艾樹賢,劉學(xué),王道林

(1.江西江銅銀珠山礦業(yè)有限公司, 江西 貴溪市 335424;2.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司武山銅礦, 江西 九江市 332200;3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

0 引言

永平銅礦作為江西銅業(yè)股份有限公司旗下的主力礦山,多年來為集團(tuán)及下游產(chǎn)業(yè)鏈提供了大量優(yōu)質(zhì)銅金屬資源,同時(shí)也是國內(nèi)少有的露天-地下聯(lián)合開采礦山,產(chǎn)能達(dá)330 t/a。隨著永平銅礦露天及淺部資源的逐步回采完成,產(chǎn)能將迅速下降,且在地表形成了垂高達(dá)444 m的深凹露天坑,邊坡坡度大于42°,屬于高陡邊坡。為維持產(chǎn)能穩(wěn)定,迫切需要對鄰近高陡邊坡的Ⅳ號礦體進(jìn)行回采。然而對其回采之前,必須通過各種手段研判地下回采對高陡邊坡穩(wěn)定性的影響。目前的研判手段主要有理論計(jì)算、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬及物理相似模擬。其中,數(shù)值模擬因其建模方便快捷、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)數(shù)值模擬軟件則主要包括Flac3D、Slide、ABAQUS、Ansys、Geo-Studio等。Geo-Studio中包括的滲流分析模塊(SEEP/W)、應(yīng)力變形分析模塊(SIGMA/W)、邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SLOPE/W),既可以獨(dú)立分析又可以相互進(jìn)行調(diào)用,廣泛應(yīng)用于分析邊坡穩(wěn)定性。鑒于此,本文針對礦山目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀與高陡邊坡特點(diǎn),利用Geo-Studio軟件建立不同剖面下的高陡邊坡-地下礦體回采模型,并分別求解礦體初始狀態(tài)及開挖狀態(tài)下高陡邊坡的安全系數(shù),進(jìn)而對不同位置的邊坡安全等級進(jìn)行分析與分級,為地下礦體的安全回采及采準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型及參數(shù)確定

用Geo-Studio程序建立數(shù)值計(jì)算模型求解不同工程地質(zhì)問題主要包括以下5個(gè)方面的內(nèi)容:設(shè)計(jì)模型尺寸;規(guī)劃計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目和分布;安排工程對象(開挖、支護(hù)等);材料力學(xué)參數(shù)賦值;確定邊界條件。

1.1 模型建立

參考Ⅳ號礦體的賦存形態(tài)和礦體與邊坡之間的位置關(guān)系(見圖1),依次選取0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質(zhì)勘探線。這些勘探線相交于Ⅳ號礦體1#～11#礦房和礦塊,勘探線剖面高程跨度大且特征界限明顯,具有代表性。9#勘探線切出的Ⅳ礦體截面如圖2所示。

圖1 Ⅳ號礦體與地質(zhì)勘探線位置關(guān)系

圖2 9#地質(zhì)勘探線礦體形態(tài)

根據(jù)勘探線剖面圖分別建立邊坡模型,選定邊坡的下界為-100 m,上界視剖面而定的區(qū)域作為有限元數(shù)值模擬的計(jì)算剖面。模型范圍內(nèi)主要巖層結(jié)構(gòu)可以分為上盤、下盤和礦體。結(jié)合實(shí)際情況及剖面形狀對邊坡計(jì)算模型作適當(dāng)?shù)暮喕蠼⑦吰聰?shù)值模型,如圖3所示。

圖3 3#勘探線剖面數(shù)值模型

1.2 參數(shù)選擇

由于露天礦采礦活動(dòng)破壞了巖體的自然平衡狀態(tài),不平衡狀態(tài)將引起巖體變形,以及巖石中應(yīng)力場的調(diào)整和重新分布。因此,在模擬前先做應(yīng)力重分布模擬。

