的塑性區(qū)主要集中在斷層及下部坡腳附近,主要以剪切破壞和拉-剪混合破壞為主,塑性區(qū)最先分布在靠坡面中部區(qū)域,隨著礦區(qū)不斷開采逐漸向下擴(kuò)展貫通一直持續(xù)到開采結(jié)束。邊坡出現(xiàn)塑性區(qū)不能說明發(fā)生滑坡,但能反應(yīng)邊坡的破壞趨勢,從塑性區(qū)分布來看,隨著礦區(qū)的開采,塑性區(qū)進(jìn)一步貫穿導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大,由于邊坡上存在多條與邊坡平行的順向大斷層,邊坡在上部大斷層附近出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的可能性較大,出于安全的考慮應(yīng)對邊坡進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸獭?/p>

圖10 塑性區(qū)云圖Fig.10 Plastic zone cloud map

4 基于塑性區(qū)大小的穩(wěn)定性評價(jià)

4.1 各開挖步的安全系數(shù)

隨著礦區(qū)的開采,邊坡的最危險(xiǎn)滑移面在不斷發(fā)生變化,通過極限平衡法計(jì)算得到SS4剖面的安全系數(shù)隨礦區(qū)開采步變化情況如圖11所示?？梢钥闯?邊坡的安全系數(shù)隨著礦區(qū)的開采逐漸減小。對于邊坡的安全系數(shù)變化曲線,斜率呈先陡后緩的趨勢,說明礦區(qū)開采的前幾步對邊坡穩(wěn)定性影響更大。

圖11 安全系數(shù)隨開采步變化曲線Fig.11 Curve of safety factor changing with mining steps

由圖11可以看出,SS4剖面的最小安全系數(shù)為1.051。通過極限平衡法得到剖面的最危險(xiǎn)滑移面如圖12所示,邊坡的最危險(xiǎn)滑移面前緣剪出口位于1 033 m高程處,一直延伸至1 285 m高程處。由圖12可以看出,剖面最為危險(xiǎn)滑移面從F03斷層剪入,經(jīng)過細(xì)?；议L巖,最后從塑性區(qū)剪出。由此可以看出,這幾個(gè)斷層中F03斷層對邊坡穩(wěn)定性威脅最大。

圖12 最危險(xiǎn)滑移面Fig.12 The most dangerous sliding surface

4.2 邊坡加固

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果,由于F03斷層對邊坡穩(wěn)定性影響很大,對SS4剖面1 165～1 245 m段進(jìn)行錨索加固(圖13),錨索平均間距5 m,錨固段長度取8 m,錨索總截面積A=824.25 mm2,設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 088 kN,抗拔力為706 kN,抗拔安全系數(shù)1.43,抗拉安全系數(shù)2.00。加固之后SS4剖面安全系數(shù)從加固之前的1.05提高到1.25。

圖13 加固示意圖Fig.13 Reinforcement diagram

4.3 加固前后的穩(wěn)定性評價(jià)

由于加固前后塑性區(qū)分布情況和變化特征比較明顯,所以采用文獻(xiàn)[15]提出穩(wěn)定性評價(jià)系數(shù)α通過塑性區(qū)來評判邊坡的穩(wěn)定性(圖14),通過該方法可反映出塑性區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(2)

式(2)中:Vpl為塑性區(qū)體積;Vtotal為為滑動(dòng)區(qū)體積。

由式(2)可以看出,當(dāng)α系數(shù)越小滑動(dòng)區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)占比越小,邊坡更穩(wěn)定;α系數(shù)越大滑動(dòng)區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)占比越大,邊坡越容易失穩(wěn)。

礦區(qū)開采完成后,邊坡加固前后的塑性區(qū)如圖15所示?？梢钥闯?相較于加固之前,錨索加固后邊坡坡面和坡腳處的塑性區(qū)范圍明顯變小。對所有被判斷為塑性區(qū)的網(wǎng)格單元的面積進(jìn)行累加,得到整個(gè)塑性區(qū)的面積,同理得到滑動(dòng)區(qū)域的面積。通過上述公式計(jì)算得到加固之前α為0.4,加固之后α為0.05,α明顯降低。通過算得的α可以看出加固后較加固之前邊坡穩(wěn)定性有明顯的提升,此次加固達(dá)到了預(yù)期的效果。

紅色圓圈為加固前后邊坡塑性區(qū)變化較明顯的區(qū)域

5 結(jié)論

采用非接觸無人機(jī)攝影測量技術(shù)記錄結(jié)構(gòu)面的節(jié)理,結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí),并給出邊坡巖體強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)建議值。該技術(shù)在高陡邊坡測量中的應(yīng)用,采用無人機(jī)進(jìn)行空中攝影測量,相比傳統(tǒng)的地面測量方法,具有覆蓋面廣、快速高效的優(yōu)勢,同時(shí)能夠獲取到較為真實(shí)、全面的三維地貌數(shù)據(jù),提供了更多的數(shù)據(jù)支持和準(zhǔn)確性。

采用有限單元法,揭示了攀枝花露天礦深部開采過程的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,并對邊坡不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià),得出以下結(jié)論。

(1)礦區(qū)開采區(qū)朝臨空面方向的變形較大,造成這種現(xiàn)象的原因是由于卸荷回彈效應(yīng)。邊坡初始變形中心受斷層位置及方向影響,變形趨勢與斷層方向大致一致,符合邊坡破壞實(shí)際規(guī)律。剖面下部存在一礦巖界面,變形受礦巖界面弱面的影響,與界面走向大致一致,最大變形出現(xiàn)在其附近。

(2)塑性區(qū)主要集中在斷層及下部坡腳附近,主要以剪切破壞和拉-剪混合破壞為主。隨著礦區(qū)的開采,塑性區(qū)進(jìn)一步貫穿導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)加大,由于邊坡上存在多條與邊坡平行的順向大斷層,邊坡在上部大斷層附近出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的可能性較大。

(3)邊坡的穩(wěn)定性隨著礦區(qū)的開采不斷降低,對于SS4剖面的安全系數(shù)變化曲線,斜率呈現(xiàn)出先陡后緩的趨勢,說明開采的前幾步對邊坡穩(wěn)定性的影響更大,礦區(qū)開采后邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)對邊坡進(jìn)行錨索加固后,其塑性區(qū)范圍明顯變小。采用塑性區(qū)評價(jià)穩(wěn)定性方法,穩(wěn)定性評價(jià)系數(shù)α由0.4減小到0.05,邊坡由欠穩(wěn)定轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài),加固達(dá)到了預(yù)期的效果。