节理裂隙对露天采场陡倾边坡稳定性的影响研究

王智佼 李 勇 尹健斌 杨 帆 陶志刚

(1.甘肃长达路业有限责任公司,甘肃 兰州 730000;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;3.煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室,北京 100083; 4.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)

露天矿开采过程中主要的安全隐患为边坡的失稳问题,节理裂隙的存在严重影响岩体的强度,是导致边坡变形和破坏的主要因素之一[1]。因此,对矿区的节理裂隙进行研究,有助于探明露天采场的薄弱区域,从而为矿区的安全治理提供依据。

国内外学者对含节理裂隙的岩体进行了许多研究。室内试验方面:靳瑾等[2]利用单轴压缩试验,分析了裂隙倾角对岩体破坏模式的影响规律;唐礼忠等[3]通过对节理裂隙倾角进行研究,得出倾角较大时,岩石有明显的脆性性质的结论。理论分析方面:周震[4]通过研究岩石内部的节理裂隙分布特征,提出一种新型的节理裂隙提取分割算法;吴爱祥等[5]通过CT扫描技术对含节理裂隙的岩体进行研究,验证了岩体颗粒与堆体渗透性的关系;沈宝堂等[6]基于G准则提出了F准则。随着计算机技术的不断发展,有限元法、边界元法、有限差分法等数值模拟技术不断地深入工程应用分析中[7]。

上述对含节理裂隙的岩体的研究过于单一,实际的矿区开采中现场工况复杂多变,应采用多数据、多对比的方式对其进行分析[8]。因此,本文基于土屋铜矿露天采场复杂的工程地质背景,使用数学公式与现场声波监测相结合的方法(正态拟合分级)对矿区边坡破碎度进行研究,再利用测线法和节理张开度对矿区节理裂隙进行现场调查(辅助赤平极射投影的生成),佐证正态拟合分级的可行性,最后再利用离散元数值模拟的方法进一步验证上述现场调查3种方法的正确性,并利用离散元数值模拟的方法证明NPR锚索的超常力学特性,为其他破碎岩体的支护提供依据。

1 矿区工程地质概述

土屋铜矿露天采场位于新疆哈密市,位于塔里木板块与准格尔板块对接带北侧,南距板块边缘断裂——康古尔塔格深大断裂仅3 km,断裂及其以南即为两大板块缝合带——秋格明塔什——黄山韧性剪切带。由于矿区附近存在多个断裂带,故矿区岩体的稳定性受断裂带的影响较大,内部岩体存在多条节理裂隙。本次调查主要研究616、628、640、652和664 m台阶边坡,如图1所示。

图1 露天采场示意Fig.1 Schematic of the open pit

由于矿区位于板块交界处,板块运动较为强烈,因此矿区内部主要以侵入岩和火山岩为主,岩性主要表现为玄武岩、安山玢岩和次闪长玢岩等,如表1所示。根据单轴压缩试验,三轴压缩试验得出边坡岩性参数如表2所示。

表1 岩组划分及岩性特征Table 1 Division and lithologic characteristics of rock groups

表2 边坡岩性参数Table 2 Slope lithology parameters

2 正态拟合分级下的声波测井试验研究

全波列声波测井主要是利用沿井壁传播的声波—滑行波,来探测井壁岩体的裂隙损伤结构[9]。应用射线声学理论分析,当发射声源(发射换能器)的几何尺寸小于声波的波长时,发射声波的指向性较差,在井孔中激发的声波则以不同的角度辐射到井壁上,并在井液与井壁的界面上发生反射及折射,而折射使部分声波能量进入岩体[10]。同理,滑行波在传播过程中亦可以90°入射角,不断折射回井液,并被接收换能器拾取。

2.1 正态拟合分布分级法

采用最小二乘法的正态拟合分布模型分析纵波波速数据,在工程应用上经过实践已经能够很好地对纵波波速进行分段,从而更有针对性地对工程上的岩体进行质量分级,可以真实地反映岩体的实际状况,其推导公式如下[11]。

将纵波波速转换成概率密度曲线:

式中,Vpi为第i岩体的声速值;Ni为第i个岩体的声速值个数;S为声波数据曲线与坐标横轴之间的面积;Di为概率归一化后的第i个岩体指标。

正态分布的概率密度函数:

