常 鑫 劉樹新
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010 )
露天邊坡是露天采礦中最重要的研究對象,幾乎所有的露天采礦問題都是圍繞邊坡產(chǎn)生的,在對邊坡的性質(zhì)及變化規(guī)律展開深入探討時(shí),邊坡力學(xué)參數(shù)是最具代表性且不可規(guī)避的重要元素,在工程實(shí)踐中,能否獲取準(zhǔn)確的邊坡力學(xué)參數(shù),直接影響著現(xiàn)場工程能否安全順利地進(jìn)行下去,受到復(fù)雜地質(zhì)條件的影響以及實(shí)驗(yàn)室分析的局限性,計(jì)算分析出的力學(xué)參數(shù)總是趨于理想化,與實(shí)際情況相差較大,以至于在大部分情況下,實(shí)驗(yàn)室分析得出的數(shù)據(jù)難以真正地應(yīng)用于現(xiàn)場并預(yù)測指導(dǎo)工程實(shí)踐。
究其根源,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測定與專家經(jīng)驗(yàn)分析法過多地依賴于現(xiàn)場取樣,但在通常情形下,現(xiàn)場采集的樣本并不能很好地代表實(shí)際巖土的物理力學(xué)特性,自然狀態(tài)下的巖體賦存在極其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中,是一個(gè)巨大的連續(xù)體,而實(shí)驗(yàn)室的研究樣本脫離了巖體實(shí)際賦存環(huán)境成為了獨(dú)立的個(gè)體,且在實(shí)驗(yàn)室研究的過程中,為了簡化研究手段,往往過度地將樣本做理想化處理,忽略了巖體的內(nèi)部裂隙節(jié)理對試驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響。毋庸置疑,傳統(tǒng)意義下的方法,不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、消耗大量的試驗(yàn)成本,而且在很多時(shí)候難以高效精準(zhǔn)地確定出邊坡參數(shù),不利于工程的發(fā)展?;谶吰挛灰铺岢龅膮?shù)反分析,通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型,利用有限差分算法,能將巖體的物理力學(xué)特性有效地反饋于計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng),通過多次迭代,求解出最接近于實(shí)際工程的參數(shù)組合,真正做到由定性化分析轉(zhuǎn)化為定量化分析的過程。
黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部,整個(gè)煤田被廣厚的黃土所掩蓋,部分為風(fēng)積沙覆蓋。由于風(fēng)蝕、水流向源侵蝕造成黃土高原的復(fù)雜地形地貌,溝谷縱橫交錯(cuò),樹枝狀的沖溝十分發(fā)育,地質(zhì)條件極為復(fù)雜。地形西北高東南低,最高處海拔標(biāo)高1365.5 m,最低處海拔標(biāo)高870 m,相對高差為495.5 m。煤田地表水系屬于黃河支流,多數(shù)是季節(jié)性河流。屬于大陸性半干燥氣候,冬季寒冷,夏季炎熱,春秋兩季氣溫變化劇烈,全年降水量較小,蒸發(fā)量較大,常有春旱現(xiàn)象。
區(qū)內(nèi)可采及局部可采煤層有5#煤層、6#煤層、9#煤層,其中6#、9#煤層為復(fù)煤層。本區(qū)軟弱巖層為煤層頂板粘土巖及煤層上部風(fēng)化煤。由于水流作用及重力影響,區(qū)內(nèi)黃土往往在地形低洼處形成滑坡,因黃土垂直節(jié)理發(fā)育,常沿節(jié)理面有崩落現(xiàn)象。落體一般5~30 m3。
總體上來說,該露天煤礦節(jié)理、裂隙、斷層發(fā)育程度較大,加之風(fēng)力、水力常年的侵蝕作用,全區(qū)巖體完整性、穩(wěn)定性較差,利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測定法難以對邊坡參數(shù)做出有效的確定,因此以位移反分析法,通過FLAC3D建立地質(zhì)模型,迭代優(yōu)化確定出最接近于實(shí)際情況的有效參數(shù)組合。
