露天矿高陡边坡岩体参数获取与稳定性评价方法研究

张志辉, 康景宇, 庞鑫, 周春梅, 夏禄清, 杜文杰, 付晓东,*

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院, 武汉 430074; 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071; 3.攀钢集团矿业有限公司, 攀枝花 617000)

矿产资源是人类社会生产发展的重要物质基础,也是国民经济的基础保障。露天开采是获取矿产资源的主要形式[1-3]。目前,中国大中型露天矿山数量众多且规模庞大,其边坡的最终设计高度通常在400 m以上。随着矿区的不断开采,边坡坡脚高程逐渐降低,使得露天矿区逐渐形成高陡边坡[4]。高陡边坡的形成使得岩体参数较难获取,且导致矿区的稳定性逐渐降低,而边坡的稳定性关乎矿区生产的安全,因此高陡边坡岩体参数的确定和稳定性的评价显得尤为重要。

获得岩体的力学参数对岩质边坡的稳定性分析有着重要的意义,如何可靠的获取岩体的力学参数,一直是岩体力学界研究的重要课题[5-6]。由于岩体参数由室内实验得到的岩石参数与结构面发育程度共同决定,因此许多学者采用野外调查和室内实验相结合来确定岩体的参数。谭维佳等[7]根据野外实地调查和室内实验结果,采用岩石力学分类(rock mass classification,RMR),获取了用于边坡稳定性计算分析的摩尔库伦模型基本参数。何怡等[8]根据岩体野外现场调查资料和室内岩石试验,结合Hoek-Brown强度准则,使用所探讨的岩体体积节理数确定方法获取了数值计算所用的岩体力学参数。由于高陡边坡的结构面人工统计难,因此对高陡边坡进行实地勘察并不现实。针对以上缺点,采用非接触方式无人机摄影测量技术来统计结构面的发育程度,结合室内力学实验结果进行《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)评价,最终得到岩体力学参数。

露天矿边坡稳定性评价是矿区安全生产的关键,中外学者对此方面开展了广泛的研究。林江宇等[9]、杜忠原等[10]对降雨条件下的高边坡进行了稳定性评价。黄润秋[11]在西南地区工程实践的基础上,通过建立岩石高边坡在卸荷条件下的变形破坏演化动力过程的三阶段模式,提出了不同演化阶段岩石边坡变形破坏的发育特征及稳定性意义。贺可强等[12]对不同稳定性演化阶段下的堆积层边坡的变形性质、位移矢量角的形成作用机制进行深入研究,总结了在不同演化阶段下的位移矢量角的变化规律。曹平等[13]使用突变理论对土质边坡的稳定性进行研究,论述了稳定型边坡等3种典型边坡的演化路径,同时得出边坡的孕育是一个复杂的非线性演化过程。黄志全[14]运用非线性理论的相关理论和方法,建立了边坡演化的分岔模型,通过数值模拟、线性稳定性分析对边坡稳定性演化趋势进行了理论研究。以上学者对边坡的稳定性评价主要是针对现状边坡,由于露天矿边坡在不断的向下开采,其稳定性随着矿区开采不断发生变化,如何对该过程的稳定性进行评价目前研究不足。

鉴于此,在得到的岩体参数的基础上,通过有限单元法分析了不同开采步的塑性区和位移变化情况,从而揭示了边坡在整个深部开采过程中的动态演化规律。通过极限平衡法计算得到边坡不同开采步安全系数的变化规律,并给出相应的加固措施,最后采用塑性区稳定性评价方法对边坡加固前后的稳定性进行评价。研究成果可为露天矿高陡边坡岩体参数取值和稳定性评价提供参考。

1 工程背景与分析模型

攀枝花某露天铁矿占地总面积大,矿区内岩性、断层、节理分布各异,地质条件十分复杂,且在长期开挖作用下形成了多个高陡边坡,坡角为46°～52°,最大高度超过500 m,对边坡的长期稳定性和矿区的安全生产造成了潜在的威胁。

