張國勝 董 鑫 陳彥亭 楊天鴻 鄧文學(xué) 李 華

(1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司,河北 唐山 063009;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;3.河北鋼鐵集團礦山設(shè)計有限公司,河北 唐山 063700)

目前,我國露天開采的鐵礦石所占比重巨大,且大部分進入深凹開采或轉(zhuǎn)入地下開采,深凹露天開采已成為露天采礦的發(fā)展趨勢[1]。 隨著露天開采深度不斷增加,邊坡失穩(wěn)問題越來越突出,開展深凹露天礦高陡邊坡失穩(wěn)機理研究,進而建立系統(tǒng)的露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性分析、評價與預(yù)測方法,對于確保露天礦邊坡穩(wěn)定,預(yù)防滑坡災(zāi)害和提高經(jīng)濟效益具有重大意義。

研山鐵礦位于河北省唐山市灤縣境內(nèi),露天礦地表長2 870 m,寬1 540 m,設(shè)計最終境界邊坡高度達到600 m,露天采場每年總產(chǎn)能為800 萬t,為一典型深凹露天開采礦山。 該礦東臨新河和灤河,第四系表土層厚大,透水性強,滲流對邊坡穩(wěn)定性影響強烈。同時,東幫邊坡基巖風(fēng)化巖巖體破碎,存在大量順層結(jié)構(gòu)面,在自重及其他外力擾動作用下,具有明顯的沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑移破壞趨勢[2]。 因此,亟須針對研山鐵礦東幫順層巖質(zhì)邊坡開展穩(wěn)定性及治理方案研究。

近年來,在高陡節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及災(zāi)變防控技術(shù)研究方面,學(xué)者們進行了大量卓有成效的工作。楊天鴻等[1]從高陡邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報方法等方面總結(jié)了目前邊坡穩(wěn)定性研究方法及預(yù)測預(yù)報研究現(xiàn)狀,并提出了露天礦邊坡巖體強度參數(shù)識別表征方法和動態(tài)穩(wěn)定性評價方法。 朱萬成等[3]圍繞“現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的災(zāi)害預(yù)測預(yù)警”的學(xué)術(shù)思想,提出了“地質(zhì)災(zāi)害案例匹配、多源數(shù)據(jù)挖掘、力學(xué)機理分析、專家系統(tǒng)診斷”四位一體的災(zāi)害風(fēng)險智能預(yù)測預(yù)警方法。 黃潤秋[4]根據(jù)其失穩(wěn)機理將順層巖質(zhì)邊坡分為兩類,并提出高巖質(zhì)邊坡的變形破壞可分為三階段演化模式。 孫書偉等[5]總結(jié)了巖質(zhì)邊坡破壞模式與其坡體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,提出了5 種順層邊坡體所對應(yīng)的破壞模式。 ALEJANO 等[6]歸納了層狀邊坡潰屈破壞和滑劈破壞的具體模式,并推導(dǎo)了其穩(wěn)定性系數(shù)計算公式、數(shù)值分析和物理模擬方法。 王家臣等[7-8]總結(jié)了基于蒙特卡洛方法建立節(jié)理巖體三維網(wǎng)絡(luò)模型,并通過數(shù)值模擬進行邊坡穩(wěn)定性分析的方法。 王智佼等[9]利用聲波測井、測線法對礦區(qū)進行了節(jié)理裂隙分析與巖體質(zhì)量分區(qū),并基于離散元數(shù)值模擬佐證了NPR 錨索對破碎邊坡加固的有效性。 賈帥等[10]通過FISH 語言和“二分法”編程,發(fā)現(xiàn)固定坡角和節(jié)理傾角后,邊坡安全系數(shù)隨傾向的改變呈對稱狀分布。