在應(yīng)力重分布模擬中,各巖層材料都選用彈塑性本構(gòu)模型。一般而言,由于大量結(jié)構(gòu)弱面的存在,巖體力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)小于巖石力學(xué)參數(shù)。對于地質(zhì)與采礦條件極為復(fù)雜的礦山,礦、巖體力學(xué)參數(shù)的選取是非常困難的,一般采用工程折減法將巖石力學(xué)參數(shù)折算為巖體力學(xué)參數(shù)。其中,彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等參數(shù)選自該礦山的地質(zhì)報(bào)告,相關(guān)巖石參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

1.3 邊界條件

應(yīng)力重分布分析時(shí),只考慮模型的重力作用,在設(shè)置邊界條件時(shí)通常只需要約束研究對象的底邊和左右兩側(cè)邊。因此,邊坡應(yīng)力重分布模擬選用的邊界條件是:邊坡模型左右兩側(cè)固定X方向位移,邊坡底部固定X-Y方向位移。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 初始邊坡穩(wěn)定性

使用Geo-Studio 2018版本,選擇SIGMA/W模塊分析,在分析類型中選擇“應(yīng)力重分布”分析類型,設(shè)置收斂性及時(shí)間參數(shù)。輸入表1中相關(guān)模型參數(shù),設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,檢查、優(yōu)化模型,求解。在SLOPE/W中建立模型,繪制材料參數(shù),得到滑移面及安全系數(shù)。對不同勘探線剖面進(jìn)行模擬,得到其邊坡的初始安全系數(shù),如圖4所示。

圖4 不同剖面高陡邊坡-地下礦體回采模型及初始安全系數(shù)

不同計(jì)算方法對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)見表2。由表2可以看出,3#至11#勘探線剖面的初始邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢,而這種變化趨勢主要取決于剖面的坡度。例如,5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,因此,其穩(wěn)定性略差于7#勘探線剖面。與此同時(shí),各個(gè)剖面初始邊坡安全系數(shù)值均在1.3以上,穩(wěn)定性較好。

表2 邊坡初始安全系數(shù)匯總

2.2 礦體開挖后邊坡穩(wěn)定性

開挖模型穩(wěn)定性模擬和初始邊坡穩(wěn)定性模擬相同。根據(jù)3#、5#、7#、9#、11#、13#勘探線剖面與0 m水平的投影和0 m高程礦體的位置關(guān)系,得到每個(gè)礦塊的剖面圖。礦塊的寬度由勘探線所截剖面確定,高度為50 m。從0 m中段開始,每個(gè)中段以嗣后充填法進(jìn)行開挖,回采順序?yàn)橛上峦线M(jìn)行回采,共有0 m、50 m、100 m、150 m4個(gè)中段。由于每個(gè)中段0#至3#礦塊距離邊坡的距離較遠(yuǎn),對邊坡的整體穩(wěn)定性影響并不大,所以模擬過程僅對W4至W11礦塊進(jìn)行建模分析,進(jìn)而得到不同中段及不同礦塊回采時(shí)對邊坡穩(wěn)定性影響的定量分析結(jié)果。其中,W4礦塊回采至不同中段高度時(shí),邊坡的安全系數(shù)見圖5。

圖5 W4礦塊回采至不同中段高度時(shí)邊坡安全系數(shù)

不同計(jì)算方法對應(yīng)邊坡的安全系數(shù)匯總見表3。由表3可知,同一中段,從W4至W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時(shí)邊坡安全系數(shù)基本逐漸減小。同一個(gè)礦塊,以W5礦塊為例,向上開挖時(shí),0 m、50 m、100 m、150 m中段安全系數(shù)均值分別為1.372,1.225,1.169,1.117,即越向上開采,邊坡的安全系數(shù)越低。另外,50 m中段開挖W11礦塊邊坡安全性系數(shù)有一定提高,原因是礦塊出入地表處較W10礦塊平緩,對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

表3 回采時(shí)邊坡安全系數(shù)匯總

2.3 邊坡安全分級

根據(jù)《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(AQ 2063—2018)及《冶金礦山采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50830—2013),采場邊坡高度等級按表4劃分為四級。根據(jù)邊坡高度判斷永平露天邊坡屬于高邊坡。

