大西溝鐵礦邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

摘要：基于現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗數(shù)據(jù)，對大西溝鐵礦邊坡巖體質(zhì)量進行評價，確定了巖體的物理力學(xué)參數(shù)。采用數(shù)值模擬方法，對露天礦不同開采階段的邊坡應(yīng)力、位移、滑移帶及安全系數(shù)進行了分析，研究結(jié)果表明：邊坡安全系數(shù)隨臺階高度下降不斷降低；自然條件下，邊坡開挖不同階段安全系數(shù)均在1.8以上，邊坡穩(wěn)定性較好。降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，飽和狀態(tài)下終了邊坡的安全系數(shù)降至1.36，但高于GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的安全系數(shù)（1.25～1.20），說明礦山采場邊坡設(shè)計參數(shù)合理。研究結(jié)果可為礦山后續(xù)安全設(shè)施設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：露天礦邊坡；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；安全系數(shù)；巖體質(zhì)量評價；應(yīng)力

中圖分類號：TD854.6文章編號：1001-1277（2024）10-0109-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241018

引言

隨著露天開采深度的不斷延伸，礦山邊坡高度逐漸增加，形成高陡邊坡［1-2］。高陡邊坡的穩(wěn)定性不僅取決于邊坡高度與邊坡角度，也受邊坡巖體強度、巖體內(nèi)部節(jié)理特征及降雨、爆破振動、地下水等內(nèi)外因素的影響，從而存在崩塌、傾倒及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能性，嚴重威脅礦山安全生產(chǎn)［3-7］。因DYMzaiYFJ+anoDtDlw//zfPFQNd8YEPZ6G51cmIHBc4=此，開展露天礦邊坡穩(wěn)定性分析，無論是在設(shè)計階段還是生產(chǎn)階段都是十分重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，在設(shè)計階段，需結(jié)合開采條件，對邊坡進行穩(wěn)定性分析并確定最終邊坡角；在生產(chǎn)階段，露天礦山每5年至少進行一次邊坡穩(wěn)定性分析。

目前，邊坡穩(wěn)定性研究方法很多，主要分為定性分析法、定量分析法與數(shù)值分析法。其中，定性分析法主要包括工程類比法、圖解法［8-11］；定量分析法中運用最廣泛的是極限平衡法，如瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu簡化法和Spencer法等［12-15］；數(shù)值分析法包括有限元法、離散元法、邊界元法等［16-18］。此外，隨著各種新型理論的引入及對邊坡認識的深入，不確定性分析法也運用到了邊坡穩(wěn)定性研究中，其中，有代表性的研究方法包括可靠性評價法、模糊理論評價法、灰色系統(tǒng)理論評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、突變理論評價法及分形理論評價法等［19-20］。

由于邊坡工程情況不同，使得目前尚無統(tǒng)一的方法對邊坡進行穩(wěn)定性分析、評價。根據(jù)大西溝鐵礦已有的邊坡失穩(wěn)模式與現(xiàn)場調(diào)研，礦區(qū)范圍內(nèi)的邊坡失穩(wěn)模式以巖體內(nèi)部的圓弧滑動為主［21］。因此，本次邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法，利用Flac3D軟件有限差分程序計算邊坡的安全系數(shù)，對終了邊坡的穩(wěn)定性進行評價。

1工程概況

大西溝鐵礦位于陜西省柞水縣小嶺鎮(zhèn)，于1988年4月正式投產(chǎn)，前期為地下開采，年產(chǎn)能5萬t，主要開采礦種為磁鐵礦。2006年后改為露天開采，開采礦種為磁鐵礦、菱鐵礦，生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。露天開采采用從上至下的臺階式開采方法，設(shè)計臺階高度12 m，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度8 m。采用公路開拓，自卸式汽車運輸。目前，礦山開采的最低標高為1 320 m，終了境界最高標高1 545 m，臺階高度12 m，主要開采平臺為1 440 m、1 428 m水平。礦山開采現(xiàn)狀如圖1所示。

根據(jù)初步設(shè)計，礦山開采完畢后的終了邊坡如圖2所示。設(shè)計終了邊坡最低標高1 320 m，最高標高1 545 m，共由22個臺階組成，臺階高度12 m，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度8 m，最終邊坡角37°。本文采用數(shù)值分析法，對終了邊坡上A—A、B—B等2個剖面的穩(wěn)定性進行研究。

2邊坡巖體質(zhì)量評價與參數(shù)確定

2.1現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查

本次巖體工程地質(zhì)調(diào)查范圍主要是礦區(qū)邊坡的出露巖體，采用測線法。共調(diào)查了5個區(qū)域，完成測線長度153 m，測量節(jié)理232條。部分調(diào)查區(qū)域的節(jié)理裂隙情況如圖3所示。由圖3可知，礦區(qū)邊坡巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部穩(wěn)定性較差。

