基于Geo-Studio的露天采场边坡稳定性研究

杜志锦,黄 宁,苏 杰,张茂微,邵金虎,张晓悟

(1.国家能源集团神东煤炭集团,内蒙古 鄂尔多斯,017000)

(2.中钢集团武汉安全环保研究院,湖北 武汉,430080)

(3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏 徐州,221100)

0 引 言

露天采场边坡的稳定性对于露天矿的安全开采至关重要,影响着矿山的经济效益甚至威胁着工作人员的生命财产安全。我国约有矿山 11 万余座,其中40%的非煤矿山露天采场边坡存在稳定性安全隐患,对矿山的正常生产造成极大的困扰[1]。

边坡滑坡、垮塌作为露天采场面临的主要地质灾害[2],诸多学者针对边坡滑坡机理及防治手段展开了大量研究,冯忠居等[3]针对公路土质边坡的滑坡成因及类型提出了抗滑桩预应力锚索+坡面框架锚索的加固方案,汪军辉等[4-5]基于传递系数法和FLAC3D数值模拟对山体滑坡的天然状态和饱和状态下的稳定性进行了评估分析,提出了削坡法和布设抗滑桩法两种防治措施。

为深入研究边露天采场、尾矿库坝体、排土场坝体边坡滑移的作用机理和破坏模式,灰色理论、模糊数学、BP神经网络和Logistic回归模型等计算手段在边坡稳定性预测分析过程中逐渐被人熟知[6-9],FLAC3D、迈达斯GTSNX、Geo-Studio、UDEC等数值计算软件被相继应用于工程实践中[10-11]。其中Geo-Studio数值计算软件包含边坡稳定性分析、渗流场分析等8个专业模块,能够有效的对复杂地质工程和复杂水文地质条件的三维场流、地应力传递、边坡滑移进行分析[12]。HH-Slope/W专业模块运用极限平衡理论可对不同土体类型、杂乱地层和滑移面形状的边坡中的孔隙水压力散布状况进行精确建模剖析[13]。

根据上述介绍,露天采场边坡根据地质条件、环境因素和开采状况的不同,其发生滑移、坍塌的作用机理、防治措施和研究方式均不相同。本文通过采用数值模拟软件Geo-Studio中的HH-Slope/W专业模块对石港矿区在正常采动、爆破振动和爆破振动+地震力耦合作用等3种不同工况条件下的2个典型边坡剖面进行稳定性分析,为矿山的安全开采提供理论依据。

1 工程概况

石港矿区为低山区地貌,本区最低侵蚀基准面标高+175 m,开采最低标高+260 m。岩体类型简单,以碳酸盐岩类为主,各边坡面均无大构造断裂面穿过。采场设计生产台阶高度为15 m,开采境界内有+365 m、+350 m、+335 m、+320 m、+305 m、+290 m、+275 m、+260 m等8个生产台阶开采,最终台阶坡面角65°,安全平台宽度为5 m,清扫平台宽度8 m,每2个台阶设1个清扫平台,最终边坡角为49°。现主采水平为+290 m水平,开采境界和现状分别如图1、图2所示。

图1 开采境界

图2 开采现状

2 边坡岩体力学指标

露天采场矿石为块状构造石灰岩,以块状灰岩和白云质灰岩为主,质坚性脆,普氏系数为4～5。通过现场取样和实验室力学试验,得出矿石物理性能参数如表1所示。

表1 岩石力学性能指标

3 边坡分区及破坏模式

3.1 露天采场边坡分区

经过现场调研发现露天采场东侧边坡开采安全平台和清扫平台均已形成,坡度角较大,西侧边坡平台上开采废石堆积,坡度角较平缓。根据开采现状和地质条件将露天采场边坡划分为东、西两个分区,其中西区剖面线为A-A,东区剖面线为B-B,以东、西区边坡A-A线和B-B线作为最典型剖面,边坡剖面如图3所示。

图3 东、西区典型剖面图

3.2 东西区边坡破坏模式分析

东区边坡剖面坡顶为+380 m安全平台,坡底为+260 m终了平台。矿层(体)为灰岩,属半坚硬—坚硬的薄层—厚层状弱岩溶化的灰岩工程地质岩组,结构致密、坚硬、力学强度高,结构面不发育,以层面为主,层间结合力强,边坡节理、裂隙不发育。

