齐大山露天铁矿边坡开挖稳定性分析

2021-08-03孟磊磊孟兴涛王永增刘小刚

露天采矿技术 2021年4期

孟磊磊，孟兴涛，王润，王永增，曹洋，刘小刚

（1.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁鞍山 114001；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000）

齐大山铁矿是鞍钢大型露天铁矿之一，同时也是鞍山本溪地区开采历史最悠久的矿山之一，目前属于典型的大型深凹露天采坑[1]。随着露天矿开采深度的增加，边坡高度、面积也相应大幅度增加，边坡滑坡灾害问题也日益突出[2]，因此，露天矿边坡开挖稳定性分析与控制成为了露天矿开采的重点问题之一。张俊阳[3]等结合露天矿边坡实例，应用FLAC程序不断降低土体抗剪强度参数得到边坡破坏滑动面，表明FLAC 强度折减法适用于露天矿开挖边坡的稳定性分析。曹兰柱[4]等对宝日希勒露天矿南帮52#剖面边坡的应力应变和位移进行数值模拟，表明南帮边坡失稳时，边坡变形失稳虽以剪切破坏为主，拉伸破坏也相伴发生，坡顶起主要作用。孙光林[5]等应用有限差分数值计算软件，对比分析了分步开挖条件下含有和不含有软弱夹层边坡的影响情况，表明含有软弱岩层边坡对工程开挖十分敏感。周子涵[6-7]等以大孤山西井边坡为例进行了计算，通过能量突变分析和安全系数变化分析说明边坡受开挖扰动的影响较为严重。黄辉[8]等模拟岩质边坡开挖后边坡应力、应变，体现了开挖卸荷对边坡稳定性的影响以及易发生变形破坏的部位。屈春来[9]等通过露天开挖的数值计算发现，每步开挖对岩体均有破坏性扰动，沿片理的台阶型破坏与整体失稳的可能性较大。在借鉴以上研究的基础上，采用FLAC3D6.0 软件和slide 软件模拟了齐大山铁矿东帮860 勘察线边坡开挖稳定性，为采区接下来的开挖提供预测数据。

日式唐草的纹样选材上相对比较单一，植物纹样种类不超过三五种，也都是以美国西部植物纹样为主。这也正是其来源于美式唐草的原因，其本土的植物纹样几乎没有。

1 工程概况

齐大山露天铁矿位于辽河冲积平原，紧连千山山脉，东高西低。二采区东帮860 勘查线附近边坡产状为NE60°∠35°，边坡呈舒缓微凸形，设计高度由北向南增高。边坡以混合岩为主，岩体比较破碎，风化较为严重，节理发育，特别是花岗类混合岩（黄色）力学强度较南部花岗混合岩低，上覆土层为第四系坡积、残积、冲积层，此层由淤泥、黏土、粉质黏土和砂卵石组成，低洼处厚度达到40 m。该处边坡比较高陡，且边坡未留设宽大碎石平台，边坡表面受风化和爆破振动等作用，碎石易滑落，对下部运输道路造成严重安全隐患。

探讨我国医学影像互认共享的情况，首先要界定“互认”与“共享”。《关于医疗机构间医学检验、医学影像互认有关问题的通知》中把医疗机构间检查检验互认界定为检查资料互认和检验结果互认，具体内容则包括四个方面：①具体内容包括医学检验结果和医学影像检查资料；②临床生化、免疫、血液和体液等临床检验中结果相对稳定、费用较高的项目；③医学影像检查中根据客观检查结果出具报告的项目；④医学影像检查中依据动态观察过程出具诊断报告的，或诊断报告与检查过程高度相关的项目。互认强调的是结果性内容或是客观检查项目，其目的是确定互认项目以及避免重复检查。

2 数值模拟模型及参数

2.1 模型的建立

根据地质条件及边坡形态，选取东帮滑坡位置860 勘察线典型剖面做力学分析。该剖面边坡以花岗类混合岩为主，下部出露含铁石英岩，局部边坡夹杂少量闪长岩。通过FLAC3D6.0 软件建立的齐大山铁矿860 勘察线东帮边坡开挖数值计算模型如图1。

图1 数值计算模型

模型宽度为425 m，高度从水平-120 m 起，一直模拟到地表，高度为248 m。计算模型共用2 747个单元，5 760 个节点，局部地方进行网格加密。由于齐大山露天铁矿开采范围较大，并且整个采场在环线方向上的变形很小，可以忽略不计，故设定模型坡体表面为自由面，四周及底部进行法向约束。边坡共开挖3 次，开挖垂直范围分别为+65～+40 m 水平、-15～-30 m 水平、-30～-45 m 水平，采用Mohr-Coulomb屈服准则进行数值计算。

从图3 中可以看出，随着分步开挖的进行，最大剪切应变总是出现在最危险区域的坡脚，且剪切应变增量较大区域不断向坡顶方向扩展，呈现逐渐贯通的趋势，对边坡稳定性造成不利的影响。因此，有必要加强标高-50 m 水平至坡顶的监测，重点监测该区域的边坡位移。同时，需对总体边坡进行全面、定期检测，力求早发现不稳定区域，为修改设计和治理边坡积累资料，提前给出边坡合理治理措施。

2.2 模型参数

从表1 中可以看出，Bishop 法、Spencer 法、M-P法计算的边坡稳定性系数相近，Ordinary 法得到的边坡稳定性系数最小，Bishop 法得到的边坡稳定性系数最大。开挖前Ordinary 法与Bishop 法计算的边坡稳定性系数相差9.23%，开挖后Ordinary 法与Bishop 法计算的边坡稳定性系数相差10.22%。

