閆 俊, 韓文喜, 齊得旭

(1.湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊(duì),湖北 黃石 435000; 2.成都理工大學(xué),四川 成都 610041)

西南某露天鐵礦經(jīng)過近40年的生產(chǎn),現(xiàn)已進(jìn)入深凹露天開采,采場(chǎng)下盤1 735～1 315 m(高415 m)的固定邊坡已形成,將來最終工程邊坡高達(dá)555 m,加上自然邊坡高215 m,到露天底閉坑時(shí)最終邊坡高將達(dá)700余米,服務(wù)年限還有15年。

在近幾年來的生產(chǎn)中,采場(chǎng)邊坡不穩(wěn)定的情況給生產(chǎn)構(gòu)成的威脅日趨嚴(yán)重。采場(chǎng)邊坡節(jié)理裂隙較為發(fā)育,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查,結(jié)合物探方法探明存在不同構(gòu)造、產(chǎn)狀斷層的切割;其中,角閃片巖軟弱夾層對(duì)整體邊坡穩(wěn)定性影響較大,它們將會(huì)對(duì)礦山今后的開采生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。因此,分析采場(chǎng)邊坡現(xiàn)在的穩(wěn)定性,預(yù)測(cè)其在今后生產(chǎn)開采中、開采后的穩(wěn)定性是十分必要的。采用離散元法對(duì)采場(chǎng)典型邊坡滑塌失穩(wěn)多發(fā)段進(jìn)行穩(wěn)定性分析,提出相應(yīng)的預(yù)防措施,為今后的安全生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 離散元法及運(yùn)用的程序介紹

1.1 離散元法介紹

離散元法(DEM,Discrete Element Method)是從20世紀(jì)70年代初興起的一種數(shù)值計(jì)算方法[1]。它的理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律結(jié)合不同的本構(gòu)關(guān)系,適用于非連續(xù)體如節(jié)理巖體的應(yīng)力分析[1-2]。該方法利用了巖體的斷裂面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,被斷裂面切割的巖塊就是計(jì)算單元,巖塊的運(yùn)動(dòng)主要受控于巖體的機(jī)理系統(tǒng)。計(jì)算采用了顯式的求解方法,按照塊體運(yùn)動(dòng),弱面產(chǎn)生變形,變形是接觸區(qū)的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),由牛頓定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解,無需形成大型矩陣而直接按時(shí)步求解,在求解過程中允許塊體間開裂、錯(cuò)動(dòng),并可以脫離母體而下落。同時(shí),離散元法能夠反映巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的巖體屈服、崩滑及破壞現(xiàn)象,因此,采用離散元法來對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

1.2 二維離散元分析軟件介紹

UDEC是由Cundall等針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)提出并研發(fā)的二維離散元程序。它是建立在拉格朗日算法的基礎(chǔ)上,采用中心差分法顯式求解,在力學(xué)上增加了對(duì)接觸面的非連續(xù)力學(xué)行為[3]模擬;該程序內(nèi)嵌有多種材料本構(gòu)關(guān)系模型,內(nèi)置節(jié)理生成器,方便建立多種反映非連續(xù)面接觸物理力學(xué)關(guān)系的模型。其顯著特點(diǎn)是能夠模擬并分析非連續(xù)介質(zhì)材料,如巖體沿離散界面發(fā)生裂縫張開、滑移、垮落等大變形問題。目前該程序在巖質(zhì)邊坡工程、采礦、隧道及水利水電工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4-6],在解決涉及關(guān)鍵塊體穩(wěn)定性的分析、離散介質(zhì)在爆破及地震作用下的穩(wěn)定性分析、沿節(jié)理面張裂與滑移等大變形問題中起到很好的效果。

2 采場(chǎng)工程地質(zhì)條件

該礦區(qū)出露的工程地質(zhì)巖組主要為細(xì)粒及細(xì)粒流層狀輝長巖(ω3+5)、粗粒輝長巖(ω4)、鐵礦石(Fe),在西端頂部(標(biāo)高1 495 m以上)出露有大理巖(M);角閃片巖(ω6)軟弱夾層發(fā)育于大理巖與細(xì)粒輝長巖之間,為順坡向。區(qū)內(nèi)發(fā)育有南北向F205、F206斷層與邊坡近似直交,北北東向斷層F207與邊坡斜切,北東向斷層F214逆坡向與邊坡相交。區(qū)內(nèi)順流層節(jié)理組發(fā)育、延伸長,連續(xù)性好,此組節(jié)理方位高度集中;逆流層理的節(jié)理方位略為離散,二者組成“X”型節(jié)理。邊坡形狀總體呈直線型,巖層產(chǎn)狀為300°∠48°,邊坡走向與順層節(jié)理組走向呈小角度相交,傾角接近,在臺(tái)階面上常見該組節(jié)理形成的光面。

