基于Geo-Studio的高陡边坡稳定性分析

艾树贤,刘学,王道林

(1.江西江铜银珠山矿业有限公司, 江西 贵溪市 335424;2.江西铜业集团有限公司武山铜矿, 江西 九江市 332200;3.中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)

0 引言

永平铜矿作为江西铜业股份有限公司旗下的主力矿山,多年来为集团及下游产业链提供了大量优质铜金属资源,同时也是国内少有的露天-地下联合开采矿山,产能达330 t/a。随着永平铜矿露天及浅部资源的逐步回采完成,产能将迅速下降,且在地表形成了垂高达444 m的深凹露天坑,边坡坡度大于42°,属于高陡边坡。为维持产能稳定,迫切需要对邻近高陡边坡的Ⅳ号矿体进行回采。然而对其回采之前,必须通过各种手段研判地下回采对高陡边坡稳定性的影响。目前的研判手段主要有理论计算、现场监测、数值模拟及物理相似模拟。其中,数值模拟因其建模方便快捷、计算准确的特点在工程实践中得到广泛应用。相关数值模拟软件则主要包括Flac3D、Slide、ABAQUS、Ansys、Geo-Studio等。Geo-Studio中包括的渗流分析模块(SEEP/W)、应力变形分析模块(SIGMA/W)、边坡稳定性分析模块(SLOPE/W),既可以独立分析又可以相互进行调用,广泛应用于分析边坡稳定性。鉴于此,本文针对矿山目前的生产现状与高陡边坡特点,利用Geo-Studio软件建立不同剖面下的高陡边坡-地下矿体回采模型,并分别求解矿体初始状态及开挖状态下高陡边坡的安全系数,进而对不同位置的边坡安全等级进行分析与分级,为地下矿体的安全回采及采准设计提供理论依据。

1 模型及参数确定

用Geo-Studio程序建立数值计算模型求解不同工程地质问题主要包括以下5个方面的内容:设计模型尺寸;规划计算网格数目和分布;安排工程对象(开挖、支护等);材料力学参数赋值;确定边界条件。

1.1 模型建立

参考Ⅳ号矿体的赋存形态和矿体与边坡之间的位置关系(见图1),依次选取0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地质勘探线。这些勘探线相交于Ⅳ号矿体1#～11#矿房和矿块,勘探线剖面高程跨度大且特征界限明显,具有代表性。9#勘探线切出的Ⅳ矿体截面如图2所示。

图1 Ⅳ号矿体与地质勘探线位置关系

图2 9#地质勘探线矿体形态

根据勘探线剖面图分别建立边坡模型,选定边坡的下界为-100 m,上界视剖面而定的区域作为有限元数值模拟的计算剖面。模型范围内主要岩层结构可以分为上盘、下盘和矿体。结合实际情况及剖面形状对边坡计算模型作适当的简化后建立边坡数值模型,如图3所示。

图3 3#勘探线剖面数值模型

1.2 参数选择

由于露天矿采矿活动破坏了岩体的自然平衡状态,不平衡状态将引起岩体变形,以及岩石中应力场的调整和重新分布。因此,在模拟前先做应力重分布模拟。

在应力重分布模拟中,各岩层材料都选用弹塑性本构模型。一般而言,由于大量结构弱面的存在,岩体力学参数远小于岩石力学参数。对于地质与采矿条件极为复杂的矿山,矿、岩体力学参数的选取是非常困难的,一般采用工程折减法将岩石力学参数折算为岩体力学参数。其中,弹性模量、泊松比、内摩擦角等参数选自该矿山的地质报告,相关岩石参数见表1。

表1 模型参数

1.3 边界条件

应力重分布分析时,只考虑模型的重力作用,在设置边界条件时通常只需要约束研究对象的底边和左右两侧边。因此,边坡应力重分布模拟选用的边界条件是:边坡模型左右两侧固定X方向位移,边坡底部固定X-Y方向位移。

2 模拟结果与分析

2.1 初始边坡稳定性

使用Geo-Studio 2018版本,选择SIGMA/W模块分析,在分析类型中选择“应力重分布”分析类型,设置收敛性及时间参数。输入表1中相关模型参数,设置相应的边界条件,检查、优化模型,求解。在SLOPE/W中建立模型,绘制材料参数,得到滑移面及安全系数。对不同勘探线剖面进行模拟,得到其边坡的初始安全系数,如图4所示。

图4 不同剖面高陡边坡-地下矿体回采模型及初始安全系数

不同计算方法对应边坡的安全系数见表2。由表2可以看出,3#至11#勘探线剖面的初始边坡安全系数呈现降低的趋势,而这种变化趋势主要取决于剖面的坡度。例如,5#勘探线剖面相较于7#勘探线的坡度更大,因此,其稳定性略差于7#勘探线剖面。与此同时,各个剖面初始边坡安全系数值均在1.3以上,稳定性较好。

