肖祖榮 王貽明 張敏哲 胡 勝 王 劍 李劍秋

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

露天礦山的閉坑,往往遺留下陡峭的邊坡,存在滑坡風(fēng)險(xiǎn),易在降雨后發(fā)生泥石流等災(zāi)害,造成人員損傷和環(huán)境的破壞[1-2]。尾礦作為全球數(shù)量最大的工業(yè)廢渣,如何處置一直是難題,閻文慶[3]總結(jié)了各堆存方式的特點(diǎn)、適用環(huán)境和對(duì)應(yīng)需注意的因素。任思潼等[4]提出誘導(dǎo)冒落協(xié)同地表充填塌陷坑來(lái)治理采空區(qū)。廉杰等[5]概括了各種治理露天坑的措施,闡述了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。

利用露天坑改建尾礦庫(kù)的回填方式有很多種,代永新[6]系統(tǒng)闡述了采坑改建尾礦庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù),王玉文等[7]對(duì)露天坑做尾礦庫(kù)和地下礦巖穩(wěn)定性進(jìn)行了巖體力學(xué)研究。謝盛青等[8]利用全尾砂膠結(jié)充填對(duì)中南地區(qū)某銅礦進(jìn)行治理,有效隔斷了地表水灌入井下的通道,同時(shí)降低了邊坡高度,解決了尾礦堆存問(wèn)題。盧宏建等[9]針對(duì)提出的露天采坑尾砂膠結(jié)充填治理方案,利用石人溝鐵礦尾砂解決礦山遺留的露天采坑和地下空區(qū)的安全隱患問(wèn)題。王曉帆[10]探討了尾礦地表堆存的技術(shù)原理,總結(jié)了影響膏體堆存的各種因素。郭雷等[11]創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了白音查干多金屬礦全尾砂膏體充填與膏體堆存聯(lián)合處置系統(tǒng)。

目前對(duì)于磷石膏干堆和濕排的尾礦壩穩(wěn)定性研究較多,但是對(duì)于磷石膏膠結(jié)堆存的研究較少,且大多是針對(duì)整體設(shè)計(jì)圖進(jìn)行模擬分析。本研究依托貴州某磷礦山,運(yùn)用極限平衡法和數(shù)值模擬方法,綜合分析磷石膏堆積體邊坡的穩(wěn)定性,并進(jìn)行分次堆積模擬對(duì)比一次成形堆積的差異,所得的結(jié)論更具有科學(xué)性,同時(shí)也為其他礦山磷石膏堆存提供了一定的借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本研究以貴州省福泉市某磷礦采坑為工程背景,采坑由周邊村民私采濫挖所致,礦坑容積高達(dá)1.15×106m3,陡峭的邊坡存在滑坡的巨大隱患,嚴(yán)重影響周邊公路的穩(wěn)定性,故采用磷石膏堆存對(duì)該礦坑進(jìn)行治理。提前利用堿性激發(fā)劑激發(fā)磷石膏膠凝活性,經(jīng)制漿系統(tǒng)制備完成后,通過(guò)管道自流輸送到露天坑堆積區(qū)域。初期壩采用C20混凝土澆筑,高度為12 m,每一個(gè)子臺(tái)階尺寸為1.2 m×1.2 m(高度×寬度),6個(gè)子臺(tái)階構(gòu)成1個(gè)堆積子壩,充填子壩最上部臺(tái)階充填完畢,向山體方向后退7 m,繼續(xù)充填下一個(gè)子壩,最終形成邊坡高度為66 m,邊坡角度為32°。充填體內(nèi)泌水采用DN100軟式透水管和PE管進(jìn)行排水,同時(shí)收集泌出水以防止污染。露天坑實(shí)景和堆積設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。壩體抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,地震反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,地震基本烈度小于Ⅵ度,露天坑區(qū)域地殼較穩(wěn)定。由于采用膠結(jié)堆存形式進(jìn)行排放,磷石膏自身含水量很低,料漿到庫(kù)里很快固結(jié),沒(méi)有尾礦庫(kù)類(lèi)似的庫(kù)尾積水區(qū),且滲透系數(shù)很小,故分析安全系數(shù)時(shí)不需要考慮浸潤(rùn)線。