綜上分析,學(xué)術(shù)界對于深凹露天礦節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的硏究已較為深入。 本研究在前人成果基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測量與數(shù)字鉆孔攝像勘察工作,獲取研山深凹露天坑N26勘探線東幫順層邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征;考慮層狀巖體具有各向異性力學(xué)行為的特征,應(yīng)用修正的Hoek-Brown 強度準(zhǔn)則確定層狀巖體強度;基于考慮巖體各向異性的有限元數(shù)值模擬方法,分析邊坡巖體的破壞模式。 結(jié)合紅外熱像、數(shù)值分析以及現(xiàn)場踏勘結(jié)果,提出疏干排水、局部加固以及監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合的N26勘探線東幫邊坡災(zāi)變綜合防控措施,對于邊坡穩(wěn)定性研究和最終境界邊坡優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考意義。

1 工程地質(zhì)分析

研山露天礦境界下部巖質(zhì)邊坡主要地質(zhì)構(gòu)造為石英砂巖(Pt2chd)作為沉積蓋層角度不整合覆蓋在黑云變粒巖(Ar3gnt)、混合化黑云變粒巖(Ar3m-gnt)和鉀長石化云母片巖(Ar3sch)等變質(zhì)巖系及太古代沉積變質(zhì)鐵礦(BIF)之上。 除了水平覆蓋于所有地層之上的第四系之外,其余地層均為傾斜巖層,總體傾向W,其中石英砂巖(Pt2chd)傾角(15±2)°,變粒巖系傾角(40±5)°,構(gòu)造線近SN 向[11]。 以N26勘探線為例,區(qū)域工程地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 研山鐵礦邊坡N26 勘探線工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering geological profile of the N26 exploration line slope in Yanshan Iron Mine

通過現(xiàn)場鉆孔地質(zhì)勘探,可知邊坡基巖風(fēng)化巖巖體破碎,上部黑云變粒巖按風(fēng)化程度可以分為強風(fēng)化和中風(fēng)化兩類,巖體強度較低,下部新鮮黑云變粒巖強度較高。 其中,采場東幫N26勘探線鉆孔巖芯盒照片與計算得到的RQD值如圖2 和圖3 所示。

圖2 N26 勘探線鉆孔巖芯盒照片F(xiàn)ig.2 Photos of the core box in the N26 exploration line

圖3 N26 勘探線鉆孔巖芯RQD 值Fig.3 RQD value of drill core in the N26 exploration line

邊坡巖體主要結(jié)構(gòu)面對層狀邊坡失穩(wěn)破壞行為起到支配作用[12],同時也是邊坡巖體強度估值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 在結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測量的基礎(chǔ)之上[13],分別對位于東幫邊坡南部和中部鉆孔開展數(shù)字鉆孔攝像測量工作。 鉆孔測得的節(jié)理、裂隙產(chǎn)狀分別采用赤平極射投影的統(tǒng)計分析結(jié)果如圖4 所示。 由圖4可知:東幫邊坡巖體主要含有一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,約為45°,結(jié)構(gòu)面傾角多為30°～60°,傾向230°～270°與邊坡產(chǎn)狀十分接近,為順傾結(jié)構(gòu)面,邊坡潛在破壞模式以順層滑動為主。

圖4 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面極點投影等密度圖Fig.4 Stereographic contour point diagram for structure plane of slope

研山鐵礦東臨新河和灤河,第四系表土層厚大,透水性強,根據(jù)紅外熱像結(jié)果(圖5)發(fā)現(xiàn)東幫滲水嚴(yán)重。 邊坡變質(zhì)巖系巖體存在大量順層結(jié)構(gòu)面,在自重及其他外力擾動作用下,斜坡巖體具有沿軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面發(fā)生順層滑移趨勢。 總之,巖性、變質(zhì)巖系的片理與片麻理、節(jié)理與斷裂構(gòu)造、不整合面、表層風(fēng)化和河流滲水是本采區(qū)邊坡穩(wěn)定的影響因素。

圖5 研山鐵礦露天采場東幫的熱像圖Fig.5 Thermal image of east side of open pit in Yanshan Iron Mine

