胡建軍

（北京礦冶研究總院， 北京 100160）

露采邊坡工程受采礦工程本身特點的影響，與一般工程不同，在既定的工程地質條件下，采掘過程貫穿整個采礦過程，開挖形成的露天邊坡在其服務年限內始終處于動態(tài)變化過程中，應力狀態(tài)也會發(fā)生不斷變化，邊坡允許有一定的變形和破壞，但需要維持自身穩(wěn)定［1－7］。鋁土礦開采不同于一般硬質巖體開采，邊坡力學性質具有其自身特點，研究鋁土礦露天開采邊坡穩(wěn)定性對于正確指導礦山設計具有重要意義［8－10］。

1 礦區(qū)基本情況

某鋁土礦礦區(qū)出露地層由老至新有奧陶系中統(tǒng)白云質泥灰?guī)r、白云巖，石炭系中統(tǒng)鐵質粘土巖、鋁土礦，耐火粘土、粘土巖，上統(tǒng)灰?guī)r，砂巖、泥巖及薄煤層等。第四系紅土、黃土、殘坡積及沖洪積物約占全區(qū)面積的79.5%。

區(qū)內構造簡單，斷裂與褶皺對鋁土礦有一定控制作用，但破壞性不大。礦區(qū)雖有斷層，但由于規(guī)模不大，對鋁土礦礦體影響不大。

露天開采采用臺階式開采，開拓運輸方案為公路開拓、汽車運輸方案。開采工藝為開溝—平整—穿孔—爆破—鏟裝—運輸，剝離臺階高12m，臺階開挖坡角65°。

2 計算模型的建立

2.1 模型簡化

對于邊坡穩(wěn)定性分析，合理的簡化可以節(jié)約大量的時間和計算機資源，本研究根據(jù)彈性力學理論，將這種縱向比較長的邊坡體結構其受力變形特點可以簡化為平面應變問題［6－7］，本次研究選擇具有代表性的垂直邊坡坡面的典型剖面作為研究對象。

2.2 計算模型

根據(jù)該礦山的工程地質勘察報告及相關地質資料選取本次研究的典型剖面，礦山從地表往下主要巖土體有粘土、砂巖、灰?guī)r、鋁土礦、石灰?guī)r和白云質泥灰?guī)r等，最終建立數(shù)值分析模型如圖1所示。模型底寬350m，左側高144m，右側高76m。模型共2982個單元，6166個節(jié)點，邊界條件為下部約束水平及垂直位移，左右兩側約束水平位移，上部為自由邊界。研究范圍內巖體以灰?guī)r、石灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，本構模型采用Mohr－Coulomb準則，分析軟件利用FLAC軟件。

礦區(qū)周圍為溝壑，地勢較低，巖體地應力不大，地下水也較弱，本計算不考慮地下水作用。

圖1 模型網(wǎng)格及尺寸

2.3 參數(shù)的確定

綜合該鋁土礦主要圍巖的物理力學性質以及節(jié)理裂隙摩擦試驗結果，同時考慮試件的尺寸效應、圍巖所處環(huán)境等多方面的影響，對試驗結果進行合理的工程處理后，確定此次計算的礦巖物理力學性質指標參數(shù)見表1。

表1 礦巖巖體力學參數(shù)

2.4 開采順序及監(jiān)測點布置

露天邊坡開采是個順序開挖的過程，巖體應力逐漸釋放［11－15］。由于地層本身存在著原始應力，地層中每個質點的巖石都受著三向應力的作用，應力是受約束的，并處于平衡狀態(tài)。一旦開挖，原巖體的初始應力平衡狀態(tài)遭到破壞，應力、變形相伴而生，上部巖體的移除會導致下方巖體回彈變形，不同開挖階段邊坡應力、變形、破壞形態(tài)不同。本次計算考慮簡化計算的同時盡量與實際相符，按照從上至下的開挖順序，單次模擬開挖一個臺階，臺階高度12m。

為了研究礦山開采過程中邊坡坡面的位移變化趨勢，本研究對每次開挖的邊坡坡腳位置布置了位移監(jiān)測點K01～K11，具體位置如圖2所示，其中K01～K07位于礦體上盤邊坡內，K08～K11位于下盤邊坡內，①～⑥為邊坡開采順序。