圖1 露天坑堆積設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of open pit accumulation

1.2 堆積壩物理力學(xué)參數(shù)

巖石相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)以地質(zhì)勘察報(bào)告及相關(guān)資料為參考,堆積體采用3種配方:(a)磷石膏、(b)磷石膏+石膏和(c)磷石膏+尾礦,利用此3種配方進(jìn)行制塊,參照《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)并折減后得到堆積體的物理力學(xué)參數(shù),具體參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters

2 堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡法原理

目前,磷石膏充填壩的穩(wěn)定性分析沿用土力學(xué)的傳統(tǒng)分析方法,可將其視為土質(zhì)邊坡,采用極限平衡法。其原理為假定邊坡內(nèi)部產(chǎn)生滑動(dòng)面造成了巖土體破壞,確定滑面的位置和形狀,然后在已知滑面上對(duì)邊坡進(jìn)行靜力平衡計(jì)算,求得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[12-14]。瑞典圓弧法于1915年由瑞典K.E.Peterson提出,該法將滑動(dòng)土體當(dāng)成剛體,不考慮條間作用力。Bishop法考慮條間法向力和切向力的作用。Janbu法假定土條法向力的作用點(diǎn)位于其地面以上1/3土條高度處,然后調(diào)整作用點(diǎn)的位置以獲取其安全系數(shù),適用于任何滑動(dòng)面而不必規(guī)定滑動(dòng)面是一個(gè)圓弧面。

2.2 模型建立

根據(jù)充填壩施工總圖和地形地質(zhì)圖,選定垂直于初期壩剖面進(jìn)行分析,利用SLIDE軟件構(gòu)建磷石膏堆積壩的計(jì)算模型,模型以白云巖、富水白云巖和磷灰質(zhì)粉砂巖為基巖,以碎石土填筑基坑后向上分別堆積3種充填體,右下角為初期壩,具體見(jiàn)圖2。

圖2 磷石膏堆積壩體計(jì)算模型示意Fig.2 Schematic of calculation model for phosphogypsum accumulation dam

2.3 穩(wěn)定性分析

由《AQ 2059—2016磷石膏庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》可知我國(guó)磷石膏庫(kù)等級(jí)和壩體抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù),具體見(jiàn)表2和表3。

表2 磷石膏庫(kù)等級(jí)劃分Table 2 Classification of phosphogypsum repositories

表3 壩體抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Table 3 Minimum safety factors for anti-sliding stability of dam body

選擇自動(dòng)搜索網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)默認(rèn)為20×20,分析方法選擇瑞典圓弧法、Bishop法和Janbu法,物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)表1選取。搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面并分析該滑面的最小安全系數(shù),運(yùn)行工況見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定性分析荷載工況Table 4 Load conditions for stability analysis

該磷石膏充填壩設(shè)計(jì)為四等庫(kù),根據(jù)《AQ 2059—2016磷石膏庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》,壩體抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)(Kmin)要求,正常運(yùn)行期間Kmin=1.25;特殊運(yùn)行期間Kmin=1.10。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和圖3、圖4。

表5 堆積壩穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results for stability of accumulation dam

圖3 正常運(yùn)行時(shí)的計(jì)算結(jié)果云圖Fig.3 Cloud chart of calculation results at normal operation

圖4 特殊運(yùn)行時(shí)的計(jì)算結(jié)果云圖Fig.4 Nephogram of the calculation results in the case of particular runtime

