备战铁矿高海拔高寒边坡的稳定性分析

孟霖霖，陈庆发，吴仕伟，秦世康，张睿冲

(广西大学 资源环境与材料学院，南宁530004)

近年来，随着我国经济的快速发展，矿石需要量日益增加，因此露天矿山开采规模也逐步增多，但随之而来的露天矿边坡的稳定性问题越来越引起人们的关注。在露天矿开采活动中，由于开挖导致的露天矿山边坡滑坡是一种潜在的灾害，更是一种潜在的安全隐患。在矿山处于特别恶劣的赋存环境下，露天矿山边坡的岩体易受恶劣环境的影响产生滑动破坏，致使边坡稳定性下降，影响矿山生产安全的同时对矿山生产经济效益也会产生影响[1-5]。于是，对极端环境下露天矿边坡的稳定性进行分析研究，促进矿山安全有效生产的同时也带来很大的经济效益。

目前国内许多学者都对露天矿山边坡稳定性问题做了深入的研究，取得了一些成果。韩万东等[6]通过FLAC3D软件对露天矿边坡稳定性进行模拟研究，揭示了陕西省西湾露天矿工作端帮的破坏机理；白润才等[7]利用 FLAC3D软件对内蒙古某露天矿的矿山边坡进行了稳定性分析与研究；张保俊[8]运用FLAC3D软件研究了边坡的应力、应变变化规律；高玉坤等[9]通过对鹿鸣钼矿西-1区边坡的稳定性进行研究，得出该边坡的稳定性结论，同时优化其边坡角，提高了边坡的稳定性；贺续文等[10]通过采用离散元软件PFC2D对边坡岩石节理连通率进行数值模拟，得出边坡岩体节理连通率与边坡稳定性相关；徐卫亚等[11]通过计算边坡的模糊安全系数隶属度对边坡的稳定性进行分析；GUO等[12]基于FLAC3D对软岩边坡在开挖过程中的变形与稳定性进行了研究；ZHANG等[13]为了评价张拉破坏地震边坡稳定性的影响，采用FLAC3D对边坡进行剪切破坏和张拉破坏的数值模拟，研究了边坡失效机理和边坡岩体强度降低技术；TAN等[14]基于ANSYS软件，利用岩土体边坡的安全系数来评价边坡的稳定性；ZHANG等[15]研究了降雨入渗影响下的裂缝对岩体边坡稳定性的影响。

这些研究重点考虑了影响边坡稳定性的某一恶劣条件(如暴雪、降雨、地震等)，但没有考虑到多种因素影响边坡稳定性的情形[16]。备战铁矿由于处于新疆高海拔高寒地区，地质条件更加复杂，影响边坡稳定性因素更多。本文基于3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D多软件相结合，综合地质、开挖活动等影响因素对备战铁矿边坡稳定性进行综合分析，揭示备战铁矿边坡稳定性变化机理。

1 工程概况

研究区域位于备战铁矿矿区0～12勘探线间，矿区分露天采场与挂帮矿采场。矿体呈近东西展布，矿体厚度呈中间厚、四周薄的趋势。备战铁矿矿体厚度分布不均，厚度最大的区域在中部，均厚达122.49 m，最厚处可达294.99 m。而四周边缘矿体厚度最大为50 m，最小为20 m，均厚约36 m。矿体产状北倾，总体表现为上陡下缓，平均倾角53.5°。备战铁矿矿区地表共圈出矿体3个，即L1、L2、L3，其中L3矿体沿走向、倾向延深均大于1 000 m，厚度大，是矿区主矿体。

矿体顶板岩性以灰岩、矽卡岩为主，以闪长岩、大理岩为次。矿体顶板的岩石大多为软弱岩石，岩石较破碎，岩体质量属于劣等，岩体的完整性较差。矿体底板均为半坚硬岩石，岩体质量劣—中等，岩体完整性差—中等。