位移反分析就是以施工現(xiàn)場監(jiān)測到的位移及相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ),建立原始數(shù)據(jù)樣本,根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件用FLAC3D等模擬軟件模擬生成相應(yīng)的幾何模型,結(jié)合物理分析與數(shù)學(xué)計(jì)算構(gòu)建出若干組待反演參數(shù)的實(shí)驗(yàn)樣本,通過FLAC3D等模擬軟件的多次運(yùn)算、迭代,得到與真實(shí)地質(zhì)條件下巖體力學(xué)參數(shù)值最為接近的數(shù)據(jù),包括彈性模量、初始地應(yīng)力、強(qiáng)度指標(biāo)及相關(guān)變形參數(shù)等,然后將這些反演得出的參數(shù)反饋于本構(gòu)模型中,預(yù)測巷道圍巖可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形情況,做出及時(shí)的支護(hù)與預(yù)防措施。其最終目的是建立一個(gè)輸出位移無限接近于現(xiàn)場實(shí)測位移的理論本構(gòu)模型,精確地反映巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為,作為工程施工的指導(dǎo)依據(jù)。
選用FLAC3D作為構(gòu)建該礦山邊坡模型數(shù)值模擬軟件,具體方法如下:
(1)選取黑岱溝露天煤礦作為邊坡算例,邊坡高度為358 m,坡角為47.6°,對于邊坡這樣縱向長度較大的實(shí)體,計(jì)算模型可簡化為平面應(yīng)變問題,故可通過有限差分軟件FLAC3D沿坡面線的垂直方向建立該礦的邊坡簡化模型,如圖1所示。
圖1 邊坡簡化模型
(2)X、Y軸分別代表坡面線的法線方向與巖層方向。
(3)根據(jù)該礦山的地質(zhì)賦存條件,邊坡圍巖均屬同一巖性,且符合摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),將該礦邊坡模型擬定為摩爾-庫侖本構(gòu)模型。
(4)考慮到模擬的精度與時(shí)間效應(yīng),為保證運(yùn)算的可行性,需設(shè)定合理的網(wǎng)格模型,由生成的模型可看出,該模型由28021個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和23166個(gè)單元數(shù)構(gòu)成。
(5)由地質(zhì)勘探資料顯示,該礦區(qū)巖體的原始應(yīng)力主要是由巖體的自重引起的,故將該模型的初始應(yīng)力場擬定為自重應(yīng)力場。
(6)該邊坡模型的邊界設(shè)定為底部與左右兩側(cè)約束,上部自由,即確定邊坡左右邊界沿水平方向的位移為零,下邊界沿豎直方向的位移為零。
利用位移反分析反演邊坡力學(xué)參數(shù)時(shí),邊坡監(jiān)測點(diǎn)的選取,直接影響到試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與適用性。因此,對測點(diǎn)的擬定,不僅要滿足隨機(jī)性,還應(yīng)考慮到在工程實(shí)踐中對該測點(diǎn)進(jìn)行位移實(shí)時(shí)監(jiān)測的難度與可行性。鑒于以上各因素,擬選定3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)作為試驗(yàn)對象,測點(diǎn)位置分布見圖2,其坐標(biāo)分別為A(195, 43 , 327),B(162, 34, 169),C(144, 25 , 48)。在自重應(yīng)力的作用下,邊坡的位移變化量主要以沿X軸方向的水平位移與沿Z軸方向的鉛直位移為主,故在現(xiàn)場監(jiān)測中,將各個(gè)測點(diǎn)的X方向上與Z軸方向上的位移變化量作為主要監(jiān)測目標(biāo),經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,3個(gè)測點(diǎn)的位移變化值見表1。
圖2 測點(diǎn)位置分布圖
測點(diǎn)坐標(biāo)位移變化值X軸/cmZ軸/cmA(195,43,327)2.01.8B(162,34,169)2.41.3C(144,25,48)2.70.9
