劉慈光 胡建華 楊 春

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量數(shù)值模擬

劉慈光1胡建華2楊 春2

(1.太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司峨口鐵礦；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院)

運(yùn)用二維有限元分析軟件GeoStudio及AutoCAD-3Dmine聯(lián)合建模技術(shù)構(gòu)建了數(shù)值仿真滲流計(jì)算模型，對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：①南幫邊坡涌水量為3 071 m3/d，富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程；②13#剖面單寬流量最大，后續(xù)防治水工程建設(shè)于13#剖面附近下部平臺利于遏制礦區(qū)內(nèi)涌水。上述分析對于峨口鐵礦南幫邊坡涌水治理及邊坡維護(hù)有一定的參考價值。

聯(lián)合建模技術(shù) 露天坑 邊坡涌水量 數(shù)值模擬

露天采場邊坡穩(wěn)定性是礦山安全高效生產(chǎn)的基本保障。邊坡穩(wěn)定性不僅受地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地震、地下水等內(nèi)因影響，同時降水、爆破擾動等外因與不良地質(zhì)體耦合作用，也增加了邊坡失穩(wěn)的可能性[1]。破碎巖質(zhì)邊坡內(nèi)部節(jié)理裂隙錯綜復(fù)雜，滲透性較高，地下水沿裂隙面出流過程中沖刷、溶解面內(nèi)填充物，致使裂隙面黏結(jié)力大幅降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)率增加[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國90%以上的礦山邊坡失穩(wěn)與地下水或降雨有關(guān)[3]，因此，破碎巖質(zhì)邊坡涌水量預(yù)測對破碎巖質(zhì)邊坡維護(hù)尤為重要。本研究選用二維有限元分析軟件GeoStudio對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為該礦邊坡涌水治理工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

峨口鐵礦經(jīng)過30多年露天開采，已形成約400 m的高陡邊坡。2012年一季度末，該礦南東采區(qū)已開采至封閉圈以下，逐漸轉(zhuǎn)入高陡邊坡深凹露天開采，礦區(qū)地下水對采礦的影響越來越大。2013年7月，南東采場新開1 636 m水平因降雨及山體涌水，形成深達(dá)8 m的積水坑，導(dǎo)致該水平無法開采推進(jìn)，嚴(yán)重影響了露天轉(zhuǎn)地下工程的施工進(jìn)度。該礦坡面滲水已形成細(xì)流，平臺內(nèi)有大面積積水。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型構(gòu)建

運(yùn)用Auto CAD-3Dmine聯(lián)合建模技術(shù)生成露天坑實(shí)體模型，通過三維模型剖分獲得二維坡面輪廓線，對于邊坡形態(tài)較相似的區(qū)域，僅取一個代表剖面，共選取16組代表剖面，剖面線位置見圖1。

圖1 露天坑南幫計(jì)算剖面位置

因露天坑最低平臺實(shí)際標(biāo)高超過1 500 m，若GeoStudio模型從坐標(biāo)原點(diǎn)開始構(gòu)建模型，則不利于觀察分析，故利用Auto CAD軟件對剖面進(jìn)行輔助處理，提取模型關(guān)鍵點(diǎn)建立相對坐標(biāo)模型，即Geo-studio軟件顯示的高程與模型最低點(diǎn)實(shí)際高程之和為該點(diǎn)實(shí)際高程。為簡化計(jì)算并確保精度，根據(jù)礦山露天坑巖層分布規(guī)律，按60 m高度對模型進(jìn)行分層簡化，層內(nèi)邊坡體視為各向同性均一材料，即滲透系數(shù)維持恒定不變，南邊坡各分層巖體滲透系數(shù)分別為0.8(第1層)，0.75(第2層)，0.7(第3層)，0.65(第4層)，0.6(第5層)m/d。本研究構(gòu)建的數(shù)值模型見圖2。