圖2 邊坡監(jiān)測點布置情況

3 應力分析

從豎向應力分布來看，由于邊坡開挖后邊界條件的改變，原巖應力場發(fā)生了重新分布，巖體大部分區(qū)域仍為壓應力區(qū)；隨著礦山開挖的進行，巖體豎向應力逐漸釋放，自由面附近豎向應力較小，向巖體深處應力逐漸增大，巖體豎向應力等值區(qū)域隨坡面起伏而變化，這一特點隨開挖進行逐漸向下發(fā)展（見圖3）。

圖3 不同開挖階段邊坡巖體豎向應力分布（單位：MPa）

開挖坡體的水平應力場（見圖4）顯示，由于開挖的卸荷作用，解除了坡面的邊界約束，這是巖質邊坡滑動失穩(wěn)的一個誘導因素；同時看到，在上覆巖層自重作用下，水平應力在邊坡坡腳處疊加產生了應力集中現(xiàn)象，說明水平應力是形成坡腳應力集中現(xiàn)象的主要因素；巖體水平應力的變化梯度與上述豎向應力的變化梯度相比較大，且水平應力分布不均勻，說明巖體水平應力傳遞效果受邊界條件的影響較大。

圖4 不同開挖階段邊坡巖體水平應力場（單位：MPa）

4 位移分析

邊坡移動或潛在滑動的最明顯特點就是水平位移的不斷發(fā)展［16－18］。邊坡巖體開挖過程是地質巖體水平邊界約束能力逐漸減弱的過程，邊界約束能力降低后，在原巖初始應力作用下，巖體水平方向變形能力增強，發(fā)生巖體水平位移，帶動上覆巖體移動，最終會對遠處巖體引起拉應力作用。巖體具有弱抗拉性質，如果巖體抗拉強度不足則會產生初始裂隙，進而逐漸發(fā)展、貫通為滑坡。

本次分析布置的各監(jiān)測點處，監(jiān)測的水平位移值最終趨于一個定值，見圖5和圖6，說明開挖擾動結束后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，各監(jiān)測點最終位移見表2（正負號分別表示位移值與坐標軸同向和反向）。

圖5 K01～K07監(jiān)測點水平位移曲線

圖6 K08～K11監(jiān)測點水平位移曲線

表2 不同監(jiān)測點處最終水平位移量

K01～K07監(jiān)測點位于上盤巖體坡腳處，各點監(jiān)測點水平位移隨著邊坡開挖不斷增大，最大水平位移位置發(fā)生在K05、K06監(jiān)測點附近，這一位置即為石灰?guī)r與砂巖的地質分界面附近，在巖體應力作用下此處發(fā)生巖體破壞，巖體水平位移量較大；K07監(jiān)測點位于邊坡坡腳處，受到周圍巖體的側向限制，水平位移量相對較小。頂部巖體水平位移量沒有隨下方巖體移動而增大，說明邊坡整體性很好，沒有發(fā)生整體移動。下盤邊坡內K09監(jiān)測點水平位移量相對較大。

5 穩(wěn)定性分析

有限元強度折減法的基本原理［19－21］是將巖體強度參數(shù)c和φ值同除以一個折減系數(shù)f，得到折減后 的 抗 剪 強 度 指 標 為 c1＝c／f、φ1＝arctan（ta n φ／f），將c1、φ1作為新的計算參數(shù)輸入，當坡體恰好達到應力極限狀態(tài)時對應的f即為安全系數(shù)，同時可得到坡體的破壞滑動面。

通過FLAC程序邊坡強度折減FOS計算，得到其潛在滑移面的位置如圖7所示，潛在滑移面的下緣位于石灰?guī)r和砂巖的地質分界面，形狀似圓弧狀，邊坡其余位置巖體的變形較為一致，趨于連續(xù)，無變形突變，邊坡的安全系數(shù)為1.71，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡位移分析結論基本一致。

圖7 安全系數(shù)及潛在滑動面（位移單位：mm）

6 結 語

利用大型非線性有限差分軟件對鋁土礦露天邊坡的應力狀態(tài)進行分析，可以反映礦山露天開采過程中的力學變化特點，揭示引起邊坡失穩(wěn)的主要原因，與程序自帶強度折減算法FOS結合，可以判斷邊坡的潛在破壞滑動面，判定其穩(wěn)定性，對礦山設計具有重要意義，該分析方法可供類似礦山借鑒。

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