3 边坡稳定性分析

1302主撤巷和3003措施巷掘进过程中，不同等级的状态预警结果所占比例如图5所示，由图5可知：1302主撤巷预警结果全部为“正常”，而3303措施巷非正常报警比例达60%，其中“威胁”的占34%，“危险”的占26%。对两工作面的预警结果进行比较可知，3303措施巷的突出危险性远大于1302主撤巷，与实际情况完全相符。

本次模拟为反演边坡开挖以及采动作用下滑坡的启动过程，特别针对开采过程中的3 个状态：第1阶段主要按照设计线将边坡滑动部位清理，主要开挖未达到设计线部位，并计算开挖后的该区域边坡的稳定性情况；第2 阶段主要开挖区域为坡体下部，其台阶以上基本挖至设计坡型，下部未开挖至厂区设计标高，计算开挖后的边坡稳定情况；第3 阶段主要开挖坡体最下部，其台阶以上基本挖至设计坡型，下部开挖至下一个台阶顶部位置，计算开挖后边坡稳定情况。

3.1 有限差分法

有限差分强度折减法的基本原理是将岩土体的黏聚力和内摩擦角的值同时用1 个折减系数Fs进行折减，得到一组新的黏聚力和内摩擦角数值作为新的材料参数进行试算。当计算不收敛时，对应的折减系数值被称为坡体的最小安全系数，如式（1）：

开挖前后边坡位移变化云图如图2，开挖前后边坡最大剪切应变增量变化云图如图3。

式中：C′为折减后岩土体黏聚力，N；C 为折减前岩土体黏聚力，N；Fs为折减系数；φ′为折减后岩土体内摩擦角，（°）；φ 为折减前岩土体内摩擦角，（°）。

图3 开挖前后边坡最大剪切应变增量变化云图

Janbu 法的计算的边坡稳定性系数最接近限差分法的计算结果，开挖前边坡安全系数为1.159，小于东帮的安全系数设计值1.2，但是大于1，表明边坡坡当前状态下稳定性较差，不适宜继续开挖，要进行边坡处理；第1 步开挖按照设计线将边坡滑动部位清理使得安全系数降低了0.016；第2 步开挖使得边坡安全系数降低了0.091；第3 步开挖后边坡安全系数保持在1.068，接近于1，安全储备降低，滑坡发生的几率增加。

图2 开挖前后边坡位移变化云图

由于电子运动速度快，很快在端部集聚，与中部行成电位差，出现超热电子泄漏，使温度，密度降低，约束时间变短。达不到劳森条件,Q<1。

3.2 极限平衡法

极限平衡法大多以条分法为基础，依据静力平衡方程，通过分析条块体的抗滑力和滑动力之间的关系来分析边坡的稳定性。从工程实用观点看，各种计算方法的假定对最后所求边坡稳定性的系数影响并不大。本次计算采用Ordinary 法、Bishop 法、Janbu法、Spencer 法、M-P 法多种方法寻找安全系数解集中的最小值，将最小值定义为边坡稳定安全系数。利用slide 软件对齐矿东帮勘探线860 线剖面进行极限平衡分析，开挖前后边坡稳定性系数见表1。

表1 开挖前后边坡稳定性系数变化表

根据前期研究资料及后期室内岩石物理力学试验，对选取的岩性参数进行统计分析及试算验证，最终确定的岩性物理力学参数为：①第四系土层：密度1.885 t/m3，黏聚力53.10 kPa，内摩擦角17.40°，弹性模量65 MPa，剪切模量23.89 MPa；②混合岩：密度2.529 t/m3，黏聚力748.64 kPa，内摩擦角32.40°，弹性模量5 462 MPa，剪切模量2 134 MPa；③铁矿体：密度2.657 t/m3，黏聚力1 053.76 kPa，内摩擦角40°，弹性模量6 375 MPa，剪切模量2 510 MPa。

从图2 中可以发现，开挖前+40 m 水平处位移最大，为40～70 mm，坡顶处位移为20～35 mm，边坡安全系数为1.144；第1 步开挖后+40 m 水平处位移依然最大，并且开挖后导致其最大位移达70 mm，但边坡整体安全系数稍有提高，开挖后此平台可以有效防止+40 m 水平处岩石滚落；第2 步开挖后其最大位移位于-15 m 水平处坡脚及+40 m 水平平台处，最大位移增加至980 mm，边坡安全系数为1.110；第3 步开挖后-35 m 水平至-45 m 水平边坡最大位移达100 mm，边坡安全系数降低至1.066。说明开挖会引起潜在滑坡区位移增大，边坡安全系数降低，增加滑坡风险。勘查线860 边坡-50 m 水平平台以上开采线已经接近设计线，边坡由工作帮转为非工作帮，不宜采取削坡措施。若边坡位移依然持续增加，需尽快采用锚杆（索）并施加预应力增大潜在滑动面上的正压力以加固深层滑坡，提高岩体的整体强度。部分台阶位移相对较小，滑面较单一、清楚，在容易发生滑移的位置设置抗滑桩支挡即可。

3.3 2 种方法对比

与极限平衡法相比，FLAC3D中的有限差分数值模拟方法考虑了岩体内部的本构关系，可以直观地得到岩体内部各点的位移、应力应变和塑性区域图，分析边坡的发展及破坏过程；有限差分法得到的滑动面为一条滑动带，而极限平衡法得到的是一个圆弧，而滑动带更符合边坡实际情况。但有限差分法在模型建立等前处理方面较复杂，计算分析速度较慢，而极限平衡法刚好相反，且可以得到多条滑动面的稳定性系数。两种方法的计算的边坡稳定性系数相差不大，各有利弊，在实际工程中可以相互验证。极限平衡法中的Janbu 法计算的边坡稳定性系数最接近有限差分法的计算结果，所以Janbu 法相比于极限平衡中的其它方法更适合高度矿山边坡稳定性系数计算。