为评估矿区高陡边坡的稳定性,选取矿区SS4剖面进行开挖稳定性演化特征分析,如图1(b)所示。该剖面主要由铁矿石、细粒辉长岩、断层构成,岩体破碎存在多条顺坡向的小型断层和与边坡近于直交的矿区性断层,易组合形成不稳定楔形体。顺坡向断层与隐伏节理面组合形成危岩体,在开挖卸荷作用下发生松弛和应力改变,易产生滑坡破坏,如图1(c)所示。

图1 研究区域概况Fig.1 Overview of the study area

典型露天矿高陡边坡的地质剖面如图2所示,根据矿山的实际生产需求,对1 175 m高程至1 000 m高程处的岩体从上至下进行开挖,每15 m一个台阶。通过Geostudio软件建立矿区开采数值模型(图3)。SS4剖面分12层进行开挖,从上至下依次开采至+1 150、+1 135、+1 120、+1 105、+1 090、+1 075、+1 060、+1 045、+1 033、+1 030、+1 015、+1 000 m,对每个阶段开采步骤进行计算分析。

图2 SS4地质剖面Fig.2 SS4 Geological profile

step1～step12代表铁矿区待开挖的区域,根据开挖先 后顺序从step1依次排序到step12

2 基于非接触测量和室内实验的岩体参数取值

非接触无人机摄影测量技术利用无人机搭载传感器采集高分辨率影像和地表数据,实现精确的地表测量和制图,它具有高精度、成本效益、安全性等优势,可生成数字表面模型和数字高程模型,快速数据处理,适用于多种应用。岩体参数由室内试验得到的岩石参数与结构面发育程度共同决定,对于岩石参数可采用室内实验获取,而由于高陡边坡的结构面人工统计难,所以采用无人机摄影测量技术,获取研究区域的三维模型,并利用Shape MetriX软件统计结构面的分布情况。根据这两部分得到的数据,采用《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)进行岩体质量分级,并给出边坡岩体强度力学参数建议值。

2.1 室内试验

针对研究区分布的两类典型岩石—铁矿石和细粒辉长岩,采用RMT-401岩石力学试验系统(图4)进行岩石单轴试验,该系统可以实施全过程控制和记录各测量数据并进行资料整理,试样尺寸采用Ф50 mm×100 mm的圆柱体。

图4 RMT-401岩石力学试验系统Fig.4 RMT-401 rock mechanics test system

本次实验针对铁矿石和细粒辉长岩共开展6个试样,各岩石样做一组试验,每组包含3个试样。试验前对各试样的物理参数进行测量,如表1所示。

表1 单轴压缩试验试样规格

铁矿石和细粒辉长岩单轴压缩的试验结果如表2所示。结果表明,铁矿石的单轴抗压强度平均值为179.496 MPa,弹性模量平均值为94.047 GPa,泊松比为0.266;细粒辉长岩的单轴抗压强度平均值为99.964 MPa,弹性模量平均值为62.946 GPa,泊松比为0.21。

表2 试件单轴压缩试验

2.2 节理统计结果

为准确统计节理的分布情况,首先在研究区域内布设3个像控点以确定模型的空间坐标,接着利用大疆精灵4RTK无人机对研究区域进行仿地飞行,获取高分辨率图片91张,将其导入Shape MetriX软件进行三维重构,并导入3个已知像控点坐标,获得该坡面处的三维模型,如图5所示,长为19.2 m,宽为6.15 m,高为4.35 m,由78 756个点云组成。

图5 三维重构模型Fig.5 3D reconstruction model

在此基础上进行结构面统计,累计得完整结构面94个。将统计所得的94个结构面产状进行K均值聚类分析,如图6所示,结果表明,该区域优势节理组可分为3组,J1包含30个结构面,倾向为212.9°,倾角为29.73°;J2包含32个结构面,倾向为234.71°,倾角为57.89°;J3包含32个结构面倾向为184.44°,倾角为62.05°。3组节理组的迹线统计结果如图7所示,结果表明:3组优势节理组的平均间距分别为0.87、1.12、2.5 m。