西区边坡剖面坡顶为+320 m安全平台,坡底为+260 m终了平台。所处岩组为以碳酸盐岩为主的坚硬岩组,岩性为白云质灰岩,局部浅灰灰岩。矿岩层节理、层理较发育,倾角较大,构成顺层滑动的条件。结合矿区的边坡结构类型和边坡破坏类型划分方法,确定石港矿区东、西分区边坡结构类型和破坏模式如表2所示。

表2 露天采场东、西分区边坡破坏模式

4 数值计算分析

4.1 数值计算方法及工况

根据上述的边坡地质结构为层状岩体边坡,潜在破坏模式为圆弧形复合破坏,因此确定采用简化毕肖普法和摩根斯坦-普莱斯法对其稳定性进行计算分析,其中毕肖普法考虑力矩平衡和垂直力平衡,垂直分条间传递方式不明显,理论计算如式(1)所示。

(1)

式中：αi—土条底部的坡角;mαi—土条自重;bi—土条宽度;Wi—土条自重;Qi—水平作用力;ui—土条底部的孔隙水压力;R—滑弧的半径;ei—土条水平作用力对滑弧圆心的力臂;ci′—土条底部的土体的有效粘聚力;φi′—土条底部的土体的有效内摩擦角;Fs—滑面的安全系数。

摩根斯坦-普莱斯法认为滑移面可为任何形状,计算假定条块的侧向剪应力V和法向切应力E之间存在一个可用横坐标表达的函数关系,如公式(2)所示。

(2)

式中：V—侧向剪应力;E—法向切应力;λ—任意选取的常数;f(x)—任意选取的函数,计算时取f(x)=1;β—土条侧面作用力与水平方向的夹角。

采用边坡稳定分析系统Slope/W模块对露天矿边坡分别按在3种不同工况荷载条件下的边坡稳定性进行计算,3种荷载组合分别为： 荷载组合 Ⅰ ：自重+地下水; 荷载组合 Ⅱ ：自重+地下水+爆破振动力; 荷载组合 Ⅲ ：自重+地下水+地震力。

4.2 数值计算结果分析

根据开采现状平面图中西区A-A和东区B-B剖面线的各点高程,绘出东、西区计算剖面,进而建立计算模型,模型共有1 862个网格、1 608个节点。在3种不同的组合荷载作用下,采用简化毕肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普莱斯法(Morgens-price)对东区B-B剖面边坡稳定性计算,计算结果如图4所示。图实比例尺1∶5。

图4 东区B-B剖面稳定性计算

根据图4计算出的安全系数显示,最小的安全系数是Morgensern-price法在组合荷载Ⅲ条件下的计算结果,安全系数为1.217。通过对单一方法的计算结果进行纵向对比发现,随着组合荷载的增大,边坡最危险滑移面逐步向深处推进。

针对西区A-A剖面的边坡,同样采用简化毕肖普法(Bishop)和摩根斯坦-普莱斯法(Morgensern-price)计算其在3种工况下的边坡滑移状态,计算结果如图5所示。图实比例尺1∶5。

图5 西区A-A剖面稳定性计算

由图5的计算结果分析,当采用Morgensern-price法在组合荷载 Ⅲ(爆破震动+地震作用)条件计算时,西区A-A剖面的安全系数最小,安全系数为1.078。通过对比单一计算方法在不同荷载情况下安全系数变化情况可以看出,最危险滑移面随着组合荷载的增大变化不明显,安全稳定系数变化不大。3种工况荷载条件下的安全系数计算结果如表3所示。

表3 东西分区安全系数计算结果

综上所述,东、西区边坡剖面计算的安全系数,如表3所示,其中最小安全系数为1.078,满足规范要求,边坡稳定性较高。

5 结 论

本文在现场调研和广泛收集资料的基础上,分析了石港矿区露天采场的现有边坡情况,通过Geo-Studio数值计算对露天采场边坡在3种不同荷载条件下的稳定性进行计算分析,得出如下结论：

(1)石港矿区东、西分区采场边坡的在不同计算方式、不同工况条件下的最小安全系数分别为1.217和1.078,均满足相关规范要求,边坡稳定可靠。

(2)通过采用控制变量法,对东、西分区的计算结果进行对比分析发现,最危险滑移面的变化随着台阶数量、边坡高度的增加而愈加明显,安全滑移面数量逐步增加,安全稳定系数逐步降低。