2 边坡稳定性数值模拟

2.1 边坡计算模型的建立

备战铁矿处于高海拔高寒地区，工程地质条件复杂，同时该矿山由于常年受到极寒天气下冻融作用的影响，开挖难度较大。为了既能减少工程量，又能反映备战铁矿边坡的稳定性特征，依据备战铁矿地质资料与现场实际情况，利用3DMine-Surfer-Rhino-ANSYS-FLAC3D等多软件相耦合构建备战铁矿矿山边坡计算模型，建模流程如图1所示。

图1 备战铁矿矿山边坡稳定性分析建模流程图Fig.1 Modeling flow chart for slope stability analysis of Beizhan iron mine

该建模方法以专业地质建模软件3DMine为基础，以Surfer软件和Rhino造型软件为依托，将所构建的地表、矿体、岩层和矿柱经过这些软件不同功能的联合及各种不同格式的转换，组合出ANSYS-Workbench中可识别的犀牛模型，借助ANSYS的强大建模能力，经过ANSYS-Workbench中Extrude、Slice和Boolean等功能完成模型构建，利用ANSYS-Workbench中的Mesh功能进行模型网格划分，之后将划分好的模型经过一系列的转换导入FLAC3D之中，完成建模过程，最后对FLAC3D中的矿山边坡模型进行稳定性模拟分析。

为了选取能够直观全面地表现出矿山边坡轮廓，并能更清晰地观察矿山的岩层和待采矿体的矿山剖面，以便对边坡稳定性进行系统分析，特选取矿山边坡模型中的Ⅰ-Ⅰ剖面作为代表性模型剖面进行稳定性模拟分析。备战铁矿矿山边坡模型Ⅰ-Ⅰ剖面图如图2所示。

图2 备战铁矿矿山边坡模型Ⅰ-Ⅰ剖面图(图例数字代表矿山边坡各岩层和待开挖的各矿柱)Fig.2 Mining slope model Ⅰ-Ⅰ section of Beizhan iron mine(The figure of the legend represents each rock layer of the mine slope and each pillar to be excavated)

2.2 初始参数的确定

1)边界条件

根据建立的矿山边坡三维模型和矿体开挖情况把边坡模型的水平方向施以固定约束，使水平位移为0；边坡模型的底部边界施加约束，使其水平和竖直位移均为0；模型顶部和边坡坡面不施加约束[17]。

2)边坡岩体物理力学参数

依据备战铁矿的工程地质条件，边坡岩体由上而下分别为灰岩、矽卡岩、大理岩。由于备战铁矿处于高寒高海拔地区，矿山边坡长期受到恶劣天气的影响，其力学性质会发生一定的变化。根据工程经验对不同岩层边坡岩体的体积模量、剪切模量、黏聚力、抗拉强度等实验数据进行折减，不同岩层所得折减系数不同，灰岩的折减系数取0.75，矽卡岩取0.89，大理岩取0.81。

根据库伦定律，岩体的抗剪强度可表达为：

τ=c+σ·tanφ

式中：τ—岩体的抗剪强度，MPa，由岩体的内摩擦角φ和岩体来确定[18-19]。

通过查阅地质资料，得到了各岩体的内摩擦角φ和黏聚力c的值，尽可能地避免开采扰动对岩体内部结构的破坏，确保岩体物理力学参数的准确性。折减后的边坡岩体物理力学参数如表1所示。

表1 矿体开挖边坡岩体物理力学参数表

根据折减后的边坡岩体物理力学参数，通过应用FLAC3D软件，对备战铁矿矿体开挖过程中矿山边坡的塑性区、位移、应力等内容进行数值模拟，分别产生边坡塑性区分布云图、位移分布云图、应力分布云图，进而分析这些云图的特征，深入了解边坡潜在滑动面，对边坡稳定性进行综合分析，从而为矿体开挖活动做好防护措施。

2.3 边坡稳定性数值分析

1)边坡塑性区分析

图3为所研究的备战铁矿边坡塑性区分布云图。由图3可知，矿山边坡塑性区产生的区域大小与矿体的开挖状况有关。矿体开挖过程中，边坡绝大部分区域没有塑性区产生，处于稳定状态。边坡东帮顶部区域由于常年裸露在高海拔高寒地区之中，岩体受到风吹日晒，该区域部分岩体发生破碎，且有塑性区产生，边坡发生剪应力屈服。因此，边坡东帮顶部区域边坡有一定的失稳趋势。矿体开挖区域附近由于受到开挖活动影响明显有塑性区产生，且呈现为剪应力屈服，此处岩体发生剪切破坏，产生应力集中。该区域附近边坡并没有产生塑性区，进而没有产生应力集中，边坡处于稳定状态，很难发生失稳现象。