式中,μ为正态分布的期望值;σ为正态分布的标准差。

随后利用正态分布概率密度函数推导出函数:

即

式中,n为正态分布概率密度函数数量;λi为第i个正态分布概率密度函数权重;μi为第i个正态分布概率密度函数中期望值;σi为第i个正态分布概率密度函数中标准差。

由图2所示,拟合后的曲线根据纵波波速将岩体质量分成4个等级,且与纵波波速测得的岩体完整性系数分级法相近,因此具有较强的科学性。具体分级如下:

图2 正态分布拟合曲线示意Fig.2 Schematic of the normal distribution fitting curves

(1)将纵波波速大于5 100 m/s的区域划分为Ⅰ级。

(2)将纵波波速为4 400～5 100 m/s的区域划分为Ⅱ级。

(3)将纵波波速为3 500～4 400 m/s的区域划分为Ⅲ级。其中3 500～3 900 m/s划分为Ⅲ2级,3 900～4 400 m/s划分为Ⅲ1级。

(4)将纵波波速小于3 500 m/s的区域划分为Ⅳ级。

2.2 现场声波钻孔分析

由于横波在穿过相同地层时比纵波的传播速度慢,因此在地球物理勘探中横波波速Vs的分辨率要比纵波波速Vp高[12]。本次采用全波列声波测井仪器对矿区不同区域的5个钻孔(A、B、C、D、F)进行横波波速监测,利用纵波波速约为横波波速的1.6～1.7倍计算出纵波波速[13],再参考纵波波速正态拟合岩体分级曲线(如图2所示),进而得到矿区的岩体质量等级。

由图3可知,A孔区域的纵波波速范围约为1.4～2.6 km/s;B孔区域的纵波波速范围约为1.6～2.2 km/s;C孔区域的纵波波速范围约为1.5～2.6 km/s;D孔区域的纵波波速范围约为1.6～2.7 km/s;F孔区域的纵波波速范围约为1.5～2.5 km/s。对比图2的正态分布拟合曲线示意图可知,钻孔区域的岩体质量等级表现为Ⅳ级,岩体完整性较差,因此内部岩体的节理裂隙较为发育,岩体较为破碎。

图3 矿区波速监测曲线Fig.3 Mine wave velocity monitoring curves

3 现场边坡节理裂隙地质调查分析研究

3.1 测线法分析矿区边坡节理裂隙

节理裂隙是影响边坡稳定性的重要因素之一,通常可以从以下几个几何参数来加以描述:节理产状、节理组数、节理间距、粗糙度和节理裂隙宽度等[14]。因此,从以上几何参数入手,采用测线法对露天采场的边坡稳定性进行现场节理调查分析,边坡部分参数如表3所示。

表3 边坡参数Table 3 Slope parameters

采用测线法选择台阶上露头良好、地面平整、具有永久标识的地段布置详细测线。每条测线上根据台阶长度设置若干个测站,测站沿着边坡走向设置,长度不等,约10～50 m一个。测线沿着边坡倾向间距12 m,每个测站辐射范围600 m2。

(1)604 m台阶边坡。604 m台阶边坡共设置9个测点,经过现场调查,604 m台阶边坡累计测量节理19条,软弱夹层7条。节理和裂隙分布密度f=1～15条/m。边坡东部南北走向边坡坡面节理最为发育,岩体完整性分类属于破碎和较破碎,由于604 m台阶范围较小,因此没有发现明显的滑坡、崩塌等灾害,底部未见积水。

(2)616 m台阶边坡。616 m台阶共设置30个测点,经过现场调查,616 m台阶边坡节理裂隙、弱层极其发育,其中累计调查21组节理,20组软弱夹层;具体表现为局部滑坡体2处、楔形破坏1处、小断层1处、危岩体2处。节理和裂隙分布密度f=3～23条/m。

(3)628 m台阶边坡。628 m台阶共设置48个测点,经过现场调查,整个台阶东北角边坡和西南角边坡受F16断层控制,岩体极其破碎;南侧和东侧边坡岩体较破碎,北侧和南侧边坡中部岩体较完整。经过现场工程地质调查,628 m台阶上发现:节理裂隙和弱层极其发育,其中累计调查28组节理,50组软弱夹层;局部滑坡体2处、楔形破坏1处、F16断层1处、危岩体1处。节理和裂隙分布密度f=1～25条/m。

