复杂工况条件下露天矿边坡稳定性分析

刘小开,李峰鸽

(新疆中岩恒泰爆破工程有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引言

近年来,随着露天矿开采设备能力及开采技术水平的提高,露天矿生产规模逐渐增大,高陡边坡稳定性已成为矿山工程地质研究的重要课题之一[1]。目前,学者已开发了多种稳定性评价方法,包括平面失效法、极限平衡法、数值模拟方法、二维(2D)及三维(3D)空间混合高阶分析方法等[2],其中极限平衡法操作简单,分析时间短,在不同失效机制与不同地质条件下可结合概率及统计函数来评估安全系数(F.S),得到了广泛关注。

目前对边坡稳定性的分析及判断大多基于研究假设的力学理论模型来校验安全稳定系数[3],由于造成边坡滑塌的因素众多,作用机理复杂,单纯的一种评价方法存在一定的局限性[4],故采用不同原理的分析方法综合评价边坡稳定性,可大大提高分析的可靠性,在工程实践中的应用也越来越广泛[5]。杨再华[6]等结合某铁矿边坡工程实例,分别采用极限平衡法及强度折减法模拟高陡边坡失稳的动态流程,判定滑坡方式,计算边坡稳定性。邓帆[7]等基于某露天矿西南边坡形变发育状态,分析地层结构、开采扰动及气候条件对边坡的影响效应,利用FLAC及Slide分别建模,分析各种因素作用下边坡岩体的变形破坏状况,预测该露天矿一采区在暴雨及地震条件下的边坡致灾机理。朱涛[8]等结合准东地区南露天矿西帮施工实践,选用极限平衡法及强度折减法,模拟红黏土在自然情况及饱水情况下的边坡稳定性,阐释了影响边坡稳定的3个关键问题,提出对应的防护措施。本研究采用极限平衡法及强度折减法对边坡进行综合分析,以期为矿山安全生产提供理论依据。

1 概况

矿区所在位置四周为剥蚀构造山地,海拔2000～2500 m,相对高差500 m。由下元古界片麻岩、片岩,奥陶系灰色、灰绿色千枚岩夹大理岩,加侏罗系砂岩、粉砂岩等组成。区内由于多年冻土层存在,地下水类型复杂化。降水通过构造、融区及裂隙渗入地下,转化为地下水,地表土主要为冲洪积相、冰川冰水,岩性多以多孔隙砂砾石为主,结构松散,导水性好,厚度不均,是形成地下水的良好介质。地下水埋藏深度大于26 m,补给主要是基岩裂隙水及来自水量极丰富淡潜水的补给。单井计算涌水量均大于5000 m3/d,最大可达18 000 m3/d,渗透系数35～173 m/d。该地区年平均气温1.53 ℃,气温最高月(7月)平均气温15.29 ℃,气温最低月(1月)平均气温-13.85 ℃,极端最高气温31.2 ℃,极端最低气温-30.7 ℃。年平均自然降水为83.44 mm,且在各月分布极不均匀,多集中在每年的5—8月份,占多年平均降水量的79%。7月份降水量最高,日最大降水量20.1 mm。年均蒸发量357.17 mm,是降水量的18倍,如图1所示。相对湿度40%左右,冬、春季风沙较大,风向以西风、西北风为主,年平均风速2.1 m/s。年平均日照时数达3100 h以上,太阳辐射强。

图1 矿山降水量、蒸发量与气温月平均变化曲线

该地区地震发生频率较高,强度也较大。据新疆维吾尔自治区地震局观测统计,自1953年建立有感地震记录以来,该地区共发生4级以上地震6次,其中在本区发生5级以上地震3次。2008年11月11日及2009年8月28日,该地区发生过6.3级及6.4级地震,震中在距本矿工作区约有75 km左右,工作面有强烈震感,所处位置震动峰值加速度为0.1～0.15 m/s2,平均震害指数0.11～0.30,因此对于地震引发的灾害应给予高度重视,地面及地下建筑物按地震烈度Ⅶ级设防。该地区地形起伏较大,岩体相对稳定,无岩浆活动,未发生过泥石流、崩塌情况。除矿山开采外无其他生产活动,人为因素对环境基本无影响。

