孫銘辰，孫厚廣，鐘小宇，曹 旺，陳曉青

(1.遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051； 2.鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)公司，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析是了解開采過程中坡體演變過程[1]，并為邊坡所處的安全狀態(tài)和失穩(wěn)預(yù)測提供可靠數(shù)據(jù)的科學(xué)方法[2-5]。通過邊坡監(jiān)測信息[6-8]了解巖土體變形的范圍和演化趨勢[9]，合理預(yù)測邊坡可能發(fā)生破壞的時間和空間[10-14]，以便于及時采取措施，確定優(yōu)化方案，合理解決邊坡失穩(wěn)破壞問題。

目前采用傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時，由于其模型僅考慮邊坡形態(tài)、力學(xué)參數(shù)對坡體穩(wěn)定性的影響[15]，無法反映邊坡開挖卸荷作用對邊坡安全系數(shù)的影響[16]，因此，筆者在分析露天礦邊坡開采過程中的穩(wěn)定性時，不僅考慮坡體形態(tài)變化，還考慮開挖卸荷對巖體的劣化作用，并結(jié)合現(xiàn)場變形監(jiān)測信息對坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)預(yù)測評價(jià)。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

由于露天礦邊坡在頻繁爆破開采過程中，邊坡形態(tài)與力學(xué)參數(shù)長期處于動態(tài)變化過程中，因此筆者結(jié)合巖體劣化本構(gòu)模型[17]與強(qiáng)度折減法[18]，提出一種邊坡動態(tài)穩(wěn)定性的分析方法。

1.1 巖體劣化本構(gòu)模型

(1)

在開挖卸荷后巖體應(yīng)力重新分布，內(nèi)部原生裂隙不斷擴(kuò)展，這些細(xì)觀裂隙的發(fā)育擴(kuò)展[20]導(dǎo)致邊坡發(fā)生垮塌現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為原生裂隙的二次擴(kuò)展和新裂隙萌生過程是巖體微觀結(jié)構(gòu)不斷分離、連通的過程，在這一過程中，巖體黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ與抗拉強(qiáng)度T不斷降低。即表明在該脆性巖體劣化本構(gòu)模型中，巖體各力學(xué)參數(shù)均是關(guān)于等效塑性應(yīng)變的變化函數(shù)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和反分析可以將其簡化為線性分段函數(shù)，見圖1。圖1中φd為卸荷后巖體殘余內(nèi)摩擦角，Cd為卸荷后巖體殘余黏聚力，Td為卸荷后巖體殘余抗拉強(qiáng)度。

圖1 巖體卸荷區(qū)力學(xué)參數(shù)劣化過程

在該模型中，每一時步計(jì)算中模型的力學(xué)參數(shù)均需根據(jù)等效塑性應(yīng)變的變化情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則作為其剪切屈服函數(shù)。進(jìn)入屈服狀態(tài)后的巖體力學(xué)狀態(tài)隨等效塑性應(yīng)變不斷變化，屈服面也是等向或沿等傾線動態(tài)變化；同時將巖體內(nèi)部原生裂隙對巖體強(qiáng)度的干擾納入考慮范圍，調(diào)整最大主應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，由于抗拉強(qiáng)度也是以等效塑性應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)定義的動態(tài)函數(shù)，故可通過計(jì)算分析反映不同狀態(tài)下微觀裂隙的萌生、擴(kuò)展對巖體強(qiáng)度的影響，最終在FLAC平臺上調(diào)用CRDM.dll動態(tài)鏈接庫文件進(jìn)行模擬。

1.2 強(qiáng)度折減法

Griffiths等提出的有限元強(qiáng)度折減法理論主要采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，即利用C和φ兩個強(qiáng)度指標(biāo)來代替巖體力學(xué)特性參數(shù)，且利用一個折減系數(shù)Fs對C和φ兩個參數(shù)進(jìn)行折減來獲取平面應(yīng)變問題中的最小安全系數(shù)，可分別由式(2)和式(3)求得參數(shù)C′和φ′并取代原參數(shù)，直至計(jì)算收斂。而彈性模量E、泊松比μ在計(jì)算中假設(shè)為定值，不隨C、φ的改變而變化。

(2)

(3)

式中：C′為折減后黏聚力；φ′為折減后內(nèi)摩擦角；F為折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減法的實(shí)質(zhì)就是通過折減巖體抗剪強(qiáng)度，使得最大抗剪強(qiáng)度線性函數(shù)逐漸向巖體莫爾應(yīng)力圓靠近的過程，當(dāng)兩函數(shù)處于相切狀態(tài)時，巖體的安全系數(shù)即可用此刻的折減系數(shù)Fs來表述。