表2 边坡初始安全系数汇总

2.2 矿体开挖后边坡稳定性

开挖模型稳定性模拟和初始边坡稳定性模拟相同。根据3#、5#、7#、9#、11#、13#勘探线剖面与0 m水平的投影和0 m高程矿体的位置关系,得到每个矿块的剖面图。矿块的宽度由勘探线所截剖面确定,高度为50 m。从0 m中段开始,每个中段以嗣后充填法进行开挖,回采顺序为由下往上进行回采,共有0 m、50 m、100 m、150 m4个中段。由于每个中段0#至3#矿块距离边坡的距离较远,对边坡的整体稳定性影响并不大,所以模拟过程仅对W4至W11矿块进行建模分析,进而得到不同中段及不同矿块回采时对边坡稳定性影响的定量分析结果。其中,W4矿块回采至不同中段高度时,边坡的安全系数见图5。

图5 W4矿块回采至不同中段高度时边坡安全系数

不同计算方法对应边坡的安全系数汇总见表3。由表3可知,同一中段,从W4至W11矿块,越靠近W11矿块,开采时边坡安全系数基本逐渐减小。同一个矿块,以W5矿块为例,向上开挖时,0 m、50 m、100 m、150 m中段安全系数均值分别为1.372,1.225,1.169,1.117,即越向上开采,边坡的安全系数越低。另外,50 m中段开挖W11矿块边坡安全性系数有一定提高,原因是矿块出入地表处较W10矿块平缓,对边坡稳定性影响较小。

表3 回采时边坡安全系数汇总

2.3 边坡安全分级

根据《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》(AQ 2063—2018)及《冶金矿山采矿设计规范》(GB 50830—2013),采场边坡高度等级按表4划分为四级。根据边坡高度判断永平露天边坡属于高边坡。

表4 边坡高度等级

采场边坡总边坡角等级按表5划分为三级。该矿山露天边坡坡度大于42°,属于陡坡。

表5 总体坡度角等级

根据安全系数F对露天矿山采场边坡稳定性进行风险分级,按照表6将正常工况和非正常工况条件下边坡滑坡风险等级分为四级。

表6 采场边坡滑坡风险等级

根据边坡稳定性模拟的结果,对开挖矿块进行安全等级划分,如图6所示。从图6可以看出,边坡安全等级可分成三级,安全Ⅰ级,安全Ⅱ级和危险。0 m中段W1至W9、50 m中段W1至W8、100 m中段和150 m中段W1至W4的滑坡风险等级均为3级和4级,将其视为安全Ⅰ级,可使用现有采矿工艺开采。0 m中段W10至W11、100 m中段W5至W8、150 m中段W5滑坡风险等级为2级,归类为安全Ⅱ级,使用现有采矿工艺开采时需根据边坡现场情况进行调整,如减小爆破药量、增加爆破段数,采用预裂爆破、缓冲爆破、切槽爆破等减振控爆技术对矿体进行开挖,并进行合理的支护。50 m中段W9至W11、150 m中段W6至W8滑坡风险等级按表6为1级,边坡安全等级为危险,采用现有开采工艺可能导致西部边坡出现大块岩石垮落以及边坡滑移,损坏、堵塞边坡布设的运矿公路和水沟,且影响露天和井下的安全生产,带来安全隐患,应对现有的采矿方法进行改进,以适应矿体的开采。

图6 开采矿块安全等级划分

3 结论

本文使用Geo-Studio系统软件中的SLOPE/W模块,以0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地质勘探线剖面为基础,建立Ⅳ矿体W1至W11矿块和边坡模型,运用极限平衡法中的Ordinary法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法4种方法进行边坡安全系数计算,探究永平铜矿Ⅳ矿体开采对边坡稳定性的影响规律,得到如下结论。

(1)整体来看,3#至11#勘探线剖面边坡初始安全系数呈现降低的趋势。5#勘探线剖面相较于7#勘探线的坡度更大,其稳定性略差于7#勘探线剖面,因此,安全系数也较低。但是3#至11#勘探线剖面边坡初始安全系数值均在1.3以上,稳定性较好。

(2)同一中段,从W4至W11矿块,越靠近W11矿块,开采时边坡安全系数基本逐渐减小。同一个矿块,越向上开采,边坡的安全系数越低。W5和W6矿块,由于上部边坡的坡度较大,属于高陡边坡。因此,在开采W5和W6矿块时,边坡的安全系数较低,开采时需进行调整。

(3)根据模拟得到的边坡安全系数,可将不同中段的矿块分为三个安全等级,安全Ⅰ级,可使用现有采矿工艺开采;安全Ⅱ级,使用现有采矿工艺开采时需根据边坡现场情况进行调整;危险,采用现有开采工艺可能导致西部边坡出现大块岩石垮落以及边坡滑移,带来安全隐患,应对现有的采矿方法进行改进,以适应矿体的开采。

(4)根据模拟得到的边坡安全系数,属于安全Ⅱ级的矿块有7个,危险矿块有6个,其他均为安全Ⅰ级矿块。