孫言飛

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司)

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的逐步實施，我國礦業(yè)開發(fā)和基礎(chǔ)建設(shè)在非洲迅猛發(fā)展。在非洲剛果(金)的礦產(chǎn)資源開采中，以露天開采為主要開采方式。由于非洲歷史原因，表層易采資源量殘留極少，礦產(chǎn)資源的開采快速轉(zhuǎn)向深部。對露天開采而言，“深部”即為邊坡逐漸演化為高邊坡[1]。高邊坡揭露面積大，受各種誘因影響，更容易發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害。如何保證礦山安全生產(chǎn)過程中邊坡的穩(wěn)定，不僅成為各企業(yè)重要的安全任務(wù)，也成為各企業(yè)重要的科技項目。通過系列的工程技術(shù)方法，以期實現(xiàn)從“被動治理”到“主動防控”的跨越。

以剛果(金)某銅礦邊坡為例，系統(tǒng)介紹了該邊坡的工程地質(zhì)特征、巖體力學(xué)特征、邊坡破壞模式、邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及安全監(jiān)測預(yù)警方法。

1 礦山概況

1.1 交通位置

該銅礦位于剛果(金)盧阿拉巴省的科盧韋齊市西南郊區(qū)，礦區(qū)中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)25°27′15″，南緯10°43′30″。

1.2 開采現(xiàn)狀

該礦開采方式為露采+汽車運輸。目前，年采剝能力1 400萬m3。形成采坑長1.4 km，寬度616 m，采坑頂界最高標(biāo)高1 430 m，開拓水平的最低標(biāo)高1 322 m，形成的采坑垂直最大高度108 m，臺階高度12 m，見圖1。

圖1 采場開采現(xiàn)狀

現(xiàn)狀東幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，單臺階高12 m，邊坡高108 m，邊坡角17°。

現(xiàn)狀北幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，單臺階高12 m，邊坡高108 m，邊坡角19°～23°。

現(xiàn)狀西幫剝離形成+1 334～+1 406 m臺階，邊坡高72 m，邊坡角16°。

現(xiàn)狀南幫剝離形成+1 322～+1 430 m臺階，邊坡高108 m，邊坡角18°～24°。

2 影響邊坡穩(wěn)定性因素分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素一般有巖體工程地質(zhì)特征、水、動力因素(爆破振動、地震)等。

2.1 巖體工程地質(zhì)特征

礦區(qū)位于科盧韋齊推覆體中，邊坡巖性較復(fù)雜，產(chǎn)狀變化大，巖石風(fēng)化作用、巖溶作用強烈，構(gòu)造破碎帶發(fā)育，巖石破碎，強度變化大。

2.2 水對邊坡穩(wěn)定性的影響

(1)降雨。礦區(qū)屬于熱帶草原氣候，雨季下雨較為頻繁，對由第四系、砂巖、泥巖組成的上部邊坡穩(wěn)定性影響大。

(2)地下水。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡體內(nèi)強、弱含水層交替出現(xiàn)，含水層多、分布廣，地下水具有較大的靜水壓力。

2.3 動力因素

(1)爆破振動。目前開采集中在露天采場近地表部分，邊坡巖體主要為風(fēng)化的砂巖、泥巖、白云巖，剝離主要采用機械開挖的方式；礦體賦存在硅化白云巖中，硬度高，揭露區(qū)域采用爆破方式開采。生產(chǎn)爆破未采取減震措施，有強烈震感，對邊坡穩(wěn)定有影響。

(2)地震。礦區(qū)所在地?zé)o地震記錄。地震對該礦邊坡穩(wěn)定性的影響，參考美國地震局對剛果金地震加速度劃分。

2.4 構(gòu) 造

F1、F3斷層穿越整個采場，切割邊坡，對邊坡穩(wěn)定性不利。

3 邊坡穩(wěn)定性研究

邊坡穩(wěn)定性研究是一項系統(tǒng)性的工作，涉及到邊坡地質(zhì)條件調(diào)查、邊坡巖體力學(xué)參數(shù)特征研究、邊坡破壞模式判斷、邊坡穩(wěn)定性研究方法選取等。

3.1 邊坡地質(zhì)分區(qū)及破壞模式

邊坡設(shè)計高度216 m，最終邊坡角31°～44°，屬于中高邊坡。根據(jù)邊坡巖體工程地質(zhì)特征、邊坡形態(tài)、破壞模式等，邊坡穩(wěn)定性研究工程地質(zhì)分為8個區(qū)，如圖2所示。

圖2 邊坡穩(wěn)定性研究地質(zhì)分區(qū)