由于巖體力學(xué)參數(shù)隨著開挖的進(jìn)行而動態(tài)變化，因此在利用強(qiáng)度折減法分析時，邊坡的巖體參數(shù)隨著開采狀態(tài)動態(tài)調(diào)整。其中在FLAC軟件中，通過強(qiáng)度折減收斂得到安全系數(shù)時需先利用RDM本構(gòu)模型獲取模型中所有單元的力學(xué)參數(shù)，然后再將單元參數(shù)自動賦予邊坡計(jì)算模型中，最后實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析。

2 齊大山露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)警方法

2.1 露天礦概況

齊大山露天鐵礦是亞洲最大的露天礦，其邊坡全貌如圖2所示。該礦位于鞍山市的東北郊千山區(qū)調(diào)軍臺村，礦床的大致走向?yàn)槲鞅薄蠔|向，現(xiàn)已經(jīng)開采至-243 m，其封閉圈的標(biāo)高為+42 m，礦坑南北長度為3 400 m，礦坑的寬度大約為1 000 m。原一期到界邊坡長度1 540 m，邊坡標(biāo)高+30～-187 m，最大邊坡高度220 m，邊坡角35°32′。

圖2 齊大山露天礦邊坡全貌

采場南采區(qū)東幫邊坡，二期擴(kuò)建到界邊坡長度1 370 m，邊坡標(biāo)高+154～+76 m，邊坡高度78 m，邊坡角32°10′，邊坡巖性主要為第四系、混合巖、石英綠泥片巖。采場西幫邊坡長度1 930 m，邊坡標(biāo)高+42～-30 m，最大邊坡高度72 m，邊坡角38°69′。邊坡巖性主要為第四系千枚巖。目前該礦進(jìn)入擴(kuò)幫開采期，其邊坡穩(wěn)定性是安全生產(chǎn)的重要保障，因此對其進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)至關(guān)重要。

2.2 露天礦邊坡穩(wěn)定性實(shí)時監(jiān)測

由于齊大山露天礦坑?xùn)|北幫區(qū)域穩(wěn)定性較差，在擴(kuò)幫期間出現(xiàn)了幾次小型破壞，因此根據(jù)工程需要在該區(qū)域布設(shè)了3個GPS監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 邊坡監(jiān)測點(diǎn)

3個監(jiān)測點(diǎn)于2018年10月15日開始采集變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，變形觀測周期設(shè)置為2 h，結(jié)果見圖4。

圖4 滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖4可以看出，利用GPS對邊坡進(jìn)行了長達(dá)近一個月時間的連續(xù)監(jiān)測，由于監(jiān)測點(diǎn)3邊坡下部擴(kuò)幫工程持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)3的變形持續(xù)增大，在10月15日至10月30日期間，該監(jiān)測點(diǎn)變形始終保持6.5 mm/d的變形速率，在10月30日前后，變形量累計(jì)為8 cm，但此時監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2的變形速率十分穩(wěn)定，而且其變形值僅為2～3 mm(圖5中曲線基本重合)。以上數(shù)據(jù)可以表明監(jiān)測點(diǎn)3附近的邊坡在擴(kuò)幫過程中，存在潛在失穩(wěn)的可能性。

在10月30日至11月6日期間，監(jiān)測點(diǎn)3的變形進(jìn)一步增大，而且變形速率較之前線性增長階段大大提高，其中11月1日至11月6日變形速率分別為50.4、40.7、78.3、91.7、156.0、176.0 mm/d,截至11月6日，該點(diǎn)處的空間變形量累計(jì)已超過 1 m。參考前述同類巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)案例，當(dāng)位移速率為10～100 mm/d時，邊坡發(fā)生滑坡的概率較大，因此可以判斷齊大山露天礦東北幫邊坡已經(jīng)達(dá)到失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。

2.3 露天礦邊坡穩(wěn)定性動態(tài)預(yù)警方法

露天礦邊坡開采卸荷過程是復(fù)雜的多空間、時效性強(qiáng)的系統(tǒng)工程，且具有難度自增等特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在開挖深度增加和開挖尺寸增大等條件下巖體潛在滑移面裂隙演化發(fā)育變化情況復(fù)雜，無法簡單利用顯式數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來反映開挖引起的邊坡位移量值與邊坡安全系數(shù)Fs之間的變化規(guī)律。為了更準(zhǔn)確反映邊坡巖體位移量和安全系數(shù)的關(guān)系，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，簡稱ANN)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測未知數(shù)據(jù)來分析邊坡巖體位移與安全系數(shù)之間的變化規(guī)律，并得出兩者的非線性函數(shù)關(guān)系。