(4)640 m台阶边坡。640 m台阶边坡共设置33个测点,经过现场调查,640 m台阶边坡上发现节理裂隙、弱层极其发育,其中累计调查25组节理,38组软弱夹层;F16断层1处、危岩体3处。节理和裂隙分布密度f=1～25条/m。

(5)652 m台阶边坡。652 m台阶边坡共设置10个测点,经过现场调查,整个边坡中部岩体较完整,东西端帮边坡碎石、砾石及砂土堆积。652 m台阶上发现节理裂隙、弱层极其发育,其中累计调查21组节理,10组软弱夹层,危岩体1处。节理和裂隙分布密度f=2～22条/m。

(6)664 m台阶边坡。664 m台阶边坡共设置12个测点,经过现场调查,整个边坡中部岩体较完整,东西端帮边坡碎石、砾石及砂土堆积。节理裂隙、弱层极其发育,其中累计调查1组节理、16组软弱夹层、危岩体1处。节理和裂隙分布密度f=5～8条/m。

综上所述,经过现场地质调查,矿区内的节理裂隙较为发育,岩体完整性较差,部分区域存在滑坡、危岩失稳等问题,如图4所示。

图4 现场调查工况Fig.4 On-site investigation working diagram

3.2 根据节理宽度分析矿区边坡岩体质量

节理裂隙的宽度是评价一个矿区岩体稳定性的重要指标之一,一定程度上可以直观地反映出矿区的岩体破碎程度。节理裂隙的宽度代表岩体的张开度,张开度越大代表结构面失稳越严重,根据铁道工程地质技术规范(TBJ 12-85)可以把节理裂隙的张开度分成4个等级[15],如表4所示。

表4 节理裂隙张开度划分Table 4 Division of joint crack opening degree

根据露天采场对节理裂隙和软弱夹层的现场工程地质调查得出604 m台阶边坡、616 m台阶边坡、628 m台阶边坡、640 m台阶边坡、652 m台阶边坡和664 m台阶边坡的节理裂隙宽度值如图5所示,再对比表4的节理裂隙张开度划分,对矿区边坡的稳定性进行分析。

图5 矿区边坡节理宽度统计柱状图Fig.5 Statistical bar chart of joint width in mining area

由图5可知,604 m台阶边坡节理裂隙最小宽度为5 mm,616 m台阶边坡节理裂隙最小宽度为9 mm,628 m台阶边坡节理裂隙最小宽度为17 mm,640m台阶边坡节理裂隙最小宽度为5 mm,652 m台阶边坡节理裂隙最小宽度为5 mm,664 m台阶边坡节理裂隙最小宽度为8 mm。经对比可知,矿区边坡的节理裂隙张开度均大于5 mm,属于宽开程度,节理裂隙较为发育,岩体完整性较差,容易发生边坡滑移、失稳等问题。

综上所述,可以将整个矿区划分为4个分区(如图6所示)。运用节理分析软件DIPS程序,统计分析4个分区调查结果,得到土屋铜矿采场总体境界内节理裂隙构造赤平极射投影统计如图7所示。

图7 节理裂隙构造统计分析(整个矿区)Fig.7 Statistical analysis of joint and fracture structure(whole mining area)

由节理调查资料结合赤平极射投影图可知,矿区节理走向主要沿NE向和EW向。通过对岩体节理裂隙统计数据分析可以看出,从不同分区的矿岩节理密度来看,Ⅰ区岩体平均节理密度较小,为4.8条/m,Ⅱ区岩体平均节理密度较大,为7.2条/m,Ⅲ区岩体平均节理密度较小,为3.1条/m,Ⅳ区岩体平均节理密度较大,为6.7条/m。因此可将矿区内Ⅰ区和Ⅲ区边坡岩石划分为4级围岩,Ⅱ区和Ⅳ区边坡岩体划分为5级围岩。从整个现场节理裂隙统计分析结果来看,平均节理密度为5.45条/m,矿区的节理裂隙发育程度为较发育程度,矿区边坡岩体存在失稳问题。

