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0 引言
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露天矿山高陡边坡的稳定性很大程度上取决于坡体内结构面的状态、形状和空间分布,其组合形式不同,坡体的稳定性和变形破坏特征也各不相同。工程实践表明,高陡顺倾边坡容易形成大规模变形体(或大型滑坡),一旦出现失稳,现有的技术水平下,很难根除这类大型岩质滑坡的危害,有时甚至造成灾难性的后果。随着露天开采深度的增加,该类型边坡的变形失稳问题普遍存在并已成为露天煤矿安全高效生产的重大隐患问题。
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长期以来,国内学者专家对顺倾边坡稳定性进行了深入的研究。王吉亮等(2015)对西南地区高陡岩质边坡为例,重点研究了层状岩质工程边坡变形与稳定问题。张谦和李贵平(2022)以抚顺西露天矿南帮边坡为对象,研究了含弱层顺倾岩质边坡稳定性的影响因素。宋子岭等(2016)基于刚体极限平衡法和强度折减法相结合的对比研究,应用 GEO-SLOPE、ANSYS及FLAC3D软件对典型含多顺向软弱夹层岩质边坡进行研究,得出边坡的稳定系数及其潜在滑坡模式。陈权川等(2020)以贵州某边坡为例,基于 FLAC3D 开展了缓倾顺向软弱夹层岩体边坡的变形机理及稳定性研究。余飞等 (2005)对沪—蓉—西高速公路某顺层岩质高边坡进行了渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究。王东等(2014)以元宝山露天矿为工程背景,应用 FLAC3D 软件模拟研究 F1 断层处于不同位置时东帮顺倾层状边坡的滑移模式及稳定性变化规律。田夫(2014)采用有限元计算方法针对中陡倾顺层边坡滑移剪损渐进式破坏模式进行了分析。朱彦鹏等(2015)运用 Midas/GTS对顺向岩土互层路堑高边坡开挖破坏模式及稳定性数值模拟进行了研究。 Nodirbek(2022)以某露天矿采场东帮为研究背景,采用理论分析与数值模拟综合分析了顺倾边坡的滑坡形式及破坏机理。
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为较好地分析金属露天矿山高陡顺倾岩体边坡边坡稳定性,本文依托滇西北衙金多金属矿区万硐山矿段露天采场边坡,结合勘察资料,基于极限平衡法和强度折减法相结合的对比研究,采用 FLAC2D中的摩尔库仑模型对生产中的顺倾边坡变形失稳过程进行研究,并结合稳定性主要影响因素讨论了边坡防治和风险监测措施,可为该类边坡的稳定性分析和风险管控提供参考。
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1 边坡工程案例
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1.1 边坡工程概况
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滇西北衙金多金属矿区隶属大理白族自治州鹤庆县,区内四面环山,中部低凹平坦,自南向北缓倾,西部山体高陡,以16勘探线为界,北为万硐山矿段,南为红泥塘矿段。区内构造活动强烈,次级褶皱、断层以及节理裂隙发育。万硐山矿段经多年露天开采作业形成了中间低四周高的凹陷山坡露天采场,分别由东帮、南帮、西帮及北帮组成,如图1、图2 所示,采场顶部最高开采标高位于西帮+1931 m,采场底部最低标高+1535 m,采深396 m。现已形成 22~34 级台阶,台阶高 10~15 m,西帮上部已并段形成台阶高30 m,安全平台宽度4~25 m,清扫平台宽度 13 m,台阶坡面角 50°~60°,最终帮坡角控制角度数38°。
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图1 露天采场现状平面图
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1.2 边坡破坏形式调查
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根据该露天采场边坡现状情况,按照露天边坡几何形态将现状边坡划分为4个区域。现状边坡研究区域划分以露天采场 1535 m 底部开采平台为中心,I 区为采场北帮、Ⅱ区为采场东帮,Ⅲ区为采场南帮,Ⅳ区为采场西帮,分区概况详见图4。通过现场统计各台阶边坡结构面产状与台阶边坡产状(表1),采用赤平极射投影法对边坡稳定性分析(图3),判断采场西帮顺向坡易形成不稳定边坡,因此边坡破坏形式调查主要集中在Ⅳ区,如图5和图6所示,发现露天采场Ⅳ区边坡主要工程地质问题有局部边坡垮塌、台阶开裂下沉等,给区域下方安全生产和边坡风险管控带来一定挑战。
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图2 露天采场航拍全景
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图3 赤平极射投影图分析
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a—调查地点10;b—调查地点19;c—调查地点20;d—调查地点23; e—调查地点21
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图4 露天采场现状分区
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2 采场西帮顺倾边坡稳定性分析
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2.1 西帮边坡稳定性影响因素分析
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万硐山矿段露天采场出露的岩性主要为灰质角砾岩、含砂砾黏土岩、灰岩和斑岩,其中黏土岩为软弱岩石,总体稳固性极差,对边坡稳定影响较大。且北衙向斜是矿区的主要褶皱,断层破碎带包括 F6、F6-1、F30、F31 断层带、F6 及 F6-1 破碎带交汇部,主要分布在采场的西帮,断层分布如图7 所示。 F6破碎带是露天矿区的主要断层破碎带,从北西侧延伸到正南侧,主要在露天矿西部出露。F6和F6-1 断层破碎带交汇部位处在矿区西北侧,高程 1714~1774 m,宽约为 80~100 m。与矿区其他岩层相比,岩体极其破碎,且地下水丰富,这导致该岩组内边坡易失稳。
