齊大山鐵礦東幫邊坡空間形態(tài)優(yōu)化

摘要：針對(duì)齊大山鐵礦東幫邊坡空間形態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，在分析邊坡工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，將極限平衡法與數(shù)值模擬法相結(jié)合，評(píng)價(jià)原設(shè)計(jì)到界邊坡穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)到界邊坡的形態(tài)參數(shù)，探討追蹤距離對(duì)邊坡三維穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：采用逐水平優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的到界邊坡角為460，每階段的邊坡二維穩(wěn)定性系數(shù)均滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求；邊坡的三維穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離呈負(fù)相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)追蹤距離為50 m時(shí)，齊大山鐵礦東幫到界邊坡角可設(shè)計(jì)為480，整體邊坡角提高了20，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：露天鐵礦；三維效應(yīng)；空間形態(tài)；邊坡穩(wěn)定性；追蹤距離

中圖分類號(hào)：TD854

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-0562（2024）02-0129-06

0 引言

露天礦邊坡穩(wěn)定性一直是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重點(diǎn)研究方向，中國(guó)很多金屬露天礦都出現(xiàn)過(guò)不同程度的滑坡，如本溪南芬露天礦、內(nèi)蒙古烏山露天礦、黑龍江爭(zhēng)光巖露天礦等，嚴(yán)重影響了礦山正常生產(chǎn)。滑坡是一個(gè)長(zhǎng)期且不斷變化的過(guò)程，小規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害逐步擴(kuò)大、累加必然導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生，若不采取有效控制措施，或?qū)⒃斐扇绫浪?、蠕?dòng)變形等一系列安全事故及重大經(jīng)濟(jì)損失。邊坡形態(tài)是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。因此，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的邊坡形態(tài)是實(shí)現(xiàn)露天金屬礦山高陡邊坡安全生產(chǎn)及資源回采最大化的關(guān)鍵，具有重要的實(shí)際意義。

針對(duì)邊坡空間形態(tài)優(yōu)化問(wèn)題，曹蘭柱等以撫順西露天煤礦邊坡為工程背景，采用Morgenstern-Price方法與有限元數(shù)值模擬軟件RFPA相結(jié)合的方法對(duì)高陡邊坡的變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出合理的邊坡變形綜合防治措施。宋子嶺等使用剛體極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法及有限差分強(qiáng)度折減法，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。王東等以塔爾煤田Ⅱ區(qū)塊露天礦北幫到界邊坡為工程背景，提出一種近水平露天煤礦邊坡自下而上的分段優(yōu)化方法，利用邊坡的斷面形態(tài)效應(yīng)與三維效應(yīng)，最大限度回收邊坡壓煤。李廣賀等以霍林河北露天煤礦三采區(qū)為工程背景，結(jié)合極限平衡理論與數(shù)值模擬方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了順傾軟巖到界邊坡空間形態(tài)。

目前關(guān)于邊坡形態(tài)優(yōu)化的研究較多，但關(guān)于露天金屬礦山高陡邊坡形態(tài)設(shè)計(jì)研究較少，不合理的邊坡設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致壓覆資源無(wú)法采出，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，本文以齊大山露天鐵礦東幫邊坡為工程背景，基于數(shù)值模擬和極限平衡理論相結(jié)合的方法，對(duì)東幫到界邊坡進(jìn)行逐水平優(yōu)化，獲得邊坡二維和三維形態(tài)優(yōu)化參數(shù)，為類似的露天金屬礦山高陡邊坡的工程設(shè)計(jì)和實(shí)施提供參考。

1 邊坡工程地質(zhì)條件分析

齊大山采區(qū)目前已經(jīng)進(jìn)入深凹露天開(kāi)采二期擴(kuò)幫境界階段，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)揭露，采場(chǎng)地質(zhì)條件與擴(kuò)幫前相比發(fā)生了一定的變化，暴露出來(lái)的邊坡失穩(wěn)問(wèn)題日益突出。齊大山露天鐵礦東幫研究區(qū)域地層自下而上分別為鐵礦石、花崗類混合巖、第四系地層。其中，鐵礦石主要由假象赤鐵貧礦、磁鐵貧礦和含鐵石英巖組成，花崗類混合巖由花崗巖破碎帶、全風(fēng)化花崗巖及花崗巖構(gòu)成，第四系地層以碎石土和粉質(zhì)黏土為主，地層巖性指標(biāo)見(jiàn)表1。