4 节理裂隙对边坡影响的数值模拟试验研究

根据上述调查研究发现,不同节理倾向和不同节理密度的边坡稳定性各不相同[16]。因此,基于表3的现场工程地质调查背景,以616 m台阶边坡(顺层倾向边坡)、628 m台阶边坡(破碎岩体边坡)、652 m台阶边坡(反倾向密集节理边坡)和664 m台阶边坡(反倾向稀疏节理边坡)部分区域为研究对象(如图8所示),利用3DEC离散元数值模拟技术分别模拟4个边坡的失稳情况,佐证调查结果,为边坡失稳的防治提供科学依据。

图8 不同边坡模型示意Fig.8 Schematic of different slope models

根据现场边坡调查研究,建立长×宽×高为45 m×10 m×17 m的数值模拟模型,节理走向的选取方式主要根据实际节理调查中破碎较为严重区域,选取较多走向的节理为建模依据,忽略其他影响较小的节理,因此主要把矿区露天采场的边坡类型分成三类:

(1)不同节理密度的边坡破坏数值模拟对比研究,以652 m台阶边坡与664 m台阶边坡为例。

(2)顺层节理边坡与反倾向节理边坡的数值模拟对比研究,以616 m台阶边坡与652 m台阶边坡为例。

(3)层状节理结构边坡与块体节理结构边坡的数值模拟对比研究,以616 m台阶边坡与628 m台阶边坡为例。

由图9对比可知(由于现场对比图较多,因此只用628 m台阶边坡的数值模拟结果对比628 m台阶边坡的实际情况):

不同节理密度的边坡稳定性对比研究:由图9(a)和图9(b)对比可知,反倾向边坡中652 m台阶边坡的节理数量大于664 m台阶边坡的节理数量。在边坡角度与节理倾向相同的情况下,664 m台阶边坡的最大位移约为0.18 m,652 m台阶边坡的最大位移约为0.25 m。说明节理的数量与边坡的位移呈正相关关系。

顺层节理边坡与反倾向节理边坡稳定性对比研究:由图9(b)和图9(d)对比可知,在边坡角度与节理数量相同的情况下,顺层节理边坡(616 m台阶边坡)的最大位移约为0.20 m,反倾向边坡(652 m台阶边坡)的最大位移约为0.25 m。说明节理的走向也是影响边坡稳定性的重要因素之一,相比之下反倾边坡更容易发生滑移,边坡失稳更为严重。

层状结构边坡与块状结构边坡稳定性对比研究:由图9(c)和图9(d)对比可知,在边坡角度与节理走向相同的情况下,层状结构边坡(616 m台阶边坡)的最大位移约为0.20 m,块状结构边坡(628 m台阶边坡)的最大位移约为0.79 m。块状结构的边坡岩体破碎程度较为严重,岩体强度更低,因此边坡失稳更加严重,更容易造成边坡失稳,再与现场调查图9(e)对比得知现场滑落的块体较多,与实际情况符合。

由边坡放大云图可以看出:图9(a)和图9(b)属于反倾向边坡,容易出现张拉破坏,致使节理发生错断滑移,在边坡处形成叠瓦状倾倒。图9(c)的边坡块体较为破碎,在边坡滑移中出现碎块滑动的现象。图9(d)属于顺倾向边坡,受剪切破坏较为明显,因此边坡的位移沿节理发育方向滑动。

综上所述,由图9可以看出,边坡的滑移与节理数量、节理倾向和节理的结构状态等参数密切相关,随着参数的增大,边坡失稳越来越严重。

5 NPR锚索超常力学支护效果研究

传统锚索多为正泊松比材料,强度较低导致其支护条件有限,在大变形区和高地应力区往往会发生断裂现象,不能满足工程需求。随着我国工程建设需求的不断增大,具有负泊松比效应的NPR锚索由此诞生,NPR锚索可以对破碎围岩进行补偿力学做功,从而使围岩变形减小。