2 边坡稳定性分析

2.1 极限平衡分析法

极限平衡分析法是边坡稳定性分析的基本方法之一,通过研究可能滑动面的抗滑力与滑动力之比,基于极限平衡思想,定义了不同滑动面的安全稳定系数,通过相关算法求得最危险滑面的安全稳定系数。采用极限平衡分析法,对该矿典型的L-L′边坡剖面在自重、暴雨及暴雨+地震3种工况条件下的力学稳定性进行分析计算。边坡稳定性建模及系数计算如图2所示。

图2 L-L′剖面在3种工况条件下极限平衡法计算结果

从L-L′ 剖面在自重条件下稳定性计算云图可以看出,边坡+500 m区域至边坡顶部+530 m区域稳定性最差,此处边坡整体稳定性系数为2.450。由于此处顶部边坡坡体较小,容易发生局部滑移破坏,边坡整体稳定性系数较高,发生整体滑移破坏的可能性较小。图2c和2d分别显示的是L-L′ 剖面在暴雨、暴雨地震综合作用下的稳定性计算云图,边坡+500 m区域至边坡顶部+530 m区域稳定性最差,两种工况条件下边坡稳定性系数分别为2.158、1.808。矿山在后续回采过程中要注意暴雨对边坡稳定性的影响,加强对地震灾害的防控。

2.2 强度折减法

FLAC3D边坡稳定系计算采用强度折减法,根据强度折减法原理,将理想弹塑体本构模型中岩土体的强度指标按照一定的标准不断折减,从而得到不同的c、φ指标值,当数值模型发生破坏时,此时的折减系数即可表示为岩土体的稳定性系数。强度指标按照式(1)、式(2)进行折减。

cf=c/F

(1)

(2)

其中,c、φ分别为岩体的内聚力及内摩擦角,cf、φf分别为折减后岩体的内聚力及内摩擦角,F为折减系数。采用稳定性系数及全单元的计算不收敛作为边坡稳定性的判据。

为了从多角度对比边坡稳定性计算结果的准确性,在极限平衡法计算的基础上采用FLAC3D有限元数值模拟软件,对L-L′ 剖面图在3种工况(自重、暴雨、暴雨+地震)作用下进行稳定性计算分析。利用CAD建立模型基础框架,导入Ansys划分单元格,如图3a所示。将模型导入FLAC3D中进行不断迭代计算,直至模型发生剪切破坏,根据边坡滑动面云图,分析边坡安全稳定系数,如图3b、3c、3d所示。云图中剪应变等值线表示剪切破坏面,即边坡变形潜在最不利滑动面的位置。L-L′ 剖面模型网格及计算结果如图3所示。+475 m至边坡顶部+530 m区域最容易发生剪切破坏,稳定性最低,发生破坏将从此区域逐渐往顶部扩展,从而造成边坡整体滑移破坏。其余区域最大主应变增量较小,发生整体滑移破坏的可能性较小。3种工况条件下边坡稳定性系数分别为2.55、2.23、1.86,均大于边坡安全最低系数,边坡稳定性较好,基本上不会发生边坡滑坡事故。剪应变等值线云图显示,暴雨对边坡稳定性的影响作用非常明显,矿山在后续回采过程中要注意暴雨对边坡稳定性的影响。

图3 L-L′ 剖面在3种工况条件下强度折减法计算结果

2.3 边坡稳定性综合分析

结合极限平衡法与FLAC3D数值模拟结果,对该露天矿边坡典型的L-L′ 剖面进行稳定性分析。分析该现状边坡在自重、暴雨及暴雨+地震3种工况下的稳定性。结果如表1所示。

表1 L-L′ 剖面不同工况下的稳定性系数

3 结论

通过对新疆某露天矿终了台阶边坡典型剖面的稳定性分析可知,该采场终了边坡剖面在自重、自重加暴雨、自重加暴雨地震3种不同工况下安全系数大于规定数值,均处于稳定状态。但该矿山只设计了一个台阶,应加强边坡监测,注意滚石对底部人员及设备的影响。建议重新对台阶进行调整,合理设置保安平台与清扫平台,减少滚石危害的可能性。