白云鄂博铁矿主矿采场边帮安全稳定性研究*

姬志勇 汪为平

(1.包钢集团公司白云鄂博铁矿;2..中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

1 白云鄂博铁矿主矿开采现状

矿区呈近东西向狭长带状展布，长3.5 km，宽1.9 km，面积4.308 2 km2。设计矿石开采能力为700万t/a。设计边坡呈弧形，平均倾向60°，设计开采终了标高为1 230 m，边坡最终高度420 m，总体边坡角为41°～44°。该区1 598 m以上台阶已靠界，靠界台阶高度60 m，截止2012年末，主矿采场工作水平有 +1 584、+1 570、+1 556、+1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共7个台阶;采矿水平有 +1 542、+1 528、+1 514、+1 500 m，共 4个台阶;+1 598、+1 584、+1 570 m台阶北端帮已到界。

2 主矿边坡地质勘察分区

主矿采场边坡根据不同的地质构造特征共划分了5个分区，分别为北帮的A区、东北帮的B区、东南帮的C区、南帮的D区及西南帮E区，如图1。

从揭露的采场边坡状况来看，边坡的不稳定区主要在南帮，主矿采场南帮的岩性及构造较复杂，断层破碎带和岩脉较多且出露宽度大，与边坡走向相近，倾向直立或反倾，对台阶稳定不利，已靠帮到界的台阶滑塌及倾倒破坏明显。

主矿南帮主要是D区和E区，该两区又划分成3个亚区，即由西向东E1、D1和D2亚区。

E1亚区:平均宽度约260 m，边坡为直线型，走向N312°W，最终边坡高度312 m，设计最终边坡角为 41°。

D1亚区:平均宽度约250 m，边坡为弧形，凸向采坑，平均走向N305°W，最终边坡高度420 m，设计最终边坡角为42°。

D2亚区:平均宽度约240 m，边坡为直线型，N310°W，最终边坡高度420 m，设计最终边坡角为44°。

3 主矿南帮边坡稳定极限平衡计算

图1 白云鄂博铁矿主矿采场边坡分区

表2 边坡破坏模式

通过分析主矿南帮D区和E区的断层、节理，以及节理组合、断层与节理组合对边坡的影响，得出可能产生的破坏模式见表2，边坡稳定安全系数见表3。的安全系数可见:在自然工况条件下，4－4'剖面的安全系数最小，为1.156;大于1.15;自然工况+地下水条件下，6－6'剖面的安全系数最小，为1.135;大于1.10;自然工况+地震+地下水条件下，2－2'剖面的安全系数最小，为1.051，大于1.05。结果表明各种工况下，各剖面最不利滑动面安全系数都大于安全系数限值，即认为总体边坡是稳定的。

4 主矿南帮边坡稳定性数值分析

表3 安全系数

4.1 模型的建立

边坡失稳判据［2－3］:①以数值技术的收敛性作为失稳判据;②以特征局部位移的突变性作为失稳判据;③以塑性区的贯通作为失稳判据。

本研究以主矿南帮边坡剪胀角 、抗拉强度 、网格疏密程度和边界因素，建立Flac3D三维模型如图2。

图2 主矿南帮边坡Flac3D三维模型

分析表3中列出的不同破坏模式条件下各剖面

4.2 成果参数选取

采用弹塑性本构模型，破坏准则采用摩尔－库仑破坏准则。Flac3D中材料参数分成3种，一组为变形参数，另一组为强度参数。

计算采用的岩体强度与变形参数指标，系根据岩石试验结果，并对某些指标进行适当修正而选定的，具体取值见表4和表5。断层与岩层间接触面的参数主要有法向刚度、切向刚度、内聚力、摩擦角、剪胀角和抗拉强度。接触面参数取值见表6。原岩初始应力场按岩体自重计算，将岩体物理力学参数输入后，运行模型计算得到初始应力场，如图3所示。

表4 岩体变形参数指标

表5 岩体强度参数指标

表6 接触面参数

图3 初始应力状态

4.3 计算结果

设定体系最大不平衡力与典型内力比值下限为10－5，迭代计算9 658步时，系统达到近似平衡。为便于分析，沿y轴方向，分别在y=90 m、y=270 m和y=450 m处切出3个典型剖面。下面就数值分析计算结果，从变形(位移)情况、应力情况以及塑性区分布情况3个方面来分析边坡岩土体的力学响应特性，以及可能的内在变形破坏机理。