2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)確定

東幫邊坡變質(zhì)巖系存在片理與片麻理、節(jié)理,導(dǎo)致層狀巖體具有各向異性性質(zhì)。 王培濤等[14]通過單軸壓縮試驗研究了研山鐵礦黑云變粒巖強度各向異性特征,得到不同層理傾角(β)黑云變粒巖單軸抗壓強度(UCS),如圖6 所示。 試驗表明:UCS最大值與最小值之比最大達到4.4,最小為2.1,UCS值隨節(jié)理傾角增大呈現(xiàn)近似“U”形變化,破壞模式出現(xiàn)剪切破壞—沿節(jié)理面滑動—劈裂破壞的變化過程,說明邊坡巖體強度和破壞模式受巖石層理傾角控制,層狀巖體強度估值有必要顧及層狀結(jié)構(gòu)面和應(yīng)力條件的影響,在穩(wěn)定性分析時要考慮巖石各向異性破壞模式。

圖6 黑云變粒巖單軸抗壓強度與層理傾角關(guān)系曲線[14]Fig.6 Relationship curves of UCS and joint angles of biotite granulite

Hoek-Brown 準(zhǔn)則適用于多節(jié)理和各向同性巖體強度估值,無法直接應(yīng)用于預(yù)測層狀巖體強度,有必要考慮層狀巖體沿層理或穿層理破壞特征,對該準(zhǔn)則加以改進。 如圖7、圖8 所示,本研究通過WHY-600微機控制壓力試驗機開展了不同層理傾角巖石的單軸抗壓強度試驗,獲得了巖塊單軸抗壓強度與層理傾角的關(guān)系。 根據(jù)文獻[15]提出的用完整巖石試件的單軸抗壓強度來表征層狀巖體強度隨層面傾角的變化規(guī)律,以及應(yīng)用Hoek-Brown 準(zhǔn)則來分析層狀巖體強度的方法,本研究將該準(zhǔn)則應(yīng)用到層狀巖體強度估值中。

圖7 WHY-600 微機控制壓力試驗機Fig.7 WHY-600 microcomputer controlled pressure testing machine

圖8 不同層理傾角黑云變粒巖試樣Fig.8 Biotite granulite samples with different bedding dip angles

在修正Hoek-Brown 經(jīng)驗準(zhǔn)則[16]中,HOEK 提出用改進后的廣義Hoek-Brown 強度準(zhǔn)則估計節(jié)理化巖體強度指標(biāo)與力學(xué)參數(shù),需用3 個基本參數(shù)D、mi、GSI取值,結(jié)合文獻[16],參數(shù)取值見表1。 參考由完整巖石試件的單軸抗壓強度表征層狀巖體強度隨層面傾角變化規(guī)律的方法[15],應(yīng)用Hoek-Brown 強度準(zhǔn)則計算研山鐵礦東幫不同層理傾角巖體強度。 考慮風(fēng)化造成巖石力學(xué)性能劣化[17],結(jié)合N26勘探線鉆孔取芯得到的巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD與表2 中不同程度風(fēng)化類巖石弱化系數(shù)取值[18],將強風(fēng)化黑云變粒巖的強度按微新巖體強度參數(shù)的0.045 倍折減,微風(fēng)化黑云變粒巖的強度按新鮮巖體強度參數(shù)的0.55 倍折減,從而確定了不同風(fēng)化程度黑云變粒巖的抗剪強度參數(shù),結(jié)果見表3。 其中,白云母片巖試驗所得單軸抗壓強度均值為20.34 MPa,經(jīng)計算得到的黏聚力為101 kPa,內(nèi)摩擦角為38°。

表1 巖體力學(xué)計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of rock mechanics

表2 不同程度風(fēng)化類巖石弱化系數(shù)[18]Table 2 Weakening coefficient of weathered rocks in different degrees

