露天转地下开采露天边坡稳定性数值模拟分析及研究

胡建钊

(金诚信矿山工程设计院有限公司,北京 100070)

0 引 言

某金属矿采用露天开采多年,随着露天坑深度增加,露天边坡高度也越来越高,且因露天资源枯竭需转为地下开采,而地下开采活动会使露天边坡围岩原有的应力应变状态发生改变,对露天边坡稳定性造成影响,而露天边坡的失稳将直接威胁地下开采的生产安全,因此有必要对露天边坡稳定性进行评估[1-3]。

过去边坡的稳定性分析方法主要是极限平衡法,这一方法可用于分析具有少量节理切割的块体,对于强节理化岩体显得略有不足。该金属矿露天采场主要岩体为千枚岩,片理结构较发育,若采用极限平衡法对矿山露天边坡进行稳定性分析,计算结果可能产生较大的误差。

针对极限平衡法的不足,数值分析方法逐步被引入用于边坡稳定性分析,同时,随着强度折减理论的发展,将强度折减理论与数值计算方法相结合进行计算分析应用于边坡稳定性分析,取得了一定的成效。

强度折减法是通过强度折减计算程序自动求得岩土工程边坡的潜在滑动面以及相应的安全系数,为边坡稳定性分析提供依据与分析基础。计算时,不断折减岩体的强度直至边坡失稳,得到强度折减的系数就是边坡安全系数[4]。

从物理意义上来说,强度折减法是基于材料强度储备的概念,其物理意义与极限平衡法的安全系数意义是相同的[5]。因而,强度折减法可以说是一种新的安全系数求解方法,丰富了极限平衡分析的思想。

强度折减法能够对具有复杂地貌、地质构造的边坡进行计算,并且考虑了岩土体的本构关系及变形对应力的影响,能够模拟边坡的变形过程及其滑动面形状以及岩土体与支护结构(锚杆、锚索、衬砌等)的共同作用,在求解安全系数时,不需要事先假定滑动面的形状,也无需进行条分[6-7]。

从工程应用的角度来说,强度折减法和极限平衡法,均适用于边坡工程的稳定性分析。

现针对某金属矿露天转地下开采后,采用数值模拟和强度折减法相结合的方法,选取典型剖面建立单元数值计算模型,考虑不同工况下进行最终边坡稳定性计算,得到不同工况下各边坡的安全系数,为后续地下开采的方案优化提供参考。

1 工程地质条件

某金属矿原采用露天开采,随着露天开采资源的逐渐枯竭,现转为地下开采[8]。矿床属银山背斜断裂裂隙带格架下的中生代陆相火山—次火山期后中低温热液裂隙充填型矿床。矿区矿石自然类型划分为细网脉浸染蚀变岩型矿石和致密块状硫化物脉型两种矿石类型。

矿区大致可分为第四系松散孔隙含水层、双桥山群浅变质岩和火山岩风化带含水层(带)及构造裂隙含水带3个含水层(带)。考虑露天坑降雨时可能的渗水情况矿区涌水量为正常涌水量5 000 m3/d,最大涌水量14 000 m3/d。矿区水文地质条件简单。

矿体分布在非岩溶地区,顶、底板围岩主要为千枚岩,其次为火山碎屑岩、熔岩和次火山岩,结构较紧密。采区或采空暴露面仅见局部遇构造破碎带有支护,较多采区采空暴露面积10 m×10 m,高度2～3 m,没有任何支护,历经数年,至今仍保持完好,矿床工程地质条件属中等类型。

2 模型建立

2.1 剖面选取

矿体走向近东西,平均倾角80°以上。以矿体、露采最终边坡、地表和预留保安矿柱等组合的复合三维模型为基础,结合露采矿坑的范围,选取9个剖面进行查看,其空间相对位置如图1所示。

图1 剖面线及矿体相对位置

根据初步选取的剖面位置,在三维矿业软件中切出相应的剖面,综合各剖面的回采区域大小及回采区域所处露采最终境界的相对位置等因素,最终选取03#、06#、08#3个典型剖面建立单元数值计算模型,进行稳定性计算[9]。