礦區(qū)節(jié)理裂隙調(diào)查結(jié)果如表1所示，全礦區(qū)節(jié)理間距為0.25 m，節(jié)理裂隙發(fā)育程度為發(fā)育且結(jié)構(gòu)面之間幾乎無充填或泥質(zhì)充填，結(jié)合性差，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，其完整性程度為破碎，即D類巖體。

2.2巖石物理力學(xué)試驗

試驗采用西安建筑科技大學(xué)巖石力學(xué)實驗室的Sam-2000三軸伺服剛性試驗機，巖樣為高100 mm，直徑50 mm的圓柱，如圖4所示。壓縮試驗采用位移控制加載模式，以0.002 mm/s的速度施加軸向載荷，直至巖樣破壞。試驗結(jié)果如表2所示。

2.3巖體質(zhì)量評價

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗結(jié)果，綜合采用RQD分級法、RMR分級法、BQ法對巖體質(zhì)量進行了評價，結(jié)果如表3所示。

2.4巖體力學(xué)參數(shù)確定

采用經(jīng)驗折減法、巖體分級法、Hoek-Brown強度準則法等綜合確定巖體的物理力學(xué)指標［22］，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，各種方法計算結(jié)果均具有一定的差異性。在對以上參數(shù)進行綜合處理的基礎(chǔ)上，確定巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值如表5所示。

3邊坡穩(wěn)定性計算

3.1數(shù)值模型建立

選取境界終了邊坡中的A—A、B—B作為計算剖面，將計算剖面的CAD模型導(dǎo)入Flac3D軟件中，利用Extrusion功能進行單元網(wǎng)格劃分與邊坡準三維模型構(gòu)建，結(jié)果如圖5所示。A—A剖面模型長度1 035 m，高度最大約534 m，劃分網(wǎng)格最大10 m×10 m，靠近邊坡或邊坡可能滑移處，網(wǎng)格大小降低至4 m×4 m，模型厚度為一個單元厚度（10 m）。B—B剖面模型長度1 065 m，高度最大約541 m，網(wǎng)格劃分方法與A—A剖面相同。為了模擬臺階開采過程，建模時，將不同臺階分離出來單獨進行網(wǎng)格劃分，并標志為不同的單

3.2計算工況

本次計算考慮2種荷載工況。工況Ⅰ：自重；工況Ⅱ：自重+暴雨。根據(jù)設(shè)計終了境界，分別對邊坡現(xiàn)狀及不同開采時期的邊坡穩(wěn)定性進行分析，揭示邊坡安全系數(shù)隨開挖過程的變化規(guī)律，具體工況如表6所示。

3.3模型參數(shù)與邊界條件

數(shù)值模擬采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表5所示。模型計算選取邊坡臨空面方向為x方向，豎直向上為z方向，厚度方向為y方向。模型的左邊界、右邊界、前后邊界均限制垂直于邊界面方向的節(jié)點位移，底部邊界限制x、y、z 3個方向的節(jié)點位移，地表為自由邊界，未受任何約束。介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)采用理想的彈塑性模型描述，以保持整個系統(tǒng)受力體系的平衡，計算過程僅考慮由巖體自重產(chǎn)生的應(yīng)力場。開挖時2個臺階同時開挖，未考慮支護，每次開挖后，利用Flac3D軟件自帶的強度折減法計算邊坡的安全系數(shù)。

3.4計算結(jié)果分析

受篇幅所限，本文僅分析A—A剖面的計算結(jié)果。

1）邊坡應(yīng)力分析。不同工況、不同開挖階段下剖面最大主應(yīng)力分布如圖6、圖7所示，具體的開挖步驟如表6所示。由圖6、圖7可知：不同工況與開挖階段下，巖體的最大主應(yīng)力均隨埋深的增加而增大，在邊坡淺層部位甚至?xí)a(chǎn)生較小的拉應(yīng)力，這可能是受到邊界條件約束產(chǎn)生的。邊坡巖體無論在天然狀態(tài)還是飽和狀態(tài)下，都沒有產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，表明邊坡穩(wěn)定性較好。飽和狀態(tài)下邊坡巖體的最大主應(yīng)力比天然狀態(tài)下的最大主應(yīng)力大，表明暴雨條件下，邊坡內(nèi)部出現(xiàn)破壞的可能性高。

2）邊坡變形特征。不同工況、不同開挖階段下剖面x方向位移分布如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知：邊坡巖體位移均隨邊坡高度的升高而降低，坡底處位移量最大。隨著邊坡開挖的進行，邊坡任何一處的位移量不斷增大，特別在坡底處，累積位移不斷增大，可能產(chǎn)生大變形導(dǎo)致巖體破壞。2個剖面模擬結(jié)果均顯示，飽和狀態(tài)下邊坡的整體位移量較天然狀態(tài)下大，表明降雨對邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響。