表3 風(fēng)化黑云變粒巖力學(xué)參數(shù)(黏聚力/內(nèi)摩擦角)修正值Table 3 Correction values of parameters (cohesion/internal friction angle) of weathered biotite granulite

研山鐵礦的層狀黑云變粒巖可視為橫觀各向同性彈性體,當(dāng)xy平面為各向同性面時,其彈性應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系矩陣[19]可表示為

式中,ε為正應(yīng)變;γ為剪應(yīng)變;μ為泊松比;E為彈性模量,Pa;G為剪切模量,Pa;σ為正應(yīng)力,Pa;τ為剪應(yīng)力,Pa;h、v分別表示平行和垂直于橫觀各向同性的方位。

據(jù)文獻[20],得到用于數(shù)值模型計算的各向異性力學(xué)參數(shù)見表4。 其中,各向異性剪切模量采用Lekhnitskii 建議的估值公式[21]計算:

表4 邊坡巖體各向異性力學(xué)參數(shù)Table 4 Anisotropic mechanical parameters of slope rock mass

3 邊坡穩(wěn)定性分析

東幫邊坡巖體具有明顯的各向異性,穩(wěn)定性分析有必要考慮其對邊坡破壞模式的影響。 針對該類各向異性巖體,師文豪等[22]基于各向異性材料力學(xué)理論,提出的露天礦邊坡巖體各向異性分析方法,能夠反映實際節(jié)理分布導(dǎo)致的巖體各向異性特征。 本次邊坡穩(wěn)定性分析采用考慮巖體各向異性的有限元分析與極限平衡分析相結(jié)合的方法,即基于Comsol Multiphysics 有限元軟件,并考慮巖體各向異性性質(zhì),分析邊坡巖體破壞模式;在此基礎(chǔ)之上,根據(jù)有限元計算的潛在滑動面用極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù),分析其穩(wěn)定性并驗證數(shù)值模型可靠性。 根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014),綜合考慮邊坡小構(gòu)造比較多、深部未揭露、東幫靠近新河等因素,邊坡安全儲備系數(shù)取1.25。 由于東幫邊坡各勘探線剖面地質(zhì)條件相似,故以最典型的N26勘探線剖面為例,對計算過程進行分析。

N26勘探線剖面位于礦區(qū)中部,主要地層為第四系沖積層、強風(fēng)化黑云變粒巖、中風(fēng)化黑云變粒巖、微新巖體和白云母片巖,最終幫坡角為34°,屬工作幫?；贑omsol Multiphysics有限元軟件,建立的尺寸為1 856 m×900 m(長×高)的各向異性有限元計算模型如圖9 所示,巖體力學(xué)參數(shù)按表3 和表4 取值,強度準(zhǔn)則選用摩爾-庫倫準(zhǔn)則,采用強度折減法計算邊坡破壞模式和安全系數(shù)。

圖9 N26 勘探線剖面有限元計算模型Fig.9 The finite element calculation model of N26 exploration line profile

不同折減系數(shù)F的邊坡破壞模式的計算結(jié)果如圖10 所示。 由圖10 可知:邊坡破壞從上部臺階開始,主要集中在-18～-157 m 臺階處的強風(fēng)化和中風(fēng)化帶,當(dāng)折減系數(shù)增加到1.2 左右時,風(fēng)化帶出現(xiàn)平面型破壞區(qū)。 隨著折減系數(shù)繼續(xù)增大,坡腳處由于應(yīng)力的集中開始出現(xiàn)損傷,并且損傷區(qū)逐漸擴大向上延伸,但由于上下?lián)p傷區(qū)之間的完整巖體構(gòu)成了邊坡變形的巖橋,提供了鎖固力并將應(yīng)力積累剪斷,致使損傷區(qū)未發(fā)生貫通。 當(dāng)折減系數(shù)超過1.7 后,下部損傷區(qū)逐漸貫通到-390 m 平臺,上部強風(fēng)化黑云變粒巖損傷范圍也逐漸增大,上下破壞區(qū)域有了貫通的風(fēng)險。