2.2 数值模型建立

2.2.1 矿岩力学参数选择

岩性主要包括绢云母化千枚岩、砂质千枚岩和斑岩,其主要力学参数见表 1[10]。

表1 岩体和充填体力学参数

2.2.2 边坡岩体本构模型

边坡稳定性问题主要是力与强度的问题,对于有限元强度折减法而言,通常选用理想弹塑性模型作为边坡土体本构模型,而屈服准则的选取又直接影响到稳定系数的计算,选取的屈服准则不同,所计算出的系数不同。结合矿区实际边坡,边坡岩体本构模型选择理想弹塑性体,建立模型后,使用Mohr-Coulomb屈服准则判断的岩体的破坏情况[11-12]。

2.2.3 数值模型建立

根据选取的03#、06#、08#3个典型剖面,然后合理选取剖面建模范围[13]。使用三维建模工具,将剖面模型导入其中,建立可供Flac3D有限差分数值计算使用的网格模型,并依据不同岩性进行模型中的区域分组[14-15]。

建立的三维模型尺寸为820 m×650 m×450 m,模型共划分143 945节点和124 018单元。计算模型见图2。

图2 03#典型剖面slope-03网格模型

从图2可以看出,4种颜色分别表示矿体、采空区、保安矿柱和岩石。03#典型剖面沿矿体走向布置,可以最大程度的展示矿体,03#剖面位于矿体西部,而06#和08#剖面均位于矿体东部,06#和08#剖面布置在矿体上下盘位置,和03#剖面一起揭示了采场采空区和矿体上下盘位置最终边坡的情况。

3 模拟方案及模拟结果分析

3.1 模拟方案

考虑在露天坑底留设50 m保安矿柱,评价地下充填法开采对露采最终边坡的稳定性影响。采场主要参数为：采场采用沿走向布置,中段高度为60 m,采场长为50 m,采场宽为矿体厚度。共选择3个采空区,其中2个采空区位于矿体东部,1个采空区位于矿体西部。

进行以下3种工况下边坡的稳定性计算分析[16]。(1)原始边坡,地下矿未开采时,最终边坡的稳定情况;(2)空场法开采矿体后,最终边坡的稳定情况;(3)充填法开采矿体后,最终边坡的稳定情况。

3.2 数值模拟结果分析

根据模拟方案,03#剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图3～图5,06#剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图6～图8,08#剖面原始边坡、空场法开采和充填法开采的剪应变增量云图和最大主应力云图见图9～图11。

图3 03#剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图4 03#剖面空场法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图5 03#剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图6 06#剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图7 06#剖面空场法边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图8 06#剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图9 08#剖面原始边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图10 08#剖面空场法边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

图11 08#剖面充填法开采边坡剪应变增量云图和最大主应力云图

边坡剪应变增量云图表明了边坡可能出现的潜在滑动面的大致位置,从图3～图11可以看出：采用空场法开采后,边坡剪应力发生较为明显的变化,其值一般呈逐步增大的趋势。而采用充填法开采后,边坡剪应力值一般呈略微下降的趋势。空场法开采后对剪应变增量的集中区域产生影响,改变了潜在滑动面可能出现的位置,而充填法开采则影响不大。

边坡最大主应力云图可以反映出每种工况下边坡的主应力分布情况,从图3～图11可以看出采用空场法开采后,最大主应力发生较为明显的变化,其值呈逐步增大的趋势。采用充填法开采,最大主应力则一般呈下降的趋势。

空场法和充填法开采和最大主应力关系见图12。从图12可以看出：03#剖面采用充填法开采后最大主应力由1.31 MPa微降至1.29 MPa,而采用空场法开采后最大主应力由1.31 MPa增加到2.30 MPa;06#剖面采用充填法开采后最大主应力由1.36 MPa增加至1.50 MPa,采用空场法开采后最大主应力由1.36 MPa增加到2.40 MPa;08#剖面采用充填法开采后最大主应力由2.00 MPa大幅降低至1.37 MPa,采用空场法开采后最大主应力由2.00 MPa增加到2.20 MPa。