該露天煤礦節(jié)理、裂隙、斷層發(fā)育程度較大,加之風(fēng)力、水力常年的侵蝕作用,全區(qū)巖體完整性、穩(wěn)定性較差,導(dǎo)致巖體部分力學(xué)參數(shù)難以通過實(shí)驗(yàn)室測定精準(zhǔn)給出,在現(xiàn)場實(shí)測中,只給出了這類參數(shù)的理論范圍。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),得到該邊坡巖體力學(xué)參數(shù)取值:密度ρ=2670 kg/m3,內(nèi)摩擦角ψ=18°~23°,彈性模量E=4.8 GPa,粘聚力C=9~13 kPa,泊松比v=0.3,體積模量K=4.0 GPa,剪切模量G=1.84 GPa。
根據(jù)粘聚力與內(nèi)摩擦角的取值范圍,可通過均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行樣本的構(gòu)造,初步設(shè)計(jì),選取測點(diǎn)B的實(shí)測位移值作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),將各待反演參數(shù)的差值梯度設(shè)為1,經(jīng)參數(shù)隨機(jī)組合,一共可形成30種組合方案,參數(shù)方案組合見表2。
表2 參數(shù)方案組合表
針對上述方案組合情況,用有限差分元軟件FLAC3D分別進(jìn)行模擬,監(jiān)測、繪制目標(biāo)測點(diǎn)的位移變化過程,并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,找出與實(shí)測位移值最接近的參數(shù)組合,即為邊坡力學(xué)參數(shù)反演的最優(yōu)參數(shù)組合。通過模擬,選取與實(shí)測數(shù)據(jù)相差最小與相差最大的參數(shù)組合進(jìn)行對比。其中,試驗(yàn)中22方案的參數(shù)組合最符合實(shí)測結(jié)果,試驗(yàn)方案1為該邊坡在X、Z軸方向位移變化極大值的參數(shù)組合,試驗(yàn)方案30為該邊坡在X、Z軸方向的位移變化極小值的參數(shù)組合,不同試驗(yàn)方案位移云圖見圖3、4、5,X、Z軸方向上的位移對比曲線如圖6所示,參數(shù)組合對比如表3所示。
根據(jù)以上模擬分析可知,當(dāng)粘聚力為10 kPa,內(nèi)摩擦角為22°時(shí),模擬邊坡位移與實(shí)測位移最為接近,為消除試驗(yàn)偶然性,需對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反饋分析,即將擬定最優(yōu)參數(shù)組合反饋于本構(gòu)模型,通過A、C測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。
圖3 試驗(yàn)22方案位移云圖
圖4 試驗(yàn)1方案位移云圖
圖5 試驗(yàn)30方案位移云圖
試驗(yàn)方案內(nèi)摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模擬位移Um/cmX軸Z軸實(shí)測位移Us/cmX軸Z軸2222102.441.3511894.602.203023130.530.332.401.30
圖6 X、Z軸位移對比曲線
測點(diǎn)內(nèi)摩擦角ψ/(°)粘聚力C/kPa模擬位移Um/cmX軸Z軸實(shí)測位移Us/cmX軸Z軸A22102.041.732.01.8C22102.840.922.70.9
通過結(jié)果對比,測點(diǎn)A、C處的位移模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的差值在0.2~1.4 mm之間,誤差較小,滿足試驗(yàn)要求,故認(rèn)為模擬結(jié)果符合實(shí)際情況。將該邊坡的待反演參數(shù)初步設(shè)定為粘聚力C=10 kPa,內(nèi)摩擦角ψ=22°。
(1)通過FLAC3D數(shù)值模擬,初步得出黑岱溝露天煤礦邊坡的力學(xué)參數(shù)組合,即粘聚力C為10 kPa,內(nèi)摩擦角ψ為22°,將反演參數(shù)反饋于本構(gòu)模型,得出的模擬位移與實(shí)測位移基本相同,驗(yàn)證了邊坡位移分析法的可行性。
(2)分析試驗(yàn)樣本的結(jié)果數(shù)據(jù)不難得出,內(nèi)摩擦角與粘聚力的不同組合對邊坡位移形變影響較大,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在其他條件不變的情況下,粘聚力與內(nèi)摩擦角越小,位移形變量越大。