圖10 不同折減系數(shù)的邊坡破壞模式Fig.10 Failure modes of slopes with different reduction factors

由于層狀巖體物理力學(xué)性質(zhì)的各向異性,本研究進一步分析不同層理傾角下的邊坡破壞模式。 不同層理傾角邊坡在折減系數(shù)f為1.4 時,計算得到的各向異性破壞模式如圖11 所示。 由圖11 可知:隨著層理傾角逐漸增加,邊坡上下部損傷破壞范圍均先增大后減小,當(dāng)巖層傾角為30°～45°,即與最終幫坡角相近時,邊坡?lián)p傷區(qū)最大。 其中上部損傷區(qū)由于風(fēng)化程度較高,貫通于-18～-187 m 臺階的破壞區(qū)域一直存在,破壞模式近似平面型滑坡,而下部臺階由于巖體性質(zhì)較好,只有當(dāng)巖層傾角接近最終幫坡角時,邊幫下部巖體發(fā)生的破壞才較為明顯,該處近似圓弧型滑坡模式。

圖11 不同層理傾角各向異性破壞模式Fig.11 Anisotropy failure modes with different joint angle

綜上分析可知:在取較大折減系數(shù)時,上下部損傷區(qū)并未發(fā)生貫通,因此邊坡整體基本穩(wěn)定,但由于N26東幫邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面傾角與最終幫坡角相近,隨著開挖深度增加,存在上下局部臺階順傾滑坡的風(fēng)險,因此宜采取邊坡穩(wěn)定性防控措施,確保研山鐵礦東幫安全開采。

4 邊坡災(zāi)變綜合防控措施

邊坡災(zāi)變防控實現(xiàn)的途徑主要是通過增加抗滑力、減小下滑力以防止滑坡災(zāi)害發(fā)生,并借助邊坡監(jiān)測預(yù)警手段保障人員、設(shè)備安全。 針對研山鐵礦東幫高陡邊坡存在局部滑坡風(fēng)險的情況,制定的防控措施實施流程如圖12 所示,其防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)措施分析如下。

圖12 研山鐵礦東幫邊坡災(zāi)變防控措施實施流程Fig.12 Implementation process of disaster prevention and control measures for the east slope of Yanshan Iron Mine

(1)疏干排水。 地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個極其敏感的因素,多數(shù)邊坡的失穩(wěn)破壞是由地下水作用造成的。 雖然研山鐵礦已在東幫與新河、灤河之間修筑了注漿帷幕和地下防滲墻,但結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況及紅外熱像結(jié)果仍可發(fā)現(xiàn)該幫N26勘探線-67～-97 m 臺階附近具有明顯的出水點。 為降低地下水水位,宜在出水區(qū)域布置排水孔、排水溝等進行疏干,通過減少地下水動、靜水壓力對邊坡抗滑力的影響,提高邊坡穩(wěn)定性。

(2)局部加固。 由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知,N26勘探線上部臺階有發(fā)生滑坡的風(fēng)險,且隨著開挖深度增加,下部臺階也具有失穩(wěn)的可能。 為避免滑坡災(zāi)害的發(fā)生,可以在關(guān)鍵臺階分別使用預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿對邊坡進行加固。 邊坡的總體加固方案為:① 對上部強風(fēng)化帶采用錨索與格構(gòu)梁組合的治理措施對坡面進行加固處理,在格構(gòu)梁內(nèi)部分坡面及坡頂部位采用混凝土噴射護坡。 ② 對于中風(fēng)化及微新巖體區(qū)域,運輸平臺和皮帶運輸線用錨桿加固上一個臺階和下一個臺階,清掃平臺用短錨桿加固其下一個臺階,上一個臺階無需加固;安全平臺可無需加固。