二采區(qū)東幫邊坡為齊大山鐵礦重要的工作幫邊坡，邊坡頂部為礦區(qū)二期開(kāi)采設(shè)計(jì)皮帶運(yùn)輸位置，目前礦方正在進(jìn)行擴(kuò)幫作業(yè)，為二期皮帶運(yùn)輸建設(shè)做準(zhǔn)備。邊坡底部為礦區(qū)主要礦脈，每天進(jìn)行礦石開(kāi)采施工。該處邊坡整體設(shè)計(jì)形態(tài)為鋸齒狀，總體高度為400 m，設(shè)計(jì)到界邊坡角為500，邊坡設(shè)立多級(jí)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階高度約為30m，設(shè)計(jì)平盤寬度為8～14 m，平臺(tái)實(shí)際施工預(yù)留寬度約為3～5 m，臺(tái)階坡度為60°～65°。

二采區(qū)東幫邊坡受內(nèi)部或外部因素影響時(shí)，易發(fā)生圓弧滑動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)優(yōu)化邊坡形態(tài)時(shí)，斷面形態(tài)差異必然會(huì)影響其穩(wěn)定性。典型工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，剖面選取位置見(jiàn)圖2。

2 東幫邊坡二維穩(wěn)定性分析

2.1 東幫原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014），確定齊大山露天鐵礦東幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.15，鑒于邊坡的潛在滑坡模式為圓弧滑動(dòng)，采用Bishop法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。通過(guò)Geo-studio軟件中自帶的Slope/W模塊對(duì)原設(shè)計(jì)到界邊坡進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到原設(shè)計(jì)線下的到界邊坡角為50°，原設(shè)計(jì)到界邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.052，小于安全儲(chǔ)備系數(shù)。因此，為保證邊坡安全，需要對(duì)原設(shè)計(jì)到界邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 斷面形態(tài)設(shè)計(jì)

針對(duì)露天鐵礦高陡巖質(zhì)邊坡，在滿足運(yùn)輸平盤和安全平盤等實(shí)際需求前提下，由上至下逐水平優(yōu)化各平盤寬度，使邊坡各階段的局部和整體的穩(wěn)定性系數(shù)均達(dá)到安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。斷面形態(tài)優(yōu)化原理為：由上至下依次計(jì)算邊坡各階段臺(tái)階及各階段臺(tái)階至坡頂?shù)姆€(wěn)定性系數(shù)，若邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于安全儲(chǔ)備系數(shù)，則加寬平盤寬度，保證其達(dá)到安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，以-325 m水平高程為例，逐階段設(shè)計(jì)優(yōu)化后單臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為3.296，整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.150。局部?jī)?yōu)化過(guò)程見(jiàn)圖3（a），圖中數(shù)據(jù)為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

所選取典型剖面在-265 m水平時(shí)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.129，低于礦山要求的安全儲(chǔ)備系數(shù)1.150; -265 m水平以上的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)符合規(guī)范要求。因此保留-265 m水平以上的邊坡設(shè)計(jì)形態(tài)，對(duì)該水平以下邊坡進(jìn)行逐水平優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇滑移面的進(jìn)口和出口時(shí)，若滑面的兩端落在進(jìn)出口的邊緣，則需對(duì)邊緣位置的進(jìn)口或出口重新選取，將上一次命令的邊緣位置包含其中，直至滑面的兩端均落在選取滑移面進(jìn)出口的范圍內(nèi)。按照上述步驟，當(dāng)不改變臺(tái)階平盤寬度時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)若小于安全儲(chǔ)備系數(shù)，則需對(duì)臺(tái)階進(jìn)行加寬處理。若穩(wěn)定性系數(shù)大于或等于安全儲(chǔ)備系數(shù)，則不改變臺(tái)階寬度，對(duì)下一級(jí)臺(tái)階重復(fù)上述操作，直至所有臺(tái)階均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。平盤寬度調(diào)整結(jié)果見(jiàn)表2。整體邊坡二維形態(tài)優(yōu)化后的邊坡角為46°。整體二維邊坡優(yōu)化形態(tài)見(jiàn)圖3 （b）。

3 東幫邊坡三維穩(wěn)定性分析

3.1 橫采內(nèi)排壓幫參數(shù)確定

采用橫采內(nèi)排壓幫技術(shù)可充分利用內(nèi)排土場(chǎng)與采場(chǎng)工作幫對(duì)東幫邊坡的三維支擋效應(yīng)，所選典型剖面排土場(chǎng)壓幫水平為-400 m，壓幫寬度為105 m，壓幫高度為24 m，排土場(chǎng)臺(tái)階邊坡角為330。內(nèi)排壓幫參數(shù)見(jiàn)圖4。

