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        基于極限平衡法的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性研究

        2018-02-06 03:10:06王瑜戴興宇郭健
        鞍鋼技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:露天礦采場(chǎng)鐵礦

        王瑜,戴興宇,郭健

        (鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院,遼寧 鞍山 114004)

        目前,全國(guó)有5萬多座露天礦,隨著開采的進(jìn)行,邊坡高度增加,條件越來越復(fù)雜。露天礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性問題是關(guān)系整個(gè)礦山能否安全高效開采的關(guān)鍵問題。做好露天礦采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性研究工作,預(yù)測(cè)采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性狀態(tài),有助于防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,從而為礦山安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是,目前國(guó)內(nèi)露天礦的設(shè)計(jì)參數(shù)主要注重經(jīng)濟(jì)效益的考量,對(duì)采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性不夠重視,或由于客觀條件制約流于形式,缺乏時(shí)效性、即時(shí)性。因此,我國(guó)露天礦采場(chǎng)迫切需要一種低成本、簡(jiǎn)單便捷且易于理解的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性判定方法,文中即提出了這樣一種方法。

        1 簡(jiǎn)化Bishop法

        根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求:邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)以極限平衡法為主,以安全系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在眾多邊坡穩(wěn)定性分析方法中,極限平衡法是最主要、最通用的分析方法,并被各國(guó)廣泛采用[1]。簡(jiǎn)化Bishop法是極限平衡法中既簡(jiǎn)單又實(shí)用的一種方法,所以在邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用,并且是計(jì)算圓弧滑動(dòng)面安全系數(shù)最好的方法之一[2]。簡(jiǎn)化Bishop法假定條塊間相互作用力水平,即不考慮條塊間的剪力,只考慮條塊的垂直平衡及對(duì)圓心的力矩平衡。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外大量的邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明,由簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算得出的圓弧滑動(dòng)面的安全穩(wěn)定性系數(shù)與嚴(yán)格條分法所得出的安全系數(shù)誤差很小,只有大約3%~4%。鞍鋼齊大山鐵礦礦區(qū)為單斜構(gòu)造,傾向南西,傾角在70°~90°,因此,文中采用簡(jiǎn)化 Bishop 法[3]對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

        2 齊大山鐵礦采場(chǎng)安全穩(wěn)定性分析

        2.1 齊大山鐵礦采場(chǎng)概況

        遼寧省鞍山地區(qū)的鐵礦床受鞍山穹隆的控制,從櫻桃園、齊大山經(jīng)胡家廟子、西大背、關(guān)寶山、大砬子、眼前山、谷首峪越過千山花崗巖占據(jù)的部位,由西北向弧形彎曲,轉(zhuǎn)為與大孤山、黑石砬子、東鞍山、西鞍山相連,構(gòu)成圍繞鐵架山的半環(huán)形分布[4]。鞍山地區(qū)鐵礦分布簡(jiǎn)圖見圖1。

        圖1 鞍山地區(qū)鐵礦分布簡(jiǎn)圖

        齊大山鐵礦位于齊大山處,是鞍鋼集團(tuán)鐵礦石原料生產(chǎn)基地之一。礦區(qū)鐵礦開采可以追溯到1914年,當(dāng)時(shí)的開采對(duì)象是富礦,采用地下開采方式,1945年停采。解放后,上述地采坑道恢復(fù)生產(chǎn),但又相繼于1965年和1967年閉坑。礦區(qū)露天開采貧鐵礦始于1969年,1970年投產(chǎn),1975年正式建成大型露天礦。

        2.2 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡實(shí)際情況,本次計(jì)算主要考慮三種巖性:礦體、巖體、結(jié)構(gòu)面,其中礦巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

        表1 礦巖體物理力學(xué)指標(biāo)

        2.3 區(qū)域地震和場(chǎng)址區(qū)地震活動(dòng)性

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載,本地區(qū)1976年發(fā)生地震102次,最大震級(jí)5.8級(jí),震中位于海城、鞍山、韓家峪等地;1977年發(fā)生34次地震,最大震級(jí)2.4級(jí);1978年地震活動(dòng)減弱;1988年7月發(fā)生一次5級(jí)地震;1989~1990年輕度地震非常頻繁;1999年4月發(fā)生一次 3.5級(jí)地震[5]。

        根據(jù)《GB18306-2001中國(guó)地震運(yùn)動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》《GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A及《GB50191-93構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,排土場(chǎng)及新征地所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 g,Ⅱ類場(chǎng)地土特征周期T為0.35 s,所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

        根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料和歷史地震資料分析,場(chǎng)區(qū)及其附近無活動(dòng)性斷裂構(gòu)造通過,沒有發(fā)生過大的地震活動(dòng),因此,采場(chǎng)所在場(chǎng)地屬于抗震有利地段。