(3)監(jiān)測預(yù)警。 隨著研山鐵礦采場開挖不斷加深,臺階坡面角加陡,邊坡高度增加,邊坡的安全監(jiān)測等級將從目前的Ⅱ～Ⅲ級逐漸上升至Ⅰ～Ⅱ級,按《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(AQ/T 2063—2018)規(guī)定,必須布置在線監(jiān)測系統(tǒng)。綜合考慮規(guī)程要求、現(xiàn)場情況以及數(shù)值模擬結(jié)果,可在-127～-187 m 臺階布置邊坡錨桿應(yīng)力計和微震監(jiān)測等在線監(jiān)測系統(tǒng),開展坡表、坡體內(nèi)空間協(xié)同監(jiān)測。通過監(jiān)測結(jié)果的分析,可以準(zhǔn)確并超前預(yù)判邊坡變形趨勢、范圍和機理,確保運輸?shù)缆愤\行安全并及時評價加固效果。

結(jié)合工程地質(zhì)勘察與數(shù)值分析結(jié)果,本研究提出了疏干排水、局部加固以及邊坡監(jiān)測等措施進行研山鐵礦邊坡穩(wěn)定性綜合防控,從而提升邊坡風(fēng)險抵抗和預(yù)警能力。 其中東幫N26勘探線綜合防控措施實施剖面如圖13 所示。

圖13 研山鐵礦東幫綜合防控措施實施剖面示意Fig.13 Schematic of the profile of implementing comprehensive prevention and control measures for the east slope of Yanshan Iron Mine

5 結(jié) 論

本研究通過工程地質(zhì)勘察獲取了研山鐵礦N26勘探線邊坡巖體結(jié)構(gòu),進行了不同層理傾角巖樣的單軸壓縮試驗,應(yīng)用修正的Hoek-Brown 強度準(zhǔn)則確定了層理方向不同的巖體強度參數(shù)值,然后基于各向異性的有限元法對邊坡潛在失穩(wěn)破壞模式及穩(wěn)定性進行研究,最終提出了研山深凹露天礦順層邊坡災(zāi)變綜合防控措施。 所得結(jié)論如下:

(1)相較于傳統(tǒng)的各向同性邊坡穩(wěn)定性分析方法,采用基于考慮不同層理方向巖體強度參數(shù)取值的各向異性有限元法對研山鐵礦N26勘探線東幫邊坡穩(wěn)定性進行研究,可以將層理方向?qū)r體力學(xué)性質(zhì)的影響施加到數(shù)值模擬中,從而可發(fā)掘?qū)永矸较蜃兓瘜吰路€(wěn)定性的影響規(guī)律,對其他層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究具有借鑒意義。

(2)通過對模擬結(jié)果分析可知,當(dāng)巖層傾角為30°～45°時,即與最終幫坡角相近時,邊坡?lián)p傷區(qū)最大,上部損傷區(qū)呈現(xiàn)近似平面型滑坡模式,下部損傷區(qū)呈現(xiàn)近似圓弧型滑坡模式。 其中,上部損傷區(qū)發(fā)生滑坡的風(fēng)險更高,但由于巖橋的鎖固作用,不會發(fā)生上下?lián)p傷區(qū)的整體貫通。

(3)研山深凹露天礦東幫邊坡整體基本穩(wěn)定,但受順層結(jié)構(gòu)與表層風(fēng)化等不利因素影響,存在局部滑移風(fēng)險。 因此,提出了對出水臺階疏干排水、對關(guān)鍵臺階局部加固以及對危險臺階監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合的綜合防控措施,從而確保該處邊坡安全開采。

(4)本研究對研山鐵礦N26勘探線邊坡進行了各向異性研究分析,采用的各向同性的摩爾-庫倫強度破壞準(zhǔn)則,雖然可以滿足工程需要,但是理論不夠嚴(yán)密。 因此,有待在各向異性強度破壞準(zhǔn)則選用以及各向異性強度參數(shù)確定方面開展進一步研究,為工程實踐提供更加科學(xué)合理的理論支撐。