王 強(qiáng) 吳 尚
(1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦山分公司;2.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)
露天礦山邊坡穩(wěn)定性關(guān)乎礦山安全生產(chǎn),是影響礦山經(jīng)濟(jì)的重要因素之一。針對露天礦山邊坡的穩(wěn)定性問題,科學(xué)有效地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析與評估是維護(hù)礦山安全的重要手段。通過對邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地下水位、坡度、高度、巖體力學(xué)參數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析,可以得出邊坡的穩(wěn)定性評估結(jié)果,對于采取相應(yīng)的措施,提高邊坡穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。近年來,隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了Abaqus、Geo-studio、FLAC等大型模擬軟件[1-4]。趙尚毅等[5]指出邊坡破壞時會產(chǎn)生無限發(fā)展的位移,僅僅依靠邊坡從坡腳到坡頂?shù)乃苄詤^(qū)貫通不足以斷定此邊坡已經(jīng)失穩(wěn),還應(yīng)看是否產(chǎn)生了很大且無限發(fā)展的塑性應(yīng)變和位移,因此提出將計算收斂和塑性區(qū)貫通共同作為邊坡失穩(wěn)的依據(jù);劉金龍等[6]提出特征部位位移突變性結(jié)合塑性區(qū)的貫通性作為失穩(wěn)判據(jù);連鎮(zhèn)營等[7]認(rèn)為某一幅值的廣義剪應(yīng)變從坡腳貫通到坡頂,則視為邊坡破壞,但廣義剪應(yīng)變包括彈性部分和塑性部分,以廣義的剪應(yīng)變不能準(zhǔn)確反映土體塑性區(qū)的發(fā)展過程。
本文采用強(qiáng)度折減法,利用FLAC3D軟件,對某礦山礦區(qū)4 個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了模擬分析。
某露天礦礦區(qū)內(nèi)分布地層由老至新分別為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P21)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、第四系(Q)。
對不同地段構(gòu)造節(jié)理裂隙進(jìn)行了專門觀察研究及統(tǒng)計,經(jīng)對礦區(qū)統(tǒng)計的構(gòu)造節(jié)理進(jìn)行分析表明,礦區(qū)發(fā)育節(jié)理主要有3 組:a 組115°∠43°、b 組230°∠60°、c組336°∠72°。
對礦區(qū)巖石進(jìn)行力學(xué)實驗,依據(jù)邊坡巖體質(zhì)量評價成果,綜合考慮RQD 等環(huán)境因素影響的影響,運(yùn)用多種方法從不同角度對此礦山巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行工程折減處理,獲得了巖體力學(xué)參數(shù)。對于抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值取不同方法得出結(jié)果;巖體單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和變形模量采用由Hoek-Brown 法折減得出的參數(shù)。邊坡巖體力學(xué)參數(shù)綜合選取值見表1。
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本文將采用強(qiáng)度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性,采用等效靜力法考慮爆破振動力,參考頒發(fā)的《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014),第i條塊的爆破振動力按照下式計算:
式中,F(xiàn)i為第i條塊爆破振動力的水平向等效靜力,kN;Wi為第i條塊的重力;kN;βi為條塊爆破力系數(shù),取0.1~0.3;a為第i條塊爆破振動質(zhì)點(diǎn)的水平向最大加速度;m/s2;f為振動爆破頻率,Hz;V為邊坡質(zhì)點(diǎn)振動速度,cm/s;Vi為第i條塊重心處質(zhì)點(diǎn)水平向振動速度,m/s;Q為爆破裝藥量,kg;Ri為爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測點(diǎn)的距離,m;K,α為與巖體性質(zhì)、爆破條件等有關(guān)的系數(shù)。
礦山采用中深孔微差爆破,單孔裝藥量約為150 kg,根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)取頻為20 Hz,爆破場地條件有關(guān)的衰減系數(shù)K取值為150,α取值為1.5,Ri取值為30 m,本文采用強(qiáng)度折減法模擬爆破振動荷載下邊坡穩(wěn)定性,爆破振動采用等效靜力法模擬,得出αi=14.04 m/s2。
根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及終了邊坡高度等參數(shù),將該礦山擬設(shè)計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域,即I—I′~Ⅳ—Ⅳ′剖面所在邊坡區(qū)域,由于I—I′剖面邊坡所在區(qū)域為順層邊坡,且邊坡高度較高為173 m,故選擇為代表性剖面,其余剖面分別為切向坡或逆向坡,一般而言,在分析露天邊坡穩(wěn)定性時,順層邊坡的穩(wěn)定性較差,應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。各邊坡剖面圖如圖1所示。
此露天礦邊坡終了邊坡高度為173 m,小于200 m,屬于中、低邊坡。當(dāng)邊坡失穩(wěn)有人員受傷時,直接經(jīng)濟(jì)損失50 萬~100 萬,間接經(jīng)濟(jì)損失500~1 000 萬,邊坡失穩(wěn)危害性嚴(yán)重。因此,根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)中的邊坡危害等級劃分標(biāo)準(zhǔn),將該礦山邊坡危害等級定為Ⅱ級?;谠撘?guī)范中的邊坡工程安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn),邊坡工程安全等級整體取為Ⅱ級。
邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是評價和衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo),與邊坡力學(xué)性質(zhì)和工程選用的參數(shù)等因素有關(guān),最小允許安全系數(shù)的確定是非常復(fù)雜的問題。邊坡的安全系數(shù)Fst是邊坡穩(wěn)定性判據(jù)的重要參數(shù),是判斷邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的重要閥值。如在采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析時,首先計算出潛在滑動面上的綜合抗滑力與綜合下滑力的比值穩(wěn)定性系數(shù)Fs,隨后通過比較Fs與Fst的大小關(guān)系來評估邊坡的穩(wěn)定性,當(dāng)Fs大于Fst時為邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)Fst小于Fs時邊坡為不穩(wěn)定狀態(tài)。
《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)中第3,6,9條對邊坡穩(wěn)定性計算方法進(jìn)行了規(guī)定,第3,6,10條對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)作出了具體規(guī)定,見表2。
根據(jù)《非煤露天礦山邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)以及邊坡等級分級,設(shè)計爆破震動荷載下總體邊坡安全系數(shù)設(shè)計為1.18。
強(qiáng)度折減法是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬方法。1975 年Zienkiewiczn 提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的概念,分析了邊坡應(yīng)力和位移變化使巖土體抗剪強(qiáng)度降低的特性,并將極限狀態(tài)下的折減系數(shù)被認(rèn)為是邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。此后,以強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到普遍應(yīng)用。本文采取使用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計算,根據(jù)強(qiáng)度折減法對爆炸振動荷載作用下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行模擬分析。
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FLAC3D可以計算出破壞面上產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變增量,是一個和巖體某一節(jié)點(diǎn)位移相關(guān)的物理量,是邊坡的穩(wěn)定的一個重要參數(shù)。結(jié)合彈塑性力學(xué)理論和莫爾-庫侖強(qiáng)度理論,巖土體的破壞原因是內(nèi)部的任意一面上的剪應(yīng)力超過其極限剪應(yīng)力而發(fā)生破壞,破壞后產(chǎn)生較大的剪切變形,進(jìn)而巖土體發(fā)生破壞。
根據(jù)剖面圖I—I′、Ⅱ—Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′、Ⅳ-Ⅳ′在AutoCAD 中生成模型,利用Rhino 軟件的Griddle 插件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后轉(zhuǎn)化為FLAC3D軟件的文件格式,最終在FLAC3D中生成I—I′剖面計算模型進(jìn)行計算,x軸正向為指向邊坡內(nèi),z軸豎直向上,底部采用全約束,垂直于x軸的面采用法向約束,計算結(jié)果如圖2、表3 所示。
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由圖2、表3 可看出,4 個剖面的安全系數(shù)分別為1.7,1.63,1.68,1.55,各分區(qū)邊坡在爆破震動荷載工況下穩(wěn)定性系數(shù)均大于設(shè)計的許用安全系數(shù),表明此邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)達(dá)到安全系數(shù)時,邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài),并且最大剪切應(yīng)變增量位于設(shè)計爆破區(qū)域,方向指向爆破區(qū)域的法向方向,當(dāng)邊坡處于臨界狀態(tài)時,將首先從最大剪切應(yīng)變增量位置(爆破處)發(fā)生破壞。
通過對某礦區(qū)現(xiàn)場工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)巖石實驗以及工程地質(zhì)巖體的質(zhì)量評價獲得了邊坡巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力值等巖體力學(xué)參數(shù),利用等效靜力法考慮爆破振動力,計算得出爆破振動參數(shù)水平向最大加速度;根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及終了邊坡高度等參數(shù),并遵循順層邊坡的穩(wěn)定性較差的原則將該礦山擬設(shè)計的終了邊坡劃分為4 個區(qū)域。同時,采用強(qiáng)度折減法,利用FLAC3D軟件,以邊坡許用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性判據(jù),對礦區(qū)4個分區(qū)邊坡在爆破振動荷載下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了分析計算。結(jié)果表明,此礦山在爆破振動荷載工況下各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于許用安全系數(shù),整體邊坡穩(wěn)定性較好,都能滿足規(guī)范要求的最小安全系數(shù),邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),此結(jié)果對礦山安全有一定指導(dǎo)意義。