表4 邊坡高度等級

采場邊坡總邊坡角等級按表5劃分為三級。該礦山露天邊坡坡度大于42°,屬于陡坡。

表5 總體坡度角等級

根據(jù)安全系數(shù)F對露天礦山采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級,按照表6將正常工況和非正常工況條件下邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級分為四級。

表6 采場邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性模擬的結(jié)果,對開挖礦塊進(jìn)行安全等級劃分,如圖6所示。從圖6可以看出,邊坡安全等級可分成三級,安全Ⅰ級,安全Ⅱ級和危險(xiǎn)。0 m中段W1至W9、50 m中段W1至W8、100 m中段和150 m中段W1至W4的滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級均為3級和4級,將其視為安全Ⅰ級,可使用現(xiàn)有采礦工藝開采。0 m中段W10至W11、100 m中段W5至W8、150 m中段W5滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級為2級,歸類為安全Ⅱ級,使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí)需根據(jù)邊坡現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整,如減小爆破藥量、增加爆破段數(shù),采用預(yù)裂爆破、緩沖爆破、切槽爆破等減振控爆技術(shù)對礦體進(jìn)行開挖,并進(jìn)行合理的支護(hù)。50 m中段W9至W11、150 m中段W6至W8滑坡風(fēng)險(xiǎn)等級按表6為1級,邊坡安全等級為危險(xiǎn),采用現(xiàn)有開采工藝可能導(dǎo)致西部邊坡出現(xiàn)大塊巖石垮落以及邊坡滑移,損壞、堵塞邊坡布設(shè)的運(yùn)礦公路和水溝,且影響露天和井下的安全生產(chǎn),帶來安全隱患,應(yīng)對現(xiàn)有的采礦方法進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)礦體的開采。

圖6 開采礦塊安全等級劃分

3 結(jié)論

本文使用Geo-Studio系統(tǒng)軟件中的SLOPE/W模塊,以0#、1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#地質(zhì)勘探線剖面為基礎(chǔ),建立Ⅳ礦體W1至W11礦塊和邊坡模型,運(yùn)用極限平衡法中的Ordinary法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法4種方法進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計(jì)算,探究永平銅礦Ⅳ礦體開采對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得到如下結(jié)論。

(1)整體來看,3#至11#勘探線剖面邊坡初始安全系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。5#勘探線剖面相較于7#勘探線的坡度更大,其穩(wěn)定性略差于7#勘探線剖面,因此,安全系數(shù)也較低。但是3#至11#勘探線剖面邊坡初始安全系數(shù)值均在1.3以上,穩(wěn)定性較好。

(2)同一中段,從W4至W11礦塊,越靠近W11礦塊,開采時(shí)邊坡安全系數(shù)基本逐漸減小。同一個(gè)礦塊,越向上開采,邊坡的安全系數(shù)越低。W5和W6礦塊,由于上部邊坡的坡度較大,屬于高陡邊坡。因此,在開采W5和W6礦塊時(shí),邊坡的安全系數(shù)較低,開采時(shí)需進(jìn)行調(diào)整。

(3)根據(jù)模擬得到的邊坡安全系數(shù),可將不同中段的礦塊分為三個(gè)安全等級,安全Ⅰ級,可使用現(xiàn)有采礦工藝開采;安全Ⅱ級,使用現(xiàn)有采礦工藝開采時(shí)需根據(jù)邊坡現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整;危險(xiǎn),采用現(xiàn)有開采工藝可能導(dǎo)致西部邊坡出現(xiàn)大塊巖石垮落以及邊坡滑移,帶來安全隱患,應(yīng)對現(xiàn)有的采礦方法進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)礦體的開采。

(4)根據(jù)模擬得到的邊坡安全系數(shù),屬于安全Ⅱ級的礦塊有7個(gè),危險(xiǎn)礦塊有6個(gè),其他均為安全Ⅰ級礦塊。