多岩性分布的露天采场边坡稳定性分析

赵 亮

(中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司, 湖南长沙 410000)

露天采场边坡的稳定性受多种因素影响, 例如：边坡高度、边坡角、岩土力学性质、岩体结构面等等, 其中边坡坡体岩性越复杂边坡稳定性越难以稳定, 尤其多种岩性中存在软硬互夹型边坡[1-3]。为了研究边坡坡体多岩性条件下的稳定性问题, 以具体矿山工程实例为依托开展了相关研究。

在露天采场边坡稳定性方面, 多位学者开展了相关研究工作。罗建林[4]以某露天采场凝灰岩岩质边坡为工程背景, 采用Geo-Slope及极限平衡法分析了边坡3个典型剖面的稳定性。马熹焱[5]以安家岭露天矿北帮为研究对象, 并开展了含弱层破碎带软弱结构不良地质条件下露天矿边坡变形和破坏规律的相似模型试验研究。孙世国[6]结合某露井联合开采工程实例, 采用有限元软件建立三维模型并通过有限差分法计算边坡体的位移与应力, 研究了多阶段露井联采对边坡稳定性的影响特点及其边坡位移应力分布状况。

矿山采用陡帮剥岩, 缓帮采矿, 设计台阶高度12m, 并段后高度24m, 最终台阶坡面角65°。露天采场岩性较多, 且各个岩性复杂交错, 影响边坡稳定性。采用Phase二维有限元模拟软件开展了边坡稳定性分析。

1 矿山地质

1.1 矿山岩性

矿区内岩脉发育, 主要有云斜煌斑岩脉、花岗闪长岩脉。岩脉规模较小, 长数米至数十米, 宽度不足1m至数米。岩脉长轴分布方向基本同矿区构造线一致, 岩脉一般呈不规则脉状与矿体伴生产出。

（1）云斜煌斑岩脉：灰黑色, 风化后呈黄绿色, 煌斑结构, 块状构造。斑晶有斜长石及角闪石, 约占10%左右。基质主要为斜长石, 占70%左右, 其次为黑云母、角闪石、石英、毒砂、榍石等。岩脉主要分布于6号矿带F3断裂破碎带内, 空间上基本与矿体平行相伴产出, 少量切割矿体。岩脉宽度一般1～10m, 长度在10m至逾百米, 延深一般在10～80m, 呈透镜状或扁豆状产出。

（2）花岗斑岩脉：浅肉红色、灰白色、风化面黄褐白色, 斑状结构, 斑晶为石英（21%）、角闪石（5%）、条纹长石（3%）及白云母（1%）, 粒度0.5～5mm, 呈浑圆状, 基质为正长石（62%）、黑云母（8%）、石英（2%）等, 粒度0.02～0.05mm。岩脉主要产出于26号矿带F29断裂破碎带内, 产状与破碎带一致, 呈东西向展布, 规模一般从宽1～20m, 长10～400m不等, 共圈出13条。

（3）闪长玢岩脉：灰白色, 斑状结构, 基质为细晶结构, 块状构造。斑晶为长石、黑云母、石英, 基质为更长石、角闪石、黑云母、白云母、绿泥石等。斑晶含量一般为1%～3%, 基质含量在95%以上。

闪长玢岩脉在矿区少见, 也有穿插矿体现象, 与矿体关系不甚密切。

（4）闪长岩脉：灰白色, 自型中—粗粒结构, 块状构造, 主要矿物成分：中长石、白云母、石英、黑云母, 次有少量绿泥石、金红石、黄铁矿。与矿体关系不密切。这种岩脉规模不大, 且不多见。

1.2 边坡岩性调查

（1）粉砂质板岩。该岩组岩体结构类型为薄层状结构, 板状构造, 靠近断层及其破碎带。节理方位较清晰, 根据现场调查共发育有三组节理, 主要发育节理产状为：①26°∠25°；②225°∠64°；③9°∠19°。

节理裂隙多为剪节理, 结构面较发育, 中—未风化, 结构面平直、光滑, 半闭合—闭合, 局部充填有少量泥质, 主要蚀变有硅化、碳酸盐化。节理间距3～23cm, 宽一般1～3mm, 平均节理间距8.47cm, 平均线节理密度为11.8条/m, 现场钻孔统计RQD平均值为32.0%。

（2）斑点状板岩。该岩组岩体结构类型为层状结构, 岩体完整性较好。节理方位清晰, 现场调查主要发育有两组节理, 主要发育节理产状为：①59°∠65°；②213°∠8°。

节理裂隙以剪节理为主, 中—未风化, 结构面平直、光滑, 半闭合—闭合, 局部充填有少量泥质, 主要蚀变有硅化、碳酸盐化。节理、裂隙较干燥, 节理间距10～18cm, 平均节理间距16.9cm, 平均线节理密度为5.9条/m, 现场钻孔统计RQD平均值为44%。

（3）构造角砾岩。该岩组岩体结构类型为碎裂—散体结构, 完整性极差。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级结构面均有发育, Ⅳ、Ⅴ级结构面呈无序状发育, 现场调查主要发现四组节理, 主要节理产状为：①318°∠64°；②153°∠27°；③270°∠16°；④64°∠68°。

节理间距小于6cm, 平均节理间距3.2cm, 平均线节理密度为31.3条/m, 现场钻孔统计RQD平均值为12%。

（4）花岗斑岩。该岩组岩体结构类型多为层状结构, 远离断裂破碎带。节理方位较清晰, 主要发育有三组节理加紊乱节理, 节理产状为：①243°∠41°；②157°∠75°；③317°∠46°。

节理间距5～20cm, 平均节理间距12.8cm, 平均线节理密度为7.8条/m, 现场钻孔统计RQD平均值为42%。

1.3 岩体力学参数

在露天采场选取了典型的岩样, 开展了各种岩性岩石力学参数试验, 得到了岩石力学参数。采用多种工程折减方法, 得到了各种岩性的岩体力学参数, 具体如表1所示。

表1 岩体力学参数

2 二维有限元分析

分析程序采用加拿大岩土工程分析软件Phase2 8.0版本, 开展了二维模型计算分析。剪应力模拟分析结果如图1～图3所示。边坡位移计算结果如图4～图6所示。

图1 剖面1剪应力计算结果云图

图3 剖面3剪应力计算结果云图

图4 剖面1位移计算结果云图

图6 剖面3位移计算结果云图

基于二维有限元数值模拟得到边坡最大剪应力情况, 最大剪应力出现在边坡坡脚处, 局部第四系土的位置会出现较大的剪切应力, 剪应力在68～122.5MPa, 主要与边坡高度, 且不同岩性条件有关。边坡安全系数最小为1.11, 满足规范要求, 说明边坡处于安全状态。

基于二维有限元数值模拟得到边坡位移变形情况, 最大位移值出现在边坡坡脚或坡顶处, 在0.3～ 0.85m之间, 局部第四系土的位置会出现较大的位移变化。

图2 剖面2剪应力计算结果云图

图5 剖面2位移计算结果云图

3 结论

露天采场岩性较多, 且各个岩性复杂交错, 影响边坡稳定性。采用Phase二维有限元模拟软件开展了边坡稳定性分析。经过分析总结后得到以下结论：

（1）边坡最大剪应力情况, 最大剪应力出现在边坡坡脚处, 局部第四系土的位置会出现较大的剪切应力。

（2）边坡安全系数最小为1.11, 满足规范要求, 说明边坡处于安全状态。

（3）边坡最大位移值出现在边坡坡脚或坡顶处, 局部第四系土的位置会出现较大的位移变化。