通過對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),采場(chǎng)邊坡主要有三組優(yōu)勢(shì)性節(jié)理:第一組傾向?yàn)?35°～165°,平均傾向?yàn)?58°,平均傾角為38°;第二組傾向?yàn)?35°～275°,平均傾向?yàn)?55°,平均傾角為46°。第三組傾向?yàn)?10°～325°,平均傾向?yàn)?15°,平均傾角為40°。

3 邊坡穩(wěn)定性的離散元數(shù)值分析

3.1 二維計(jì)算模型的建立

根據(jù)采場(chǎng)邊坡的工程地質(zhì)剖面及相關(guān)鉆孔資料,建立邊坡二維計(jì)算模型如圖1所示,模型長1 122 m,高773 m,巖性主要為細(xì)粒輝長巖、釩鐵礦和大理巖;邊坡順坡向節(jié)理間距10 m,反坡向節(jié)理間距15 m,對(duì)邊坡坡表面節(jié)理進(jìn)行適當(dāng)加密,較真實(shí)體現(xiàn)了邊坡不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的展布情況。如圖1所示,模型中含有一處角閃片巖軟弱夾層,坡腳附近出露傾角為45°的斷層F214,邊坡上部有傾角為50°的斷層F108,坡腳附近主要分布細(xì)粒輝長巖,邊坡中上部為大理巖。

圖1 巖質(zhì)邊坡平面模型Fig.1 Plane model of rock slope

3.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件的確定

通過前期的現(xiàn)場(chǎng)勘查、取樣以及室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),得到巖塊和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù),但考慮到尺寸效應(yīng)[5]及其他因素的影響,試驗(yàn)室所得到的力學(xué)參數(shù)往往不能直接代表天然巖體力學(xué)特性,因此,在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算之前,采用極限平衡法[7]進(jìn)行反復(fù)試算,最終確定邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)(見表1、表2)。

表1 工程巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)表Table 1 Parameter table for physical and mechanicalcalculation of engineering rock mass

表2 節(jié)理面物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 2 Physical and mechanical calculation parameters of joint surface

在模型建立完成后,已經(jīng)定義了模型中不連續(xù)面的分布,在賦予模型力學(xué)材料之前,確定本模型采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型作為巖體的力學(xué)模型,節(jié)理力學(xué)模型采用庫倫滑動(dòng)模型。賦予模型材料后,對(duì)模型的邊界條件給予約束,采用在模型邊界上進(jìn)行速度約束來固定計(jì)算模型的邊界條件,即模型左右邊界約束其X方向速度為0,模型底部邊界約束其y方向速度為0。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

通過7 000時(shí)步的迭代計(jì)算,最大不平衡力趨于0,模型重新達(dá)到平衡狀態(tài)(見圖2)。

圖2 最大不平衡力Fig.2 The maximum unbalanced force

計(jì)算結(jié)果表明,在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下,F108斷層作為控制邊坡的主要不連續(xù)面,計(jì)算后在其中下部的位置出現(xiàn)了一個(gè)明顯的剪應(yīng)力集中帶,最大剪應(yīng)力為2 MPa,如圖3。出現(xiàn)此應(yīng)力集中帶是由于F108斷層剛好出露于開挖邊坡的坡體后緣部位,并且傾向坡外,相對(duì)圍巖體來說,其力學(xué)強(qiáng)度要低得多,坡體后緣F108外側(cè)的巖體在重力作用和開挖荷載的影響下,向坡體內(nèi)側(cè)傾倒,并沿F108發(fā)生局部滑移,在坡體后緣F108出露部位的巖體的位移比其他部位巖體的位移大。但由于F108外側(cè)的巖體在坡體中下部越來越厚,坡體中下部的巖體總體上是穩(wěn)定的,這使得坡體后緣巖體沿F108的滑動(dòng)變形在坡體的中下部受到限制,在受限制部位自然就會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 剪應(yīng)力圖Fig.3 Shear stress figure