為獲得邊坡位移與安全系數(shù)的非線性映射關(guān)系，可按如下步驟依次進(jìn)行：

1)將抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值作為模型主要影響因素構(gòu)建參數(shù)組合表，并結(jié)合ANSYS、FLAC3D等數(shù)值計(jì)算軟件獲得監(jiān)測點(diǎn)的變形位移值D的信息，從而建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)初始可靠樣本；

2)將位移值D和抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量和輸出向量進(jìn)行迭代收斂，并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

3)當(dāng)獲得成熟、準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練次數(shù)時，即表示成功建立了具有高強(qiáng)度非線性映射關(guān)系的邊坡實(shí)測位移值D與邊坡動態(tài)安全系數(shù)Fs的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

4)將露天礦開采過程中的邊坡實(shí)測位移值D作為輸入向量，即可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得露天礦開采卸荷過程中邊坡動態(tài)抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值；

5)將獲得的每組抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、φ值代入數(shù)值計(jì)算軟件做一次正向計(jì)算，即可獲得露天礦開采過程中邊坡的動態(tài)安全系數(shù)Fs。

由上述步驟即可建立露天礦開采過程中邊坡實(shí)測位移值D與邊坡動態(tài)安全系數(shù)Fs的一一對應(yīng)的樣本空間。并進(jìn)一步建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算二維模型，如圖5所示。

圖5 邊坡二維計(jì)算模型

利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算可得巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)范圍,如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)范圍值

根據(jù)前文所述流程，通過FLAC3D數(shù)值計(jì)算構(gòu)造不同巖體下邊坡位移的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本空間。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立露天礦開采過程邊坡位移與黏聚力、內(nèi)摩擦角非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將現(xiàn)場實(shí)測位移值輸入進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中，獲得動態(tài)黏聚力和內(nèi)摩擦角，再將其作為抗剪強(qiáng)度參數(shù)通過FLAC3D進(jìn)行正向運(yùn)算，得到對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)Fs。

按照前述所示流程，以邊坡位移值為輸入，安全系數(shù)為輸出，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代收斂訓(xùn)練后，可獲得露天礦開采過程邊坡位移與動態(tài)安全系數(shù)非線性映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場實(shí)測位移值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到露天礦邊坡水平位移與動態(tài)安全系數(shù)之間關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 露天礦水平位移與安全系數(shù)的關(guān)系曲線

根據(jù)上述研究成果，并結(jié)合現(xiàn)場邊坡表面的位移監(jiān)測結(jié)果確定了齊大山露天礦邊坡穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)，見表2。根據(jù)齊大山露天礦擴(kuò)幫過程邊坡穩(wěn)定性分析與預(yù)警指標(biāo)，在邊坡進(jìn)入到臨界狀態(tài)時，需要停止擴(kuò)幫作業(yè)，全面勘查邊坡的具體形態(tài)，明確何種原因?qū)е逻吰伦冃纬掷m(xù)增大，必要時根據(jù)工程進(jìn)度與開采情況進(jìn)行邊坡處理。如果邊坡達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài)，則須及時停止作業(yè)，并清退現(xiàn)場作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備，待查明原因并處理后再重新進(jìn)行開采作業(yè)。

表2 齊大山露天礦邊坡預(yù)警指標(biāo)

3 結(jié)語

1)依據(jù)現(xiàn)場變形監(jiān)測，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)一套基于邊坡變形的安全系數(shù)動態(tài)評價(jià)方法，可以實(shí)現(xiàn)邊坡的實(shí)時預(yù)警。

2) 邊坡動態(tài)預(yù)警方法結(jié)合巖體損傷力學(xué)本構(gòu)模型，通過力學(xué)計(jì)算判斷邊坡巖體力學(xué)狀態(tài),再利用強(qiáng)度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行動態(tài)實(shí)時評價(jià)。在計(jì)算時邊坡的巖體參數(shù)隨著開采狀態(tài)而動態(tài)調(diào)整。

3)建立了露天礦開采過程邊坡位移與動態(tài)安全系數(shù)一一對應(yīng)關(guān)系。在位移值增大初期，安全系數(shù)迅速減小，中期減小速率趨于平緩，后期減小速率逐漸加快。