3.2 三維數(shù)值模擬模型建立

采用AutoCAD與Rhino相結(jié)合的方法建立三維數(shù)值模擬模型，應(yīng)用Rhino的網(wǎng)格劃分工具將邊坡體劃分為若干個(gè)精細(xì)的六面體網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖5 （a），模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為92 975個(gè)，單元網(wǎng)格總數(shù)為503 466個(gè)。為盡可能凸顯邊坡穩(wěn)定性的三維效應(yīng)，以東幫斷面形態(tài)設(shè)計(jì)邊坡（考慮深部壓幫三維效應(yīng)）為數(shù)值模擬對(duì)象，建立5種工況模型，依據(jù)邊坡斷面形態(tài)參數(shù)設(shè)剖面模型寬為1000 m，高為625 m，追蹤距離L分別為50m、100 m、200 m、300 m、400 m，以追蹤距離L為參照設(shè)剖面模型的長(zhǎng)為1200 m，三維數(shù)值模擬模型幾何要素示意見(jiàn)圖5 （b）。

由于邊界效應(yīng)對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響不可忽略，模型的尺寸應(yīng)符合Goodman建議要求。模型的縱采坡面、橫采工作幫坡面與內(nèi)排土場(chǎng)坡面均為自由面，模型底部與四周界面通過(guò)編輯后的Fish語(yǔ)言設(shè)置x、y、z方向的位移約束。

3.3 三維模擬結(jié)果與分析

當(dāng)深部實(shí)現(xiàn)內(nèi)排時(shí)，深部剖面形態(tài)與追蹤距離均對(duì)東幫邊坡的三維穩(wěn)定性起到控制作用?；跈M采內(nèi)排壓幫后整體邊坡形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用摩爾．庫(kù)倫本構(gòu)模型，對(duì)不同巖體設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)，按照不平衡力收斂準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，查看其計(jì)算收斂情況。本文采用FLAC3D對(duì)邊坡橫采內(nèi)排壓幫后5種追蹤距離下的邊坡形態(tài)進(jìn)行分析，以期獲得最佳的邊坡空間形態(tài)參數(shù)。圖6為邊坡在不同追蹤距離下的三維及二維位移云圖。由圖6可以看出，該剖面追蹤距離由50 m逐步增至400 m時(shí)，最大位移由6.68 m增加到25.30 m，根據(jù)滑面形態(tài)可以看出整體滑動(dòng)符合圓弧滑動(dòng)趨勢(shì)。

穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離關(guān)系見(jiàn)圖7，邊坡形態(tài)優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)圖8。

由圖7可知，追蹤距離小于50 m時(shí)，三維支擋效應(yīng)顯著，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，東幫邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著追蹤距離的增大，三維支擋效應(yīng)減弱，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)值減小，當(dāng)追蹤距離大于100 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不能達(dá)到安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。因此東幫在采用橫采內(nèi)排壓幫技術(shù)時(shí)的追蹤距離應(yīng)控制在50 m以內(nèi)。穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離關(guān)系曲線呈“先陡后緩”趨勢(shì)，穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離近似呈負(fù)相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

由圖8可知，在考慮三維效應(yīng)時(shí)邊坡角為48°，三維空間形態(tài)設(shè)計(jì)比斷面形態(tài)設(shè)計(jì)的整體邊坡角提高了20，在斷面形態(tài)下沿走向每單位長(zhǎng)度可多采鐵礦1 501.628 5 m3。對(duì)邊坡形態(tài)的優(yōu)化，不僅能增加資源的開(kāi)采量，還可以提高邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）以齊大山露天鐵礦東幫邊坡二采區(qū)為背景，對(duì)原設(shè)計(jì)到界邊坡進(jìn)行了逐水平優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足礦山安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。

（2）當(dāng)追蹤距離在50m內(nèi)，深部斷面形態(tài)按照-400 m水平位置壓幫，壓幫高度為24 m，壓幫寬度為105 m，排土場(chǎng)臺(tái)階邊坡角為33°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與追蹤距離呈負(fù)相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

（3）在斷面形態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上優(yōu)化了邊坡形態(tài)，可在滿足安全的要求下最大程度壓幫并獲取礦石。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52074143）