圖4 位移矢量圖Fig.4 Displacement vector diagram

在計(jì)算結(jié)果中,離散塊體位移主要表現(xiàn)為在坡體內(nèi)的豎直向下,在近邊坡坡表則轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚺R空面方向的運(yùn)動(dòng),且在坡表位移集中,計(jì)算得出天然狀態(tài)下邊坡最大位移為5.2 cm(圖4)。通過塑性區(qū)圖(圖5),可以看出在整個(gè)計(jì)算過程中,在坡腳附近曾出現(xiàn)過塑性屈服狀態(tài),但并未出現(xiàn)拉張或剪切破壞,說明坡體在目前還未達(dá)到臨界破壞的狀態(tài),現(xiàn)階段邊坡整體上是穩(wěn)定的。

3.4 三維離散元數(shù)值模擬及結(jié)果分析

相對(duì)二維離散元分析區(qū)域典型剖面的邊坡的變形過程,三維離散元的優(yōu)點(diǎn)是能將結(jié)構(gòu)面的空間分布考慮進(jìn)來,能更準(zhǔn)確地對(duì)邊坡開挖后的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算。本次采用3DEC程序[8]建立邊坡三維模型,對(duì)邊坡開挖變形進(jìn)行模擬。首先,建立三維計(jì)算模型,劃分優(yōu)勢(shì)節(jié)理及控制性斷層等不連續(xù)面,整個(gè)模型尺寸為254 m×617 m×410 m,網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格(見圖6)。

圖5 塑性區(qū)圖Fig.5 Plastic zone map

圖6 邊坡三維計(jì)算模型Fig.6 Three-dimensional calculation model of slope

在完成計(jì)算模型的建立及劃分網(wǎng)格后,確定巖體力學(xué)參數(shù);在表1中,剪切模量(S)、體積模量(B)按下式確定。

(1)

(2)

式中:E為巖土體的彈性模量;μ為泊松比。

同時(shí),為了模擬巖土體沿某一結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)破壞,需輸入結(jié)構(gòu)面的法向剛度(Kn)和切向剛度(Ks)。在力學(xué)上,法向剛度和切向剛度的定義為:

(3)

(4)

式中:Fn,Fs,un,us分別為結(jié)構(gòu)面法向、切向的作用力(F)和在這些力的作用下產(chǎn)生的相應(yīng)方向的位移(u)。在本次研究工作中,通過工程類比[5]得到采場(chǎng)高邊坡部分結(jié)構(gòu)面的法向剛度和切向剛度的取值(見表2)。

在自重應(yīng)力下經(jīng)過13 000時(shí)步的迭代計(jì)算,模型達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,通過輸出開挖前后位移圖,可以看出模型在開挖前后位移場(chǎng)的變化。

圖7 開挖前后位移圖Fig.7 Before and after the excavation displacement diagram

圖7-a、7-b分別為研究區(qū)開挖前后的位移圖,從中可以看出,在開挖前,邊坡中部和坡腳部位的位移量較大;其中邊坡中部位移主要表現(xiàn)為豎直向下和臨空面方向,但并未出現(xiàn)明顯的塊體錯(cuò)動(dòng)和滑動(dòng);坡腳處位移主要表現(xiàn)為向臨空面方向的水平位移,最大位移8.9 mm;開挖后,坡腳處應(yīng)力釋放,位移量變小,邊坡中上部位移量呈半封閉狀,與坡面相交,且拐點(diǎn)距離坡面較近;在下部與邊坡底部近平行,而后在近坡面處上翹,這說明邊坡淺表層存在順坡面的剪切力,此時(shí)邊坡最大位移為2.9 cm,塊體間沒有明顯滑動(dòng)跡象,整個(gè)區(qū)域邊坡的位移量都是很小的。

圖8 開挖后臨空面方向位移圖Fig.8 Surface displacement map after excavation

圖9 開挖后豎直方向位移圖Fig.9 Vertical displacement map after excavation

圖8表示邊坡開挖后臨空面方向位移分布圖,圖9為開挖后豎直方向位移圖;從圖中可以看出,在邊坡中上部臨空面方向和豎直方向位移較其他部分大,其中臨空面方向位移最大為7.4 mm,豎直方向最大位移2.8 cm,表明在開挖、爆破的情況下出現(xiàn)了的沉降;隨著開采深度的不斷增大,坡體可能產(chǎn)生更大的位移,局部坡表塊體可能產(chǎn)生失穩(wěn),影響開采生產(chǎn)。

同時(shí),隨著巖土體的發(fā)展演化,各個(gè)部位的應(yīng)力隨著外荷載的變化而變化,應(yīng)力和變形方向也在作自我調(diào)整。在開挖的某一個(gè)階段時(shí)邊坡的某些部位的巖體可能會(huì)產(chǎn)生屈服,但隨著逐步向下開挖至標(biāo)高1 255 m時(shí),邊坡自身經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)力和變形調(diào)整后,使邊坡最終處于一種動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。從總位移量圖上看出,最大位移量主要集中于邊坡下段標(biāo)高1 310～1 330 m臺(tái)階處,該處下部位移矢量在坡腳表現(xiàn)為漸進(jìn)剪出,位移分布表現(xiàn)出在邊坡坡腳近乎平行,說明在坡趾處可能出現(xiàn)剪切破壞。因此,在開挖過程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此部位的變形監(jiān)測(cè)。