NPR锚索主要由套筒、恒阻体和钢绞线组合的普通锚索构成(如图10所示),实现恒阻特性的主要部件为可以在套筒内部进行滑移的恒阻体,恒阻体的滑移会使岩体与锚索处于平衡状态,具体表现[17-18]为:当外力强度超过锚索屈服强度的90%时,锚索内部的恒阻体会在恒阻体内发生滑移抵抗外部载荷,使承载能力继续增加。即:当外加荷载由岩体对NPR锚索小于变形所需的最大载荷时,此时NPR锚索处于弹性变形阶段,围岩体是稳定的;当岩体对NPR锚索施加的外部载荷大于变形所需的最大载荷时,NPR锚索将发挥其恒阻特性,抵消围岩中的荷载,此时巷道围岩再次处于相对稳定状态[19]。

工程应用中为了对岩体失稳区域进行加固,通常使用锚索进行围岩支护操作。高恒阻能量吸收锚索(NPR锚索)与传统锚索(PR锚索)的区别在于利用负泊松比效应抵御外力,具有更强的吸能效果,如图11、图12所示。NPR锚索的参数具体表现为:钢绞线长度一般为40 m,密度为7.85 g/cm3,泊松比为0.269,弹性模量为210 GPa,抗拉强度为800 MPa,屈服强度为355 MPa。套筒的长度为1 m,密度为7.80 g/cm3,泊松比为0.3,弹性模量为206 GPa,经过静力拉伸试验得出NPR锚索的恒阻值可达350 kN。

图11 NPR锚索与PR锚索的变形示意Fig.11 Deformation diagram of NPR anchor cable and PR anchor cable

图12 NPR锚索支护原理Fig.12 Support principle of NPR anchor cable

研究表明,NPR锚索相比于其他大变形锚杆具有更强的吸能效果[20]。为了证明NPR锚索比PR锚索具有更强的支护效果,本节以616 m台阶边坡为例,分别对边坡进行PR支护和NPR支护的数值模拟试验研究,并在边坡表面设置A、B、C 3个监测点,进一步验证NPR良好的抵御外力的能力,锚索支护位置如图13所示。

图13 锚索支护示意Fig.13 Schematic of anchor ride support

由图14宏观位移分析可知:锚索的支护对边坡的稳定性具有很强的约束效果,NPR锚索支护后的位移量整体小于PR锚索支护后的位移。当对边坡进行PR锚索支护时,边坡的最大位移约为0.09 m,其支护位置的位移由原来的0.20 m下降到0.05～0.07 m,位移约束效果较为明显。当对边坡进行NPR锚索支护时,边坡的最大位移约为0.009 7 m,其支护位置的位移由原来的0.20 m下降到0.004 8～0.007 2 m,位移约束效果极其明显(由放大后的边坡云图可以看出)。

图14 锚索支护效果对比Fig.14 Comparison of anchor cable support effect

6 结 论

(1)由矿区内声波波速对比正态拟合试验研究可知:露天矿区内纵波波速介于1.4～2.6 km/s之间,岩体质量等级表现为Ⅳ级,岩体完整性较差,因此内部岩体的节理裂隙较为发育。

(2)由测线法和节理宽度分析法对矿区边坡进行现场勘测可知:矿区内边坡的节理裂隙较为发育,张开度均大于5 mm,属于宽开程度,容易发生滑坡等边坡失稳问题。结合赤平极射投影法可将矿区分成4个区域,其中Ⅰ区和Ⅲ区边坡岩体为4级围岩,Ⅱ区和Ⅳ区边坡岩体为5级围岩,矿区整体岩性较差,存在边坡失稳问题。

(3)通过离散元数值模拟的方法从节理密度、节理走向等方面对边坡进行分析研究,得出628 m台阶边坡的岩体稳定性最低,坡面产生的最大位移为0.79 m,通过对比得出与现场工程监测到的位移结果相近,验证了现场节理发育的调查结果。

(4)以616 m台阶边坡为例,利用数值模拟的方法对坡面进行PR和NPR锚索支护,得出PR锚索支护时边坡的最大位移约为0.09 m,NPR锚索支护时边坡的最大位移为0.009 7 m,从数值模拟的角度验证了NPR锚索的超常力学特性。综上所述,基于土屋露天铜矿复杂的工程背景,利用数学与工程监测相结合、现场监测与数值模拟相互佐证的研究方法,得出矿区内岩体较为破碎、节理较为发育的试验结果,并提出可用NPR锚索进行支护的加固方式,为其他破碎边坡及软弱围岩的地下工程提供科学依据。