由表5可知,充填壩在2種工況下的平均安全系數(shù)為1.331和1.196,各種方法計(jì)算的安全系數(shù)都滿足《AQ 2059—2016磷石膏庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程》的要求,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]選取磷石膏濕排和干堆下的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,具體結(jié)果見(jiàn)表6。從表6中可以看出,磷石膏在干堆和濕排下的安全系數(shù)遠(yuǎn)低于采用膠結(jié)堆存的安全系數(shù),不滿足安全技術(shù)規(guī)程的要求,堆積體有失穩(wěn)下滑的風(fēng)險(xiǎn)。故按照膠結(jié)堆存排放磷石膏,堆積體穩(wěn)定性有顯著的提升。

表6 磷石膏干堆和濕排穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Table 6 Calculation results of dry stack and wet stack stability of phosphogypsum

3 堆積體邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型和邊界條件

通過(guò)南方cass將地形高程點(diǎn)轉(zhuǎn)換為等高線,再利用GTS/NX中的地形生成器生成露天坑區(qū)域曲面,向下拉伸形成地質(zhì)體。根據(jù)尾礦壩設(shè)計(jì)圖建立堆積邊坡,補(bǔ)全基坑后進(jìn)行耦合,然后劃分網(wǎng)格并導(dǎo)入至FLAC3D中,如圖5所示。整個(gè)模型由四面體組成,共899 169個(gè)單元,164 503個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 FLAC3D數(shù)值模型Fig.5 FLAC3D numerical model

計(jì)算本構(gòu)模型采用Mor-Coulomb模型。模型底部為固定約束邊界,地質(zhì)體四周約束位移,坡面設(shè)自由邊界。初始條件僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算所用物理力學(xué)參數(shù)沿用表1,利用FLAC3D強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)時(shí),地質(zhì)體僅參與初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算,不參與強(qiáng)度折減計(jì)算,將地質(zhì)體和基坑碎石土內(nèi)摩擦角調(diào)整至50°[17]。

3.2 整體成形模擬計(jì)算結(jié)果

將地質(zhì)體隱藏以觀察邊坡的模擬計(jì)算結(jié)果,圖6為邊坡的整體位移變化。從圖6可以看出,邊坡左右兩側(cè)和地質(zhì)體交界處X軸位移——即順坡向位移較大,將近20cm的變形,向堆積體中部位移遞減至5cm左右。而邊坡在垂直方向上的最大變形出現(xiàn)在壩頂,最大沉降在50～60 cm之間,沉降由上至下遞減,總體上遠(yuǎn)小于磷石膏干堆變形量[18]。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算出堆積體的安全系數(shù)為1.39,略大于極限平衡法的計(jì)算值,滿足規(guī)程的要求。邊坡的潛在滑移面是判斷邊坡失穩(wěn)和加固的重要依據(jù),堆積體邊坡的剪應(yīng)變速率表明滑移面各點(diǎn)的剪應(yīng)變改變速率要快于沿該點(diǎn)滑移面法線方向上的各點(diǎn)[19]。以初期壩為起點(diǎn),垂直壩軸進(jìn)行切片分析,圖7為數(shù)值模擬所得剪應(yīng)變速率分布圖,可以看出邊坡的最危險(xiǎn)滑移面經(jīng)過(guò)坡腳,而坡腳為混凝土初期壩和地質(zhì)體,能夠有效防止上部堆積體沿潛在滑移面下滑導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

圖6 堆積體位移變化云圖Fig.6 Cloud diagram of displacement variation of accumulation body

圖7 堆積體最大剪應(yīng)變速率云圖Fig.7 Cloud diagram of maximum shear strain rate of accumulation body

3.3 分次成形模擬計(jì)算結(jié)果

實(shí)際工程中,堆積體是由底部分層向上堆積,期間存在應(yīng)力的循環(huán)加載和平衡,故分多次計(jì)算來(lái)模擬堆積過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的變化。由于45個(gè)臺(tái)階劃分網(wǎng)格計(jì)算量過(guò)大,故按照子壩進(jìn)行堆積,共堆積八次,為避免篇幅過(guò)多,僅列出最后堆積計(jì)算結(jié)果。對(duì)比一次成形模擬結(jié)果,位移分布發(fā)生顯著的變化。從圖8中可以看出,X方向上,一至四級(jí)子壩中部位移變化不大,仍為30～40 cm之間,但是兩側(cè)位移降低20 cm,五級(jí)至八級(jí)子壩整體位移降幅巨大,基本在15 cm之內(nèi)。Z方向上,最大沉降處由壩頂轉(zhuǎn)變?yōu)樗募?jí)子壩,沉降在70 cm以上,表現(xiàn)為由中部向兩側(cè)遞減,由四級(jí)和五級(jí)子壩向上下子壩遞減。