4 防治及加固措施建議

根據(jù)上一節(jié)的模擬分析可以看出,采場(chǎng)在開采過程中、開采后可能出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)破壞;針對(duì)采場(chǎng)目前的開采生產(chǎn)情況,分別對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)狀、開采過程中及開采后可能出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)問題,提出防治及加固措施。

4.1 現(xiàn)狀條件的采場(chǎng)邊坡防護(hù)加固措施建議

采場(chǎng)現(xiàn)狀條件下,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),但邊坡坡腳處局部出現(xiàn)表層破碎體的滑塌,建議針對(duì)邊坡坡腳處較破碎區(qū)域進(jìn)行噴錨支護(hù),防止破壞進(jìn)一步加大,造成對(duì)下方生產(chǎn)作業(yè)的影響;同時(shí)加強(qiáng)對(duì)邊坡中上部的監(jiān)測(cè)。

4.2 開挖前后的采場(chǎng)邊坡防護(hù)加固措施建議

通過上節(jié)模擬開挖過程的計(jì)算,開挖前后,位移量由邊坡中下部向中上部增大;邊坡淺表層存在順坡面的剪切力,但位移量不明顯;因此,建議在向下開挖過程中,首先應(yīng)按照從上到下,設(shè)置合理的臺(tái)階高度和坡面角,嚴(yán)禁“掏采”;應(yīng)對(duì)邊坡中上部剪切力較大的部位進(jìn)行錨索加固,防止開挖過程中上部塊體的崩落;同時(shí),在開挖過程中,對(duì)開挖面上部較破碎區(qū)域進(jìn)行噴砼,防止開挖面上部松散塊體崩落造成威脅。

開挖后,加大對(duì)邊坡中上部的支護(hù)措施,建議采用錨索進(jìn)行加固;同時(shí)在坡腳處進(jìn)行噴錨的加固方案,設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),觀測(cè)邊坡位移變化,做到開挖前后安全作業(yè),安全管理。

5 結(jié)論

通過二維和三維的計(jì)算分析,得到以下結(jié)論,為日后的生產(chǎn)開采作業(yè)提供依據(jù),便于制定合理的開采方案和相應(yīng)的治理措施,為安全生產(chǎn)提供服務(wù)。

(1) 軟弱帶和斷層附近應(yīng)力集中,最大主應(yīng)力在10～14 MPa,最大剪應(yīng)力在1～2 MPa,主要出現(xiàn)在坡腳部位,ω6周圍為應(yīng)力集中區(qū),且為順坡向,上盤巖體較厚,坡腳處有反傾坡向的F222斷層,但巖體完整性較好。由于受ω6、F206及F207影響,邊坡坡表附近易產(chǎn)生剪應(yīng)力集中,在開采過程中,中下部臺(tái)階塊體易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此,建議對(duì)該區(qū)域采取必要的加固措施。

(2) 現(xiàn)開采階段,邊坡中部及坡腳附近臨空面方向和豎直方向位移量最大,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查結(jié)合計(jì)算結(jié)果,建議對(duì)這些部位采取支護(hù)措施,同時(shí)在開挖過程中加強(qiáng)對(duì)坡體中下部的監(jiān)測(cè),同時(shí),不斷對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證,生產(chǎn)中嚴(yán)格采取控制爆破技術(shù)進(jìn)行爆破,降低爆破震動(dòng)對(duì)生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的影響,并加強(qiáng)疏排水工作,確保邊坡穩(wěn)定,達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

(3) 采用二維和三維離散元結(jié)合的方式對(duì)露天礦高陡巖質(zhì)邊坡天然和開挖狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,較好地模擬了節(jié)理、斷層等不連續(xù)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;計(jì)算得出在天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.28,開挖后安全系數(shù)為1.26,說明開挖的擾動(dòng)及爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響,但現(xiàn)開挖階段邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)結(jié)果也驗(yàn)證了離散元法在分析節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題上是適用的并具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

(4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及離散元數(shù)值模擬,分析出采場(chǎng)邊坡開挖前后的位移量及應(yīng)力變化情況,分階段、有針對(duì)性的提出相應(yīng)的加固措施。