图6 结构面聚类分析Fig.6 Structural plane clustering analysis

图7 节理迹线分布Fig.7 Joint trace distribution

2.3 岩体质量分级

基于上述室内岩石力学试验及节理统计结果,采用《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)对该区域岩体质量进行分级。采用饱和岩石单轴抗压强度反映岩石坚硬程度,采用岩体体积节理数和结构面平均间距反应岩体的完整程度,如表3所示。

表3 Kv定性估计方法

由于岩体中具有多组优势节理组,因此提出一种计算多组优势节理组平均间距的方法,计算公式为

(1)

式(1)中:dev为岩体节理的平均间距;di为第i组节理的平均间距,i=1,2,…,n;n为优势节理组数。

根据式(1)可计算出各处岩体节理的平均间距,所选区域的节理平均间距为0.41 m,根据表3可估计所选区域岩体的Kv为0.35。根据岩体单轴饱和抗压强度及岩体完整程度进行岩体质量分级,结果如表4所示。

表4 所选区域岩体质量分级

综上所述,岩体主要为III,属于较好～较差的岩石。根据《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)的建议值,并结合室内试验结果,岩体的物理力学参数建议值如表5所示。

表5 岩体物理力学参数建议值

3 高陡边坡开挖动态演化分析

3.1 位移特征分析

SS4剖面step1、step6步和step12开挖的位移矢量图如图8所示。可以看出,矿区开采区朝临空面方向的变形较大,造成这种现象的原因是由于卸荷回弹效应。剖面上部断层较多且较为集中,其中最长断层与边坡大致平行,从图8(a)可以看出,边坡初始变形中心受断层位置及方向影响,变形趋势与断层方向大致一致,符合边坡破坏实际规律。剖面下部存在一矿岩界面,变形受矿岩界面弱面的影响,与界面走向大致一致, 最大变形出现在其附近。随着矿区的不断开采,靠近开采区域的位移逐渐增大,最大增量位移随着矿区不断的开采逐渐向下移动。

图8 位移与矢量云图Fig.8 Displacement and vector cloud map

不同开挖步导致的位移增量如图9所示,结果表明,SS4剖面矿区开采最大增量位移来自step8,为33.2 mm。最大增量位移呈先急后缓的趋势,直至开采至step8时达到最大。

图9 不同开采步的最大增量位移Fig.9 Maximum incremental displacement of different mining steps

3.2 边坡塑性区分析

SS4剖面塑性区分布如图10所示。可以看出,SS4剖面的塑性区主要集中在断层及下部坡脚附近,主要以剪切破坏和拉-剪混合破坏为主,塑性区最先分布在靠坡面中部区域,随着矿区不断开采逐渐向下扩展贯通一直持续到开采结束。边坡出现塑性区不能说明发生滑坡,但能反应边坡的破坏趋势,从塑性区分布来看,随着矿区的开采,塑性区进一步贯穿导致边坡失稳风险进一步加大,由于边坡上存在多条与边坡平行的顺向大断层,边坡在上部大断层附近出现失稳破坏的可能性较大,出于安全的考虑应对边坡进行适当的加固。

图10 塑性区云图Fig.10 Plastic zone cloud map

4 基于塑性区大小的稳定性评价

4.1 各开挖步的安全系数

随着矿区的开采,边坡的最危险滑移面在不断发生变化,通过极限平衡法计算得到SS4剖面的安全系数随矿区开采步变化情况如图11所示。可以看出,边坡的安全系数随着矿区的开采逐渐减小。对于边坡的安全系数变化曲线,斜率呈先陡后缓的趋势,说明矿区开采的前几步对边坡稳定性影响更大。