        2.4 邊坡安全穩(wěn)定性分析

        根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性的陳述:邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)以極限平衡法為主,以安全系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        由于極限平衡法應(yīng)用廣泛且簡(jiǎn)單,因此在邊坡穩(wěn)定性分析中具有不可替代的作用。極限平衡法的主要思想是以莫爾—庫倫抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ),按某種規(guī)劃將滑動(dòng)趨勢(shì)范圍內(nèi)的邊坡巖體劃為一個(gè)個(gè)小塊體,通過塊體平衡條件建立整個(gè)邊坡平衡方程。

        文中選用Bishop法對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,巖層含水簡(jiǎn)單,這里不予考慮。

        針對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)的34個(gè)邊坡剖面,利用Geostudio巖土工程軟件中的SLOPE/W模塊建立力學(xué)模型。

        各采場(chǎng)邊坡剖面極限平衡安全系數(shù)在考慮爆破振動(dòng)和水的影響時(shí),邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)按20%折減[6],各剖面極限平衡安全系數(shù)見表2。

        表2 各剖面極限平衡安全系數(shù)

        從表2中可以發(fā)現(xiàn),采場(chǎng)各邊坡剖面的安全系數(shù)大于《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的關(guān)于邊坡工程安全等級(jí)Ⅰ,荷載組合Ⅱ的邊坡工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)范圍值(1.18,1.23)。

        3 二維條件下,描述三維環(huán)境中的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性

        3.1 方法步驟

        該方法簡(jiǎn)單易行,步驟如下:

        (1)在眾多安全系數(shù)中選擇一個(gè)最小值。

        (2)將該安全系數(shù)描述的剖面和其兩側(cè)剖面安全系數(shù)求三者均值,如果是端部,則將該安全系數(shù)描述的剖面和其一側(cè)剖面安全系數(shù)求二者均值。

        (3)重復(fù)(1),直到計(jì)算得到的安全系數(shù)最小為止。

        3.2 應(yīng)用舉例

        3.2.1 采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定

        以表2采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為對(duì)象,按步驟 (1) 在17個(gè)剖面中確定460東、860東剖面安全系數(shù)最小為1.595;按步驟 (2)計(jì)算260東、460東、660東、860東、1060東剖面安全系數(shù)的均值,5個(gè)剖面安全系數(shù)的均值為1.601;

        采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.601,根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全等級(jí)是Ⅱ,邊坡工程設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性系數(shù)范圍值應(yīng)為(1.18,1.23),齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        3.2.2 采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定

        以表2中采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)范圍值最小值為對(duì)象,按步驟(1)在17個(gè)剖面中確定1 580西、1 160西、860西、460西安全系數(shù)最小為 1.255;按步驟(2) 計(jì)算 1680 西、1580 西、1480西剖面安全系數(shù)均值為1.275,計(jì)算1260西、1160西、1060西剖面安全系數(shù)均值1.268,計(jì)算1060西、860西、660西剖面安全系數(shù)均值為1.262,計(jì)算660西、460西、260西剖面安全系數(shù)均值為1.262。

        采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.262,根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全等級(jí)是Ⅱ,邊坡工程設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性系數(shù)范圍值應(yīng)為(1.18,1.23),齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

        4 結(jié)論

        文中按照規(guī)范要求的方法,對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究。在此基礎(chǔ)之上,將二維條件下的穩(wěn)定性研究,轉(zhuǎn)化描述三維環(huán)境中的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性。采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性屬于安全生產(chǎn)范疇,關(guān)乎人民生命健康財(cái)產(chǎn)安全,在當(dāng)前國(guó)情、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、管理者素質(zhì)、干部職工人員認(rèn)識(shí)等諸多條件下,摸索低成本、簡(jiǎn)單便捷且易于理解的采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)定方法及低成本且執(zhí)行簡(jiǎn)單的治理方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        [1] 錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M]2版.北京:中國(guó)水利水電出版社,1995.

        [2]姜德義,朱合華,杜云貴.邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡防治[M]重慶:重慶大學(xué)出版社,2005.

        [3]陳思帆,王少宇,姜福川.蘭尖鐵礦露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究[J].黃金,2014:10-12.

        [4]王瑜.基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)寶山鐵礦品位模型基礎(chǔ)儲(chǔ)量估算[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào), 2016(3): 40-42.

        [5]鞍鋼礦山設(shè)計(jì)院.齊大山鐵礦礦床地質(zhì)勘探總結(jié)報(bào)告[R],1978.

        [6]劉治中,劉太合.齊大山鐵礦北采邊坡治理穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)工程,2005: 6-8.

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