圖8 分次堆積位移變化云圖Fig.8 Cloud diagram of fractional accumulation displacement variation

由于分次堆積顯示的是各子壩獨(dú)立的位移變化,故綜合來(lái)說(shuō),邊坡整體的沉降和位移都遠(yuǎn)大于一次性堆積的結(jié)果,這是由于在不斷的堆積過(guò)程中應(yīng)力發(fā)生了消散,重新應(yīng)力平衡使蠕變?cè)黾印Ｓ煞执味逊e模擬位移變化云圖可以看出,水平位移和沉降致使坡角發(fā)生了較大的變化,也將導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)發(fā)生改變。因此,在堆積體的穩(wěn)定性分析中,可對(duì)設(shè)計(jì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行一定的增加。

選定同一剖面各子壩臺(tái)階上的點(diǎn)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),其位移數(shù)據(jù)如圖9所示。每級(jí)子壩堆積后,首先向內(nèi)回縮1～5cm,然后隨著應(yīng)力的不斷加載,向坡外持續(xù)位移。前三級(jí)子壩位移較大,最大位移有50 cm以上,上部子壩位移在20 cm以?xún)?nèi)。從Z方向位移來(lái)看,各子壩臺(tái)階未出現(xiàn)隆起現(xiàn)象,皆向下沉降。一級(jí)和二級(jí)子壩臺(tái)階位移增大至30 cm左右后變形速率迅速下降,穩(wěn)定在30～40 cm之間。三級(jí)和四級(jí)子壩變形速率基本不變,持續(xù)變形至60 cm以上,四級(jí)子壩第五臺(tái)階位移最大,達(dá)到70 cm。六級(jí)至八級(jí)子壩變形速率最大,但是由于計(jì)算時(shí)步相對(duì)比較短,邊坡內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)很快穩(wěn)定下來(lái),位移最小。該位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與礦山利用RTK監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)大部分吻合,但上部分堆積體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍大,推測(cè)是由于現(xiàn)場(chǎng)堆積時(shí)下方邊坡并未達(dá)到應(yīng)力平衡。整體來(lái)說(shuō),數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程情況相近,為磷石膏堆積體邊坡穩(wěn)定性分析提供了一定的理論支持。

圖9 堆積體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化Fig.9 Displacement variation diagram of accumulation body monitoring point

4 結(jié) 論

(1)采用瑞典圓弧法、Bishop法、Janbu法和數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)磷石膏膠結(jié)堆存邊坡典型剖面進(jìn)行分析,堆積壩在正常運(yùn)行和特殊運(yùn)行下的平均安全系數(shù)為1.331和1.196,滿足磷石膏庫(kù)安全技術(shù)規(guī)程的要求。

(2)通過(guò)對(duì)比分析磷石膏在濕排、干堆和膠結(jié)堆存下的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)相同條件下的堆積壩安全系數(shù)對(duì)比干堆和濕排提高30%～50%,對(duì)其他廢料的堆存有一定的借鑒意義。

(3)利用FLAC3D對(duì)膠結(jié)堆存邊坡分次堆積模擬,相較于一次成形堆積邊坡,分次堆積模擬的水平位移和沉降較大。同時(shí),磷石膏的堆積蠕變和邊坡的坡角減小使堆積體安全系數(shù)發(fā)生變化,因此判斷實(shí)際堆積體邊坡穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)考慮堆積體變形因素,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析。