3）邊坡滑移面分析及邊坡安全系數(shù)。不同工況、不同開挖階段下剖面強度折減法計算結(jié)果如圖10、圖11所示（彩色云圖為單元應(yīng)變增量大小，F(xiàn)OS為邊坡安全系數(shù)）。由圖10、圖11可知：礦區(qū)邊坡的整體失穩(wěn)方式以圓弧滑動為主。隨著開挖深度的增加，滑動巖體的體積逐漸增大，邊坡安全系數(shù)不斷降低。對A—A剖面而言，在天然狀態(tài)下，未開挖時的危險區(qū)域并非開挖邊坡，而是南部邊坡。隨著臺階開挖的不斷進行，滑移面逐漸向開采邊坡轉(zhuǎn)變，其應(yīng)變增量由坡頂至坡底不斷增大，在坡底處巖體可能發(fā)生較大的塑性變形或者破壞。飽和狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)較天然狀態(tài)要小，布局開挖狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)降幅可達28.8 %。

不同工況、不同開挖階段下2個剖面的邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果如表7所示。由表7可知：2個剖面的邊坡安全系數(shù)相差不大。天然狀態(tài)下，A—A剖面邊坡安全系數(shù)為19.6，B—B剖面為1.87；飽和狀態(tài)下，A—A剖面邊坡安全系數(shù)為1.43，B—B剖面為1.36，均高于GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的安全系數(shù)，表明終了邊坡的穩(wěn)定性較好，采場邊坡設(shè)計參數(shù)合理，可為礦山后續(xù)安全設(shè)施設(shè)計提供參考依據(jù)。

4結(jié)論

本文在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，借助Flac3D軟件數(shù)值模擬對大西溝鐵礦終了邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，得出以下結(jié)論：

1）大西溝邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以較小—中等傾角結(jié)構(gòu)面為主，節(jié)理間距0.25 m，結(jié)構(gòu)面之間幾乎無充填，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，其完整性程度為破碎，巖體分類為D類巖體。

2）在露天礦開采期間，邊坡安全系數(shù)隨臺階高度下降不斷降低。對A—A剖面的分析結(jié)果表明：開采至終了邊坡時，天然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)為1.96，飽和狀態(tài)下為1.43。最大邊坡位移出現(xiàn)在坡底處。

3）天然狀態(tài)下，邊坡開挖不同階段安全系數(shù)均在1.8以上，邊坡穩(wěn)定性較好。飽和狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)下降，終了邊坡的安全系數(shù)降至1.36，但高于GB 51016—2014 《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的安全系數(shù)（1.25～1.20），表明終了邊坡的穩(wěn)定性較好。

4）由邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，礦山采場邊坡設(shè)計參數(shù)合理，可為礦山后續(xù)安全設(shè)施設(shè)計提供參考依據(jù)。

5）由于影響邊坡穩(wěn)定因素較多，邊坡的數(shù)值模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)中的邊坡穩(wěn)定性可能存在較大差異，且模擬并未考慮爆破振動與滲流作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。因此，建議露天采場在生產(chǎn)過程中加強爆破振動與邊坡位移監(jiān)測，在雨季要密切注意邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生。此外，本文主要針對邊坡整體穩(wěn)定性進行評價，在局部巖體破碎區(qū)域可能會出現(xiàn)崩塌與滑落現(xiàn)象，也需加強防護與治理。

［參 考 文 獻］

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Numerical simulation study on the slope stability at Daxigou Iron Mine

Li Youcang1，Hu Cong2，Wang Yaqiang1，Zhao Yanfeng1，Yin Long2，Wang Chao3，Guo Jinping3

（1.Shaanxi Daxigou Mining Co.，Ltd.;

2.NWME Group Ltd.; 3.School of Resources Engineering，Xi，an University of Architecture and Technology）

Abstract：Based on field geological surveys and laboratory rock physical and mechanical test data，th74d9e6407a9c3516985971f2c5201dafd891e2051ff0d5de08a3c2b63798a37ce r1de3f59219e070a880974910ce0e983351719bb58e585010e245131268eb2b19ock mass quality of the slope at Daxigou Iron Mine was evaluated，and the physical and mechanical parameters of the rock mass were determined.Using numerical simulation methods，stress，displacement，slip zones，and safety factors for the slope during different stages of open-pit mining were analyzed.The research results indicate that the safety factor of the slope decreases as the bench height increases.Under natural conditions，the safety factor in different excavation stages remains above 1.8，indicating good slope stability.Rainfall significantly affects slope stability，and under saturated conditions，the final slope，s safety factor decreases to 1.36.However，this is still above the safety factor （1.25-1.20） stipulated in GB 51016—2014 Technical Specifications for Open-pit Mining Engineering in Non-coal Mines，indicating that the mine，s slope design parameters are reasonable.The research results provide a reference for the design of subsequent safety facilities at the mine.

Keywords：open-pit mine slope;stability;numerical simulation;safety factor;rock mass quality evaluation;stress