可靠度理论下矿山法开挖的稳定性分析

杨胜勇

摘要：分析可靠度理论下矿山法开挖的稳定性，以某矿场为研究对象，采用蒙特卡洛分析法对应用矿山法开挖的矿场边坡进行可靠性分析，得出稳定性相关指标，试验验证了该方法具有较好的应用效果。

关键词：可靠度理论；矿山法；开挖；稳定性分析

0   引言

决定矿山法施工的核心影响因素是施工开挖表面的稳定性，即周边围岩施工后的动态，如围岩稳定性差则无法施工[1]。矿山法挖掘施工的常规模式为“先挖后支”，即在挖掘进尺至一定程度后再进行巷道围岩支撑，以保证挖掘工作面的稳定性。挖掘断面与进尺之间呈反比例关系[2]，断面越大则进尺也越小，而在实际施工过程中，对挖掘进尺则主要采用经验判断[3]，这种方法具有一定的局限性。本文以某矿场为研究对象，采用蒙特卡洛分析法对应用矿山法开挖的矿场边坡进行可靠性分析，得出稳定性相关指标，

1   礦山法开挖的稳定性影响因素

1.1   岩体的物理力学性质与结构特征

质地较为坚硬的岩体通常具有较高的抗水性与抗风化性[4]，可较好地防止出现滑坡现象。若岩体的岩性较弱，则发生滑坡的可能性较大。岩体的结构包括结构体与基本单元，通常分为层状、散体、块状以及碎裂4种结构。岩层稳定性与其倾斜度存在正向关系，对施工岩体进行可靠性分析，需要先掌握岩体的结构面特征与结构类型。

1.2   地下水赋存情况

在矿山法施工过程中，工程稳定性可能受到地下水的影响，具体体现在岩体被侵蚀、软化，导致其结构被破坏，力学性质下降，同时还会导致岩体含水量增加，从而提升容重。受地表水与地下水的影响，岩体抗剪强度下降，极易出现滑坡情况。

1.3   人为因素

人为因素也是影响矿山法开挖稳定性重要因素之一。如在修改工程开挖角度时，忽略具体的岩体结构特征，削除岩性较弱的部分形成空洞，则易导致岩体变形。若在施工时忽略工序，造成坡脚与坡顶的开挖速度不一致，则容易导致倒坡。

2   可靠度理论

可靠度分析方法主要包括可靠指标法、统计矩阵法、蒙特卡洛法等。其中，蒙特卡洛分析法也叫做随机模拟法，主要运用于在满足假设的前提下研究随机变量概率分布形式的变化情况，准确性很好。蒙特卡洛法因计算过程简便、限制因素较少等特征受到了广泛应用。本文采用蒙特卡洛法分析矿山法开挖的稳定性。

3   矿山法开挖稳定性分析

3.1   工程概况

3.1.1   工程基本情况

某矿区面积较大且位于丘陵与山地地貌之间，年开挖量高达7000万t，开挖面积超过5km2，设计矿区的上口尺寸为2500m×3000cm，极大、极小台阶标高分别为500m、-250m，边坡高度大于600m。该矿藏开挖区域地势较高，岩体较多，主要为山区，当前已开挖至地下150m，下方含有大量矿藏，开挖过程中存在边坡延伸，具有较大的稳定性威胁，岩质边坡的整体危险系数较高。

3.1.2   土层状况

通过实际勘察采样获取岩土力学参数，具体结果见表1。

3.2   初期支护设计

矿山法施工时，根据所穿越地层的围岩等级设计支护断面。其中ⅱ-ⅲ类、ⅳ类、ⅴ类属围岩类型的主要支护方式。依次采用“砂浆锚杆+钢筋网+混凝土”、“砂浆锚杆+钢拱架+钢筋网+混凝土”、“超前小导管+砂浆锚杆+钢拱架+钢筋网+混凝土”等施工工艺进行施工。在完成初期支护设计后，按照围岩级别设计不同厚度的内衬，并回填、固结灌浆浇筑内衬，以减晓围岩变形与不规则沉降。矿山法开挖各断面初期支护参数具体见表2。

3.3   开挖方法

基于围岩级别与开挖断面尺寸，可将矿山法开挖分为全断面开挖、中隔壁法等。ⅱ-ⅲ类围岩较为稳定，不会发生塌方掉块，且断面尺寸小，可选择全断面开挖法。结合凿岩台架与手风钻钻孔，采用光面爆破，要求循环进尺小于3m。开挖后通过喷、锚、网共同支护。采用非电毫秒级雷管起爆，一次爆破开挖成型，结合挖掘机与装载机扒渣、装渣，利用自卸车出渣。

