大型露天矿山采场边坡安全分析与对策

文/龚新华 侯强某

本文借助FLAC3D数值模拟分析软件，通过建立大型露天矿山采场边坡的概化模型，来研究该边坡在不同开采阶段的应力应变问题，并提出维护边坡安全、稳定的建议措施。

矿山边坡在开挖过程中将引发周边岩体的应力重新分布，并伴随一定的位移。分析边坡因开挖引起周边岩体的应力、位移变化规律，有助于准确判断边坡在开挖后的稳定与否。但传统的经验分析及理论计算难以真实反应应力及位移的连续性变化过程，而计算机模拟软件能够很好地监测岩体在开挖过程中的应力、位移以及其他一些物理量的变化过程。

目前计算机模拟技术已经在岩土工程领域得到了广泛的应用，也出现了很多研究方法和模拟软件，最具代表性的研究方法和软件包括：以FLAC3D软件为代表的有限差分法、以和ANSYS为代表的有限单元法、以Examine3D为代表的边界元法等。

本文采用以FLAC3D为代表的有限差分法，来研究矿山边坡在开挖过程中有关应力、位移及安全稳定性等问题。

建立边坡模型进行分析

建立边坡模型

根据矿山地质剖面图，结合初步设计的开采境界，在充分考虑边坡总高度及最终边帮角的基础上，选取设计的最终境界中某剖面作为本次分析的边坡对象来建立数值模拟模型（图1）。

模拟的开挖范围为现状边坡至最终开采境界之间的区域，沿矿体走向长100 m，因此建立沿X走向长100 m、沿Y倾向长350 m、Z竖直方向从+840 m水平标高至地表的模型。模拟开挖的边坡模型如图1所示。

模拟开挖及监测方案

初步设计采用的开采方式为自上而下分台阶开采，每一台阶高度为10 m。由于矿山开采深度较深，开采台阶数量较多，如果每一台阶开采都进行模拟，模拟步骤繁琐、费时，且开挖步骤分得太细，对模拟结果也无益。因此本次模拟在充分考虑矿山开采实际并保证模拟准确性的基础上，简化为两步骤的开挖方案：以+950 m水平标高为界：+950 m标高以上为第一步骤开挖、+950 m标高至+900 m标高为第二步骤开挖。

为了真实反映边坡岩体的位移在开挖扰动下随时间变化的非线性动态过程，分别在+1 164 m台阶标高、+1 090 m台阶标高、+1 010 m台阶标高及+950 m标高台阶上布置监测点K01～K04，开挖扰动过程中的位移为动态位移。

图1 模拟开挖的边坡模型

数值模拟参数及约束条件

开挖模型所涉及的岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数表

模型边界条件受位移约束，即模型在X方向上的两端(x=0 m、100 m)分别在X方向上固定；在Y方向上的两端(Y=0 m、350 m)分别在Y方向上固定；底部在Z=850 m处沿垂直方向固定；顶部设为自由边界。模型岩性按弹塑性体材料考虑，适用于摩尔—库伦准则（当剪切面上的剪应力与正应力之比达到最大时，材料发生屈服于破坏）。

初始应力场生成

模型开挖之前形成的原始地应力场对开挖的边坡稳定性影响至关重要，因此有必要在边坡开挖模拟之前使模型在原始应力状态下达到平衡，尽量使得边坡的开挖模拟接近于实际情况。本模型采用弹塑性求解法生成的原始地应力场，在模型生成原始地应力场后即可根据上述分析对模型进行两步骤开挖。

模拟结果分析

通过对模型实施两个步骤的开挖，得到了大量的信息及数据。下面分别以最大不平衡力、监测点位移变化曲线、模型最大主应力值以及绝对位移值等4个方面分别分析上述边坡在开挖后的安全稳定性。

模型的最大不平衡力变化曲线

本次模拟的边坡共分为两步骤开挖，从监测点监测到的最大不平衡力变化见图2，从中可以看出，模型最大不平衡力共出现了2个峰值，随后从峰值回落，逐渐减小并最终趋近于0。说明每次模型开挖都引起了周边围岩应力重新分布，使模型从平衡状态转为不平衡状态，随着时间的推移，不平衡力逐渐分散到周边岩体中去，最终整体模型又达到一个新的应力平衡状态。

图2 监测点最大不平衡力变化曲线图

图3 监测点位移随不同开挖步骤的变化曲线图

图4 一步骤开挖后模型最大主应力图

图5 二步骤开挖后模型最大主应力图

图6 一步骤开挖后模型绝对位移图

图7 二步骤开挖后模型绝对位移图

监测点位移变化曲线

从设置的4个监测点所监测到的位移随开挖过程的变化曲线（见图3）中可以看出，模型在刚开挖后位移有一个剧烈变化的过程，此时段对应的模型最大不平衡力也达到峰值。随后位移也逐渐趋于平缓，最终位移为两步骤开挖后的累积位移，说明整体模型达到了稳定平衡状态。但模型累积位移不大，均在厘米级，最大的1号监测点累积位移为2.0 cm左右，说明边坡开挖后未产生大规模滑移破坏。

模型的最大主应力

如图4、5所示，选取模型的最大主应力（Smax）作为分析指标，从两步骤开挖方案模拟情况来看，模型整体的最大主应力（Smax）呈现逐渐增大的趋势，从一步骤开挖后的0.096 MPa增大至二步骤开挖后的0.528 MPa。受开采扰动的影响边坡开挖面附近形成了较大的集中应力，坡顶表现为拉应力，岩体承受了较大的拉力，坡脚表现为压应力，容易在该区域形成拉裂破坏区，实际生产中应引起足够的重视。

模型的绝对位移

如图6、7所示，选取模型的绝对位移（Disp）作为分析指标，从两步骤开挖方案模拟情况来看，开挖引起的岩体位移最大值主要集中在开挖区域的边坡坡顶和坡脚，边坡岩体的变形在坡顶和坡脚处位移最大，从坡面向坡内侧位移逐渐减小，但总体模型的位移值均较小。说明边坡开挖后未产生大规模滑移破坏。

分析结论及建议

上述模型模拟计算得到的结果说明边坡开挖后处于稳定状态，监测点未发生较大位移，但是因受到开挖扰动的影响，开挖区的坡顶、坡脚均存在应力集中的现象，且本次模拟未考虑软弱结构面及爆破震动对于边坡岩体局部破坏的影响，边坡实际情况可能比模拟结果更复杂。

因此，实际开采过程还应该充分重视对边坡的安全保护，尽量减低爆破对边坡的扰动影响，并及时处理采场上部的陡岩、危岩，加强采场境界外的截、排水工作，必要时可在局部岩体破碎地段采取相应的加固方法，如锚固、注浆等，确保边坡稳定。