各分區(qū)特征描述及邊坡破壞模式見表1。

表1 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及破壞模式

3.2 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)選取

廣義Hoek-Brown經(jīng)驗強度準(zhǔn)則[2]為：

(1)

式中，σ1、σ3分別為巖體破壞時的最大、最小主應(yīng)力，MPa；σc為巖塊單軸抗壓強度，MPa，可以由單軸壓力試驗和點載荷試驗確定；mb、S、a均為巖體的Hoek-Brown常量。

根據(jù)式(1)，利用Rocscience軟件RocDate模塊對邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進行計算，結(jié)果如表2。

表2 穩(wěn)定性計算巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 邊坡穩(wěn)定性計算分析

(1)動力因素。爆破振動加速度的處理方法采用擬靜力法，將高頻的爆破振動加速度轉(zhuǎn)換為頻率與地震頻率相當(dāng)?shù)摹⑴c邊坡穩(wěn)定性密切相關(guān)的1 Hz 頻率的等效加速度[3]，可按下式計算：

(2)

式中，b為等效加速度的頻率影響系數(shù)，可取為1.05～1.20，頻率高時取大值；f為振動頻率，Hz；af為現(xiàn)場實測加速度值，地震見圖3，取0.047 6g。

(2)水因素。定性計算水位由滲流場導(dǎo)入。

根據(jù)以上原則，該銅礦邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如圖3。

圖3 各分區(qū)剖面邊坡最小安全系數(shù)

由圖4、圖5，D區(qū)、H區(qū)邊坡安全系數(shù)不滿足要求。由表1，導(dǎo)致D區(qū)、H區(qū)邊坡穩(wěn)定性不滿足要求的主要原因位F1、F3斷層。由于F1、F3斷層分布在邊坡內(nèi)部位置較深，錨固措施不合理，采取優(yōu)化邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)(圖4、圖5)提高穩(wěn)定性，優(yōu)化后其安全系數(shù)分別為1.153、1.151。

圖4 D區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

圖5 H區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

4 邊坡監(jiān)測預(yù)警

滑坡的正確預(yù)報應(yīng)該基于合理選定適宜的預(yù)測模型和完善的預(yù)測結(jié)果?；骂A(yù)測預(yù)報模型很多，具體見表3。

表3 滑坡預(yù)報的模型和方法

4.1 基于時間序列的位移突變模型建立

由于邊坡滑動破壞是一個時空效應(yīng)的漸進破壞過程，所以位移值隨時間變化規(guī)律可用連續(xù)函數(shù)S=f(t)來描述。選取關(guān)鍵部位不同時間的位移值，擬合成巖體位移—時間曲線的泰勒級數(shù)形式，截取至4次項，化成尖點突變的標(biāo)準(zhǔn)勢函數(shù)形式，可得到位移突變模型。

4.2 初始預(yù)警值的確定

初始預(yù)警值可以根據(jù)邊坡極限狀態(tài)下位移分布圖確定。本研究以結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后的D區(qū)、H區(qū)邊坡為例，其極限狀態(tài)下位移分布見圖6、圖7。

圖6 D區(qū)邊坡極限狀態(tài)下位移分布 (單位：m)

圖7 H區(qū)邊坡極限狀態(tài)下位移分布 (單位:m)

由圖6可見，17 mm為D區(qū)邊坡預(yù)警初值；由圖7可見，15 mm為H區(qū)邊坡預(yù)警初值。

4.3 基于統(tǒng)計模型與位移反分析模型聯(lián)合預(yù)警

由數(shù)值模擬給出邊坡各個分區(qū)的初始預(yù)警值，在正常生產(chǎn)過程中，通過位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，予以區(qū)域安全度劃分；依據(jù)突變模型，建立基于時間序列的位移突變統(tǒng)計模型，判斷邊坡的破壞情況，與邊坡破壞實際相結(jié)合，不斷修正預(yù)警值；同時，建立位移反分析模型反演巖土體力學(xué)參數(shù)，重新計算邊坡穩(wěn)定性，從而對邊坡進行突變與安全系數(shù)的聯(lián)合預(yù)警，即實現(xiàn)臨滑、中短期、長期預(yù)報預(yù)警。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)造對該礦邊坡的穩(wěn)定性影響大，其所在D區(qū)、H區(qū)邊坡安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

(2)D區(qū)、H區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整主要以消除構(gòu)造對邊坡穩(wěn)定性影響為主，優(yōu)化調(diào)整后，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

(3)應(yīng)用統(tǒng)計模型與位移反分析模型聯(lián)合預(yù)警可實現(xiàn)邊坡臨滑、中短期、長期預(yù)報預(yù)警。