陳慶坤

(1.廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

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烏拉根露天邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳慶坤1,2

(1.廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司)

摘要為使露天開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性與安全性達(dá)到最優(yōu)平衡，運(yùn)用數(shù)值模擬法對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，找出邊坡潛在滑動(dòng)面位置，運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算不同邊坡角下的安全系數(shù)，在邊坡允許安全系數(shù)范圍內(nèi)選取最優(yōu)邊坡角。采用該方法對(duì)烏拉根露天鉛鋅礦邊坡進(jìn)行優(yōu)化，在降低剝離工程量同時(shí)，保證了邊坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞邊坡穩(wěn)定性分析極限平衡法數(shù)值模擬

對(duì)露天礦山而言，邊坡問(wèn)題始終影響著礦山的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。較小的邊坡角可確保生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)采設(shè)備和人員的安全，但難以保證其經(jīng)濟(jì)效益；邊坡角過(guò)大，雖然能在一定程度上降低了剝離成本，但容易留下安全隱患。因此，合理選取露天礦最終邊坡角，使開(kāi)采在安全性和經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到最優(yōu)平衡，是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵[1]。

目前，露天邊坡設(shè)計(jì)中通常是根據(jù)礦山的地質(zhì)條件和工程需要，選取一個(gè)較為保守的邊坡角圈定露天坑境界，然后對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和分析以驗(yàn)證，調(diào)整邊坡角度，滿足安全或經(jīng)濟(jì)要求。這種方式多是依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，具有很大的主觀性，而邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與分析則多是對(duì)選取的邊坡角度進(jìn)行安全驗(yàn)證，難以滿足礦山的經(jīng)濟(jì)性要求，易造成工程浪費(fèi)。為此，本文運(yùn)用數(shù)值模擬法計(jì)算出邊坡潛在的滑動(dòng)面[2]，選取合適的邊坡角度范圍，逐步改變邊坡角的大小，用極限平衡法求出安全系數(shù)，得出安全系數(shù)對(duì)應(yīng)邊坡角的變化曲線，從而求出最優(yōu)邊坡角。

1基本原理

數(shù)值模擬法適合用于分析邊坡的失穩(wěn)過(guò)程，考慮了巖土體變形的影響，但卻不足以給出物理意義明確的安全系數(shù)。極限平衡法的物理意義清晰明了，但需要事先假定潛在滑動(dòng)面的位置。鑒于數(shù)值模擬和極限平衡法的優(yōu)缺點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

(1)根據(jù)工程地質(zhì)、試驗(yàn)資料，結(jié)合采礦條件，對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，確定合理的巖體力學(xué)參數(shù)、初始邊坡角。

(2)建立邊坡數(shù)值模型，采用折減強(qiáng)度法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，得出邊坡塑性區(qū)，確定邊坡潛在滑動(dòng)面[3]。

(3)建立邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的極限平衡模型，計(jì)算出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

(4)逐步增加或降低邊坡角，計(jì)算不同角度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡角的關(guān)系曲線。

(5)根據(jù)露天邊坡的工程地質(zhì)狀況和服務(wù)年限，確定邊坡安全系數(shù)閾值，從而選擇滿足安全條件的最優(yōu)邊坡角[4]。

2工程背景

烏拉根露天礦位于烏拉根盆地內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為烏拉根向斜。邊坡礦區(qū)巖體質(zhì)量差，遇水易軟化，其大型滑坡類型可考慮為似圓弧型滑塌和平面型滑塌。礦山南翼邊坡分布于礦體下盤，高度325 m，由14個(gè)高24 m、坡面角為55°的臺(tái)階組成，總體邊坡角42°。北翼邊坡分布于礦體上盤，高度240 m，上盤總體邊坡角40°，局部52°。建立的邊坡模型如圖1所示。

邊坡巖體質(zhì)量較差，參照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218-94)，確定巖體粘聚力強(qiáng)度峰值為0.2～0.7 MPa，結(jié)合巖體力學(xué)試驗(yàn)及礦區(qū)內(nèi)各類巖體的地質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算選取巖體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

3數(shù)值模擬

根據(jù)圖1進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。一步驟開(kāi)挖至 2 178 m，二步驟開(kāi)挖至2 058 m，三步驟開(kāi)挖至 1 962 m，最后對(duì)開(kāi)挖形成的邊坡進(jìn)行折減強(qiáng)度計(jì)算，得出上、下盤邊坡的折減強(qiáng)度系數(shù)。邊坡破壞時(shí)的臨界位移云圖和矢量云圖見(jiàn)圖2。

計(jì)算結(jié)果表明，靜載條件下，北翼邊坡臨界破壞時(shí)的最大位移為0.49 m，最大剪應(yīng)變發(fā)生在坡腳處，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.88；南翼邊坡臨界破壞的最大位移為1.72 m，最大剪應(yīng)變發(fā)生在距坑底第二臺(tái)階處，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.26。

圖1　邊坡開(kāi)挖模型

巖層容重/(kN/m3)楊氏模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa摩擦角/(°)粘聚力/MPaN1-N225.040.40.271.73350.50E1W522.340.40.372.10360.26E1W422.258.60.243.36280.25E1W323.730.20.351.73330.20E1W223.555.90.222.60280.25E1W123.02.30.351.07320.24

圖2　邊坡臨界破壞時(shí)的位移云圖與剪應(yīng)變?cè)茍D

4極限平衡計(jì)算

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得出的邊坡臨界破壞剪應(yīng)變?cè)茍D，可初步確定邊坡破壞時(shí)的潛在滑動(dòng)面,由此可用極限平衡法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。采用Bishop法，計(jì)算不同邊坡角度下的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　不同角度下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

根據(jù)《有色金屬設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)，并考慮露天坑服務(wù)年限、工程規(guī)模、邊坡上是否有重要構(gòu)筑物等因素，確定邊坡允許安全系數(shù)：北翼邊坡布置有固定運(yùn)輸?shù)缆罚试S安全系數(shù)應(yīng)取大值，取1.30，南翼邊坡允許安全系數(shù)取1.15。根據(jù)表2可判斷邊坡角度的合理區(qū)間，其中北翼邊坡高度較小，穩(wěn)定程度較好；南邊坡由于高度較大，加之巖體強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差。據(jù)此，北翼邊坡合理邊坡角為47°；南翼最終邊坡合理邊坡角為44°。

5結(jié)論

介紹了露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析及邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提出采用數(shù)值模擬與極限平衡理論相結(jié)合的邊坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程清晰、直觀。運(yùn)用該方法對(duì)烏拉根露天鉛鋅礦的邊坡進(jìn)行優(yōu)化，確定了合理的最終邊坡角，對(duì)邊坡優(yōu)化有很好的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張新建,國(guó)利民,楊國(guó)華,等.基于極限平衡理論的最終邊坡角穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)工程,2010,8(1):11-14.

[2]曾亞武,田偉明.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法與極限平衡法的結(jié)合[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(S2):5355-5359.

[3]劉明維, 鄭穎人.基于有限元強(qiáng)度折減法確定滑坡多滑動(dòng)面方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(8): 1544-1549.

[4]陳建宏, 鐘福生,楊珊.基于有限元折減強(qiáng)度法與極限平衡法結(jié)合的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2012,30(11):38-42.

(收稿日期2015-10-23)

陳慶坤(1986—)，男，碩士研究生，361006 福建省廈門市。