圖2所示模型邊坡頂部向左延伸40 m作為模型左側(cè)邊界起點(diǎn)，右側(cè)截至露天坑最低點(diǎn)并延伸至兩側(cè)坡底中點(diǎn)，邊坡最低平臺向下延伸50 m作為下邊界。壩體左側(cè)根據(jù)礦山地質(zhì)勘探報告提供的鉆孔水位標(biāo)高設(shè)定定水頭邊界，計(jì)算過程中對于未進(jìn)行任何防水治水工程建設(shè)的邊坡，坡面及平臺均視為潛在滲流面，地下水可自由出流，下邊界及右側(cè)邊界為不透水邊界。

圖2 數(shù)值模型邊界條件

2.2 涌水量數(shù)值模擬結(jié)果

在定水頭邊界條件下，南部邊坡隨著開挖深度的增加，剖面各向尺寸不盡相同，分層滲透系數(shù)亦不同，且質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)各分層路徑也有所區(qū)別，16個剖面浸潤線出漏高度變化較大。浸潤線均在邊坡坡面中下部出露，浸潤線出露高度為1 657～1 714 m，與現(xiàn)場勘查結(jié)果一致。質(zhì)點(diǎn)在流動過程中受到沿程阻力作用產(chǎn)生水頭降，質(zhì)點(diǎn)流動路徑越長，水頭損失越大，浸潤線出漏高度越低，坡面流量越小。滲流量和流速受邊坡垂直高度的影響顯著，隨著開采深度的增加，在露天礦作業(yè)平臺上積水范圍顯著增加。邊坡大部分涌水點(diǎn)集中于中部偏下工作平臺或坡面，因此在該區(qū)域內(nèi)的出露點(diǎn)構(gòu)筑相關(guān)防滲堵漏工程可取得較好的治水效果。

為計(jì)算邊坡體涌水量，沿平臺及邊坡外表面繪制了截面流量監(jiān)測線，各剖面邊坡面單位寬度截面流量監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：單寬流量為1.403 9～8.229 7 m3/d，最大單寬流量出現(xiàn)在13#剖面附近，最小單寬流量出現(xiàn)在5#剖面，4#～12#剖面流量較接近。根據(jù)截面單寬流量及剖面間距，對南幫邊坡坡面涌水量進(jìn)行了估算，統(tǒng)計(jì)剖面間距時取相鄰中點(diǎn)作為基點(diǎn)，剖面間距如圖4所示。

圖3 坡面單寬流量

圖4 剖面間距(單位：m)

相鄰2條剖面線間涌水量為兩剖面線單寬流量均值與剖面間距之積，對于相鄰剖面線存在的交叉區(qū)域，根據(jù)剖面線相交區(qū)域大小進(jìn)行適當(dāng)折減。經(jīng)計(jì)算，1#～16#剖面間露天坑南幫涌水量約3 071 m3/d，邊坡富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程，確保礦區(qū)安全高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 語

運(yùn)用有限元分析軟件Geo-Studio對峨口鐵礦露天坑南幫邊坡涌水量進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出該礦南幫邊坡涌水量為3 071 m3/d，可見邊坡富水性較高，需及時建設(shè)防治水工程，13#剖面涌水量較大，故需將排水鉆孔、抽水井等防治水工程建設(shè)于該剖面下部平臺，以最大限度地遏制礦區(qū)涌水。

[1] 廖珊珊，張玉成，胡海英.邊坡穩(wěn)定性影響因素的探討[J].廣東水利水電，2011(7)：31-34.

[2] 龔章龍，盧 博.裂隙巖體滲流概述[J].山西建筑，2015，41(36)：55-57.

[3] 謝羅峰.滲流作用下邊坡穩(wěn)定性研究[D].南京: 南京水利科學(xué)研究院，2009.

2016-11-21)

劉慈光(1964—)，男，副礦長，總工程師，工程師，034207 山西省代縣峨口鎮(zhèn)。