ⅳ类围岩应用台阶开挖法，上、下台阶之间距离为4m，开挖后喷厚度为5cm的混凝土，然后打锚挂网。在上台阶设计钢拱架并喷10cm厚的混凝土。同理进行下台阶开挖支护，完成初期支护封闭成环。

ⅴ类围岩一般应用环形开挖预留核心土开挖法。划分断面为环形拱部、上部核心土以及下部台阶，开挖进尺范围为0.5～1m。开挖前通过超前小导管预支护，环形拱部开挖后展开初期支护，通过核心土和下台阶开挖实现支护封闭成环。

3.4   边坡稳定性分析

利用蒙特卡洛法分析矿石法开挖研究区域的边坡稳定性，通过ANSYS软件构建仿真环境，设定自然和饱水两种工况，经模拟计算获得边坡稳定性数据，具体结果见表3。

从表3中能够看出：自然状况下研究区域的平均稳定系数大于1，存在30.98%的破坏概率；在饱水状态下，破坏概率为100%，属于一定会发生破坏的边坡类型。对比两种工况模拟计算结果，饱水状态下的破坏率严重高于自然状态下的破坏概率，说明水分的增加严重影响研究区域边坡的稳定性。

自然、饱水工况下，模拟计算的稳定性系数分布直方图结果见图1。分析图1能够看出，自然、饱水工况下，经模拟计算获得的稳定性系数呈现正态分布状态，最大和最小稳定系数在两侧分布，所占份额较小，中间位置集中平均稳定系数，分布形式接近稳定性分布规律。

3.5   外部影响下岩土边坡稳定性分析

3.5.1   岩土边坡稳定安全系数变化

内排压脚技术是一种常用的边坡稳定维持技术，基于该技术，分析不同内排压脚跟踪距离、深部开挖角度等因素，对矿石法开挖过程中岩土边坡稳定性的影响。岩土边坡的稳定安全系数变化情况见图2。

通过图2可以看出，深度开挖角越小，矿石法开挖的边坡稳定安全系数越小，岩土边坡越缺乏安全性；若深部开挖角较大，即使内排跟踪距离较大，边坡表层也不会出现明显的失稳现象。所以需要在实际施工时，控制矿石法开挖的角度，确保岩土边坡不失稳。

不同跟踪距离均会随着深部开挖角的增大而增大，内排跟踪距离越大，岩土边坡的稳定性越差，所以矿石法开挖过程中，需要注重开挖角度与内排跟踪距离等控制因素的设定。

3.5.2   坡脚倾斜度与边坡安全系数关系

矿石法开挖过程中，边坡坡脚倾斜度大小也会影响其稳定性。弱面倾角为75?、边坡高度不变条件下，坡脚倾斜度变化对边坡稳定性的关系如图3所示。

通过图3可以明显看出，顺、倾向边坡安全系数均跟随坡脚倾斜度的增大而逐渐降低，但顺倾向边坡安全系数略高于反倾向边坡安全系数。坡脚倾斜度越高，边坡的安全系数越低。邊坡稳定性受坡脚倾斜度影响，坡脚倾斜度过高易导致岩质边坡失稳。

4   结束语

本文以某矿场为研究对象，采用蒙特卡洛分析法对应用矿山法开挖的矿场边坡进行可靠性分析，得出稳定性相关指标。试验验证了该方法具有较好的应用效果。本方法简便易行，所得结果较为可靠，具有较高的安全性，相关成果可为相关人员提供参考。

参考文献

[1] 李博平，武军，张笈玮，等.考虑未支护段的矿山法隧道开挖面稳定性研究[J].施工技术，2018，47（10）：105-108.

[2] 赵慧龙，宋战平，王军保.某矿山法施工隧道下穿公路数值模拟分析[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：340-346.

[3] 郑涛，孙捷城，王国富.地铁隧道矿山法施工事故风险分析与评价[J].铁道科学与工程学报，2018，15（5）：1356-1362.

[4] 晋婉晴，陈洁金，胡敏.不同开挖方法下炭质板岩隧道围岩稳定性及结构可靠度分析[J].公路与汽运，2021（4）：170-174+179.