王永松，黃小燕，許保國(guó)，李孝敏

（1.廣東廣物金屬產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦，福建 上杭 364200）

0 引言

廣東廣物金屬產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司旗下大紗帽礦區(qū)為建筑用花崗巖露天礦，該露天礦最低開(kāi)采標(biāo)高80 m，最高開(kāi)采標(biāo)高245 m，最大邊坡高度達(dá)165 m，設(shè)計(jì)最終邊坡角為42°～48°。隨著采場(chǎng)向下延伸，邊坡破壞的風(fēng)險(xiǎn)越高，邊坡安全管理成為公司安全管理中最重要的環(huán)節(jié)之一，因此對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析是必不可少的步驟[1]，其中數(shù)值模擬方法是邊坡穩(wěn)定性分析方法中一種較成熟的方法[2]。本文采用RS2軟件進(jìn)行模型構(gòu)建與分析計(jì)算，基于強(qiáng)度折減法模擬分析廣東大紗帽花崗巖露天礦終了邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，對(duì)于邊坡安全管理具有指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)終了邊坡區(qū)劃

1.1 邊坡工程地質(zhì)

通過(guò)鉆孔揭露情況及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查，礦體上部覆蓋層為殘坡積層、全-半風(fēng)化花崗巖，殘坡積層、全風(fēng)化花崗巖主要呈散體結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化花崗巖下部呈半巖半土狀，工程物理力學(xué)性質(zhì)較差，遇水易軟化崩解，穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件差。半風(fēng)化花崗巖屬較堅(jiān)硬巖組，巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，大多破碎，質(zhì)量指標(biāo)RQD 值為0～94%，平均43%，多在20%～40%；飽和抗壓強(qiáng)度較差-中等，組成的邊坡總體穩(wěn)定性一般-中等，工程地質(zhì)條件一般-中等。礦體及圍巖巖性均為微-未風(fēng)化花崗巖，均為堅(jiān)硬巖組，巖礦石裂隙不發(fā)育，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值70%～92%、平均83%，局部巖石破碎，整體上巖礦石較完整；飽和抗壓強(qiáng)度較好，其組成的邊坡總體穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件好。

1.2 邊坡分區(qū)

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)不同方位邊坡工程地質(zhì)情況及礦山設(shè)計(jì)的終了邊坡的坡面傾向、坡度及高度等參數(shù)，將該礦山設(shè)計(jì)的終了邊坡劃分為3 個(gè)區(qū)域，即A 區(qū)、B區(qū)和C 區(qū)，各區(qū)域的位置如圖1 所示。

各個(gè)區(qū)域的邊坡要素如表1 所示。

表1 各分區(qū)邊坡要素

2 數(shù)值計(jì)算基本條件

RS2 屬于數(shù)值模擬方法中的有限單位分析方法，將邊坡離散成有限個(gè)單元體，通過(guò)分析單元體應(yīng)力或應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)邊坡穩(wěn)定性[3]，為了保證本次計(jì)算結(jié)果更加貼近大紗帽礦區(qū)實(shí)際，需要對(duì)邊坡巖體介質(zhì)的性質(zhì)以及本次計(jì)算模型作出適當(dāng)?shù)募僭O(shè)及必要的簡(jiǎn)化處理[4]。該露天礦采用的假設(shè)條件如表2 所示。

表2 數(shù)值模擬假設(shè)條件

3 模型構(gòu)建

本次模型構(gòu)建計(jì)算分析程序采用加拿大巖土工程分析軟件RS2，軟件使用mohr-Coulomb 或者Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)強(qiáng)度折減的安全系數(shù)的計(jì)算完全自動(dòng)進(jìn)行。根據(jù)各分區(qū)邊坡剖面要素及工程地質(zhì)條件，采用如下力學(xué)模型：

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；c為材料內(nèi)聚力；φ 為材料內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)。

計(jì)算模型采用的邊界條件為：固定邊坡模型左右兩側(cè)，采場(chǎng)底部x 方向與y 方向、z 方向的速度以及邊坡上部速度不作固定，以此作為該模型的自由邊界，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，忽略該礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響。各剖面模型構(gòu)建如圖2 所示。

圖2 各剖面模型構(gòu)建

4 計(jì)算結(jié)果

由彈塑性力學(xué)理論及mohr-Coulomb 強(qiáng)度理論[5-8]可知，采用RS2 軟件進(jìn)行強(qiáng)度折減法時(shí)破壞面由剪應(yīng)變?cè)隽靠刂?。因此，剪切?yīng)變?cè)隽繉?duì)大紗帽礦區(qū)終了邊坡的穩(wěn)定具有很重要的影響。

A 區(qū)邊坡I-I'—Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖3—圖5 所示。以圖3 為例，在自然工況下，在巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)fos達(dá)到1.55 時(shí)，邊坡處于即將失穩(wěn)狀態(tài)，此刻折減系數(shù)即為穩(wěn)定性系數(shù)。由此可知，此時(shí)最大剪切應(yīng)變?cè)隽课恢锰幱?0 m 水平坡腳位置并指向臨空自由面方向。

圖3 Ⅰ-Ⅰ'剖面最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖4 Ⅱ-Ⅱ'剖面最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖5 Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

根據(jù)以上強(qiáng)度折減法計(jì)算分析結(jié)果，匯總得到該露天礦各分區(qū)邊坡的代表性剖面在各種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，如表3 所示。

表3 穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1）利用RS2 軟件建模并計(jì)算，同時(shí)基于強(qiáng)度折減法分析了設(shè)計(jì)的終了邊坡在自重+地下水工況、自重+地下水+爆破工況、自重+暴雨+地震工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明，三種工況下各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于規(guī)范要求的許用安全系數(shù)，表明設(shè)計(jì)的邊坡角滿足安全要求，該露天花崗巖礦山終了邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）通過(guò)各分區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比可以知道，分區(qū)B在三種工況下的穩(wěn)定系數(shù)均比其他分區(qū)小，在實(shí)際邊坡安全管理中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注B 分區(qū)的邊坡穩(wěn)定。

3）在日常管理中，即非地震工況下，各分區(qū)在自重+地下水+爆破工況下邊坡安全系數(shù)較接近于規(guī)范的安全系數(shù)，因此在完成采場(chǎng)爆破作業(yè)后，因加強(qiáng)邊坡巡檢。