图11 安全系数随开采步变化曲线Fig.11 Curve of safety factor changing with mining steps

由图11可以看出,SS4剖面的最小安全系数为1.051。通过极限平衡法得到剖面的最危险滑移面如图12所示,边坡的最危险滑移面前缘剪出口位于1 033 m高程处,一直延伸至1 285 m高程处。由图12可以看出,剖面最为危险滑移面从F03断层剪入,经过细粒灰长岩,最后从塑性区剪出。由此可以看出,这几个断层中F03断层对边坡稳定性威胁最大。

图12 最危险滑移面Fig.12 The most dangerous sliding surface

4.2 边坡加固

根据稳定性分析结果,由于F03断层对边坡稳定性影响很大,对SS4剖面1 165～1 245 m段进行锚索加固(图13),锚索平均间距5 m,锚固段长度取8 m,锚索总截面积A=824.25 mm2,设计抗拉强度为1 088 kN,抗拔力为706 kN,抗拔安全系数1.43,抗拉安全系数2.00。加固之后SS4剖面安全系数从加固之前的1.05提高到1.25。

图13 加固示意图Fig.13 Reinforcement diagram

4.3 加固前后的稳定性评价

由于加固前后塑性区分布情况和变化特征比较明显,所以采用文献[15]提出稳定性评价系数α通过塑性区来评判边坡的稳定性(图14),通过该方法可反映出塑性区对边坡稳定性的影响。

(2)

式(2)中:Vpl为塑性区体积;Vtotal为为滑动区体积。

由式(2)可以看出,当α系数越小滑动区域内塑性区占比越小,边坡更稳定;α系数越大滑动区域内塑性区占比越大,边坡越容易失稳。

矿区开采完成后,边坡加固前后的塑性区如图15所示。可以看出,相较于加固之前,锚索加固后边坡坡面和坡脚处的塑性区范围明显变小。对所有被判断为塑性区的网格单元的面积进行累加,得到整个塑性区的面积,同理得到滑动区域的面积。通过上述公式计算得到加固之前α为0.4,加固之后α为0.05,α明显降低。通过算得的α可以看出加固后较加固之前边坡稳定性有明显的提升,此次加固达到了预期的效果。

红色圆圈为加固前后边坡塑性区变化较明显的区域

5 结论

采用非接触无人机摄影测量技术记录结构面的节理,结合室内岩石力学试验数据,采用《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)进行岩体质量分级,并给出边坡岩体强度力学参数建议值。该技术在高陡边坡测量中的应用,采用无人机进行空中摄影测量,相比传统的地面测量方法,具有覆盖面广、快速高效的优势,同时能够获取到较为真实、全面的三维地貌数据,提供了更多的数据支持和准确性。

采用有限单元法,揭示了攀枝花露天矿深部开采过程的动态演化规律,并对边坡不同工况下的稳定性进行了评价,得出以下结论。

(1)矿区开采区朝临空面方向的变形较大,造成这种现象的原因是由于卸荷回弹效应。边坡初始变形中心受断层位置及方向影响,变形趋势与断层方向大致一致,符合边坡破坏实际规律。剖面下部存在一矿岩界面,变形受矿岩界面弱面的影响,与界面走向大致一致,最大变形出现在其附近。

(2)塑性区主要集中在断层及下部坡脚附近,主要以剪切破坏和拉-剪混合破坏为主。随着矿区的开采,塑性区进一步贯穿导致边坡失稳风险加大,由于边坡上存在多条与边坡平行的顺向大断层,边坡在上部大断层附近出现失稳破坏的可能性较大。

(3)边坡的稳定性随着矿区的开采不断降低,对于SS4剖面的安全系数变化曲线,斜率呈现出先陡后缓的趋势,说明开采的前几步对边坡稳定性的影响更大,矿区开采后边坡处于欠稳定状态。

(4)对边坡进行锚索加固后,其塑性区范围明显变小。采用塑性区评价稳定性方法,稳定性评价系数α由0.4减小到0.05,边坡由欠稳定转为稳定状态,加固达到了预期的效果。