图12 空场法和充填法开采和最大主应力关系

采用充填法开采后最大主应力下降趋势明显,大大提高了边坡稳定性,增强了采场开采的安全性;而采用空场法开采后最大主应力表现出大幅度增加的规律,导致露天边坡不稳定,降低了采场开采的安全性。

总体来说,相对空场法开采,采用充填法开采对缓解边坡最大主应力有较好的效果,可以提高露天边坡稳定,有利于安全回采。

3.3 不同工况条件下露天最终边坡安全系数

某金属矿由露天转为地下开采,采场垂直矿体走向布置,同时勘探线剖面垂直矿体走向。采用原始边坡、空场法开采和充填法开采3种工况下露天最终边坡的稳定性计算分析。

根据前述建立的数值计算模型,导入Flac3D,设定模型的边界条件、不同岩性物理力学参数,采用强度折减法,以计算不收敛为判据,进行最终边坡稳定性计算,得到不同工况下各边坡的安全系数[17-18],见表2。

表2 3种工况下露天最终边坡安全系数

4 露天转地下开采后最终露天边坡稳定性分析

安全系数是评价边坡稳定性的主要指标,是较复杂的系统工程,且一般边坡安全系数的计算与边坡研究的深度和广度、研究方法、所选参数的代表性和可靠性、边坡高度与坡角堆及对边坡工程地质和水文地质条件等诸多因素的认识程度有关。安全系数限值的确定要综合考虑现场评估、 工程类比及有关设计规范[19]。

依据《滑坡防治工程勘察规范》中的滑坡稳定性状态划分,当边坡安全系数大于1.15,边坡处于稳定状态[20]。

从表2的计算结果并结合该金属矿实际情况,整体上看,3个典型剖面的原始边坡安全系数都在1.15以上,根据《滑坡防治工程勘察规范》中的滑坡稳定性状态划分,可以知道矿山原始边坡整体处于稳定状态。

如果采用空场法开采矿体,03#剖面边坡安全系数为0.35,边坡处于不稳定状态;06#和08#剖面边坡的安全系数处于安全临界状态(安全系数=1.0时)。由此说明矿体不能采用空场法回采,否则境界最终边坡会不稳定[21]。

当采用充填法并且充填体强度不小于1 MPa时,03#、06#和08#剖面边坡的安全系数均大于1.15,边坡处于稳定状态。

5 结 论

为确定露天边坡的稳定性,选取了3种不同工况下的露天边坡并采用数值模拟软件建立了矿体三维模型进行稳定性计算,通过分析不同工况下的剪应变增量云图和最大主应力云图,可得到以下结论：

(1)原始边坡因没有采动因素干扰,滑动面处于稳定状态,最大主应力无变化,对边坡无影响。边坡安全系数大于1.15,边坡处于稳定状态。

(2)采用空场法开采,边坡剪应力呈逐步增大的趋势,大大增加了滑坡的风险。同时最大主应力同样呈逐步增大的趋势,3个剖面边坡安全系数均小于1.15,边坡处于不稳定状态,因此空场法不适用。

(3)采用充填体强度不小于1 MPa的充填法开采,边坡剪应力值呈下降的趋势,滑动面处于稳定状态;而最大主应力一般呈下降的趋势,3个剖面边坡安全系数均大于1.15,边坡处于稳定状态。

(4)虽然采用一定强度的充填体进行充填法开采可以保持边坡总体稳定,但在矿山生产过程中仍需严格控制边坡坡度,做好边坡稳定性监测工作,发现边坡存在较大裂隙时及时进行加固,避免裂隙扩大造成边坡失稳,加强雨季露天边坡监测和安全防控。

(5)综合利用强度折减法和数值分析方法,能科学准确的对露天边坡稳定性状况做出评判,同时为地下安全开采提供了依据,研究的方法和结果对相似条件下的露天边坡稳定性分析具有一定的借鉴意义。