(1)位移场规律分析计算结果。图4、图5和图6分别为边坡的整体位移云图、竖向位移云图和指向采场方向水平位移(以下简称水平位移)云图。从整体位移云图4来看，边坡整体位移量最大值为97 mm，发生在F17断层与F15断层切割体顶部。边坡位移量自上而下逐渐减小，西部边坡变形发展止于 +1 346 m平台，向东逐渐向下发展直至+1 230 m平台。+1 346 m平台和+1 230 m平台边坡坡脚位置位移量基本为零，表明边坡未发生整体性滑动。F24、F25断层破碎带于 +1 514～+1 458 m出露部分位移值相对较大。边坡坡形凸向采场部位位移量略大于两侧凹陷部分，表明侧向约束对边坡整体位移略有影响。边坡竖向位移云图5与边坡整体位移云图4相比较可知位移趋势较为相似，呈上大下小趋势。2图位移值较为接近，表明采场开挖后，边坡主要的运动形式为自重应力下的下沉。由竖向位移云图5可知，断层 F14、F17和F30之间的岩体由于断层的切割沿断层软弱面整体向下移动。由水平位移云图6可知坡面水平位移较大，向边坡深部越来越小。断层F30之后水平位移值很小，主要影响位置在断层 F14、F17和F30之间，断层F30之后水平位移值很小，不及坡面最大值的1/3。

图4 边坡整体位移云图

图5 边坡竖向位移云图

图6 边坡水平位移云图

(2)应力场规律分析计算结果。图7和图8分别为边坡的竖向应力和指向采场水平应力云图。从边坡应力云图7、图8来看应力值均为负值，表明边坡开挖卸荷并未出现明显的拉应力区基本上以压应力为主，即边坡若发生破坏，则以“压－剪”破坏模式为主。指向采场方向应力绝对值在+1 230 m平台以下明显大于+1 230 m以上边坡，表明开挖土体卸荷作用产生的回弹效应明显。

图7 边坡竖向应力

图8 边坡水平应力

(3)塑性区规律分布计算结果。图9为整体边坡塑性区域分布图。从剪切塑性屈服区域的分布可以看出，产生剪切破坏的单元零星出现分为两部分。第一部分处于边坡坡面以下一定深度的区域，表明边坡内部岩体的在高压应力作用下发生了剪切屈服;第二部分处于+1 290 m平台，表明这部分岩体受上部边坡位移的影响，发生了剪切屈服。图10、图11和图12分别为各剖面的塑性区域分布图。3个剖面中只有y=90 m剖面出现剪切屈服区域，剪切屈服区域零星出现，未形成贯通的塑性屈服带，边坡不会发生整体滑动。从各个剖面的塑性区分布来看，并未出现塑性区贯穿坡体的情况，边坡处于正常工作状态。

图9 整体边坡塑性区分布

图10 y=90 m剖面塑性区分布图

图11 y=270m剖面塑性区分布图

图12 y=450 m剖面塑性区分布图

综上极限平衡计算、Flac3D数值分析论证，得出主矿E1、D1、D2区的稳定边坡角如表7。

表7 稳定边坡角计算结果

5 结论

露天矿边坡工程是动态工程地质问题，随着采掘的推进，其应力应变会发生很大的变化，本研究就白云鄂博铁矿主矿露天采场南部边坡的稳定性，采用了极限平衡法计算、Flac3D软件数值分析论证。结果表明:南帮1－1'～7－7'剖面按不同破坏模式计算在3种工况下的安全系数都大于设定的安全系数最低限值，认为总体边坡稳定，稳定边坡角为E1区43°～44°、D1 区41°～44°、D2 区44°。

［1］ 包钢集团白云鄂博铁矿.白云鄂博铁矿主矿南帮2～9行深凹露采(1 230 m以上)边坡工程地质勘察及治理对策研究报告［R］.包头:包钢集团白云鄂博铁矿，2012.

［2］ 梅松华，盛 谦，李文秀.地表及岩体移动研究进展。岩石力学与工程学报［J］.2004，23(S1):4535-4538.

［3］ 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京:科学出版社，2002.