图3 边坡塑性区分布云图Fig.3 Cloud map of plastic zone of slope

2)边坡位移分析

图4～6为矿山边坡X方向位移云图、Y方向位移云图和Z方向位移云图，从边坡不同方向共同展现矿山边坡变形机理。

图4 边坡X方向位移云图Fig.4 Slope displacement cloud image in the X direction

图5 边坡Y方向位移云图Fig.5 Slope displacement cloud image in the Y direction

由图4、5可知，在矿体开挖后，受开挖活动影响，边坡底部X和Y方向位移发生明显变化，Z方向位移由于边坡受自重力和开挖的双重作用，位移变化也较为明显。X方向上，西帮边坡往东发生移动，最大变化量为10 mm，东帮边坡往西发生移动，最大变化量为16 mm；Y方向上，边坡位移最大变化量为13.5 mm；Z方向上，边坡由于重力作用和开挖影响，发生坡体沉降，最大变化量为92 mm。而边坡中部和顶部位移发生轻微变化，此位移变化量对边坡稳定性影响不太显著。

图6 边坡Z方向位移云图Fig.6 Slope displacement cloud image in the Z direction

综合来看，由于边坡底部水平位移最大变化量为16 mm，竖直位移最大变化量为92 mm，边坡底部边坡稳定性不是很好，边坡处于轻微的失稳状态。

3)边坡应力分析

图7、8分别为矿山边坡的X和Z方向应力分布云图，共同展现出开挖活动中矿山边坡产生形变和损伤的规律及状态。

图7 边坡X方向应力云图Fig.7 Slope stress cloud image in the X direction

由图7可知，边坡应力分布云图中表现为拉压力的区域数值为正，表现为压应力的区域数值为负。受开挖活动影响，边坡的水平应力在泊松效应作用下沿着边坡按照从上到下的趋势依次递增，在边坡底部达到最大值4.0×106MPa。由于水平应力在一定程度内与矿体赋存深度呈正相关趋势，水平压应力从上到下随埋深的增加而增加，受力分布均匀，只是在边坡底部处出现应力集中。因此，边坡底部易出现挤压破坏，从而使边坡底部岩层被挤出。

由图8可知，边坡岩体在受自重力影响时，也受到矿体开挖活动的影响，由此导致边坡竖直应力随埋深逐渐增大，最大值为2.3×107MPa。而对于所研究的边坡区域来说，位于边坡底部的竖直应力达到最大值4.0×106MPa，从而会致使边坡底部区域产生应力集中现象。因此，边坡底部的稳定性将会变得较差，底部边坡发生失稳现象。

图8 边坡Z方向应力云图Fig.8 Slope stress cloud image in the Z direction

3 结论

通过运用FLAC3D软件对备战铁矿边坡进行数值模拟，从边坡塑性区、应力分布特征、位移分布特征方面研究开挖过程中边坡的稳定性状况，得出如下结论：

1)矿体开挖活动中边坡东帮顶部区域岩体发生破碎，有塑性区产生，边坡在此区域发生剪应力屈服，此处边坡有一定的失稳趋势，而边坡其他区域无塑性区产生，边坡处于稳定状态。

2)边坡顶部和中部位移变化不大，此处边坡处于稳定状态，而边坡底部受开挖活动和岩体自重力的影响，水平位移最大变化量为16 mm，竖直位移最大变化量为92 mm，边坡底部稳定性较差，处于失稳状态。

3)边坡水平应力沿边坡从上到下依次递增，到底部达到最大值，边坡底部出现应力集中，从而出现挤压破坏，使边坡底部岩层被挤出，致使矿山边坡稳定性发生变化。同时，边坡竖直应力在开挖活动和自重力的影响下，底部应力最大，边坡底部产生应力集中现象，边坡岩体发生失稳现象。