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图5 Ⅳ区局部平台塌陷
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图6 Ⅳ区顶部平台开裂
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图7 矿区断层带分布图
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通过对稳定性影响因素的分析,认为含顺倾岩层结构、砂砾黏土岩、断层破碎带和水是影响万硐山采场西帮边坡稳定性的主要因素。
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2.2 基于极限平衡的稳定性计算分析
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万硐山矿段现状采场西帮边坡高度大于 300 m,工程安全等级为 I级,其安全评价准则为:自重+ 地下水工况边坡安全系数Fs在1.20~1.25;自重+地下水+爆破振动力工况边坡安全系数 Fs 在 1.18~1.23;自重+地下水+地震力工况边坡安全系数Fs在 1.15~1.20。本文拟采用拟静力法计算爆破及地震作用效应,作用在质点的水平向地震惯性力代表值、水平和垂直设计地震加速度按照《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)计算确定。
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基于2017—2019年完成的室内物理力学试验、点荷载试验、现场原位直剪试验的试验成果以及岩体力学参数的研究成果,推荐岩体力学参数如表2 所示,采用 Geo-Slope 计算软件的 Bishop 法和 Morgenstern-price 法对边坡安全系数进行计算。计算剖面主要根据矿山现状图在西帮边坡共设置3个剖面,与边坡等高线尽量垂直,具体剖面位置如图8 所示。安全系数计算结果见表3和图4。
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从表3 和图9 可以看出,两种方法计算结果一致,Ⅳ区域内露天现状边坡在自然工况下(荷载组合Ⅰ),安全系数均大于 1.20,在考虑爆破情况下 (荷载组合Ⅱ),安全系数均大于 1.18,在考虑地震情况下(荷载组合Ⅲ),安全系数均大于 1.15,满足规范对I级边坡工程安全系数的要求,因此,可以认为边坡整体处于稳定状态。
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2.3 基于有限差分强度折减法的稳定性计算分析
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边坡的破坏失稳是一个渐进累积的过程。在外部环境作用下,随着应力的升高,坡体内某些部分达到屈服,滑动面逐渐形成,直至完全贯通,随着塑性应变继续增大,边坡最终发生整体破坏。传统的分析方法局限于无法直接显示滑动面的发展过程,也不能定量显示滑面的受力、变形与破坏的过程。近年来,随着计算机技术的不断发展,采用有限元极限分析法分析边坡稳定性成为新的趋势(郭子钰等,2023)。其中,有限差分强度折减法通过不断降低岩土强度(郑颖人和赵尚毅,2004),使边坡达到极限破坏状态,从而直接求出边坡的滑面位置与稳定安全系数(张鲁渝等,2003;曾亚武和田伟明,2005),十分贴近工程设计,因此该方法得到了越来越广泛的利用。
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图8 采场西帮现状边坡剖面位置图
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图9 稳定性计算结果图(荷载组合Ⅲ)
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a—Ⅳ-1#剖面;b—Ⅳ-2#剖面;c—Ⅳ-3#剖面
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选取2.2极限平衡法计算结果中安全系数较小的剖面Ⅳ-2,采用FLAC2D数值模拟计算软件,基于强度折减理论对边坡安全系数进行计算和分析,进一步校核边坡的安全系数。计算结果见表4。荷载组合I下安全系数均大于1.2,荷载组合II下安全系数均大于 1.18,荷载组合Ⅲ下安全系数均大于 1.15,满足规范要求,因此,边坡处于稳定状态,与极限平衡分析结果一致,计算结果图如表4、图10 所示。
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图10 安全系数计算结果图(荷载组合Ⅲ)
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3 结论
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(1)在岩体极限平衡法和强度折减法的分别计算下,万硐山采场西帮顺向边坡在 3 种工况下模拟计算结果基本一致,结合现场工程实际来看,顺倾岩层结构、含砂砾黏土岩、断层破碎带和水是影响采场西帮高陡边坡稳定性的主要因素。
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(2)万硐山采场西帮顺向坡易形成不稳定边坡,现生产阶段处于基本稳定状态,伴随今后边坡的并段和靠帮,局部边坡垮塌、台阶开裂下沉等工程地质问题将会愈发突出,因此应加强边坡监测工作,扩大边坡监测区域范围,以面域遥感监测技术逐步替代点监测和人工监测等传统手段。
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(3)采用有限元强度折减法,根据计算得到的网格变形和塑性应变云图,可以直观地看到西帮高陡顺倾边坡的工程模拟变形破坏特征,以及其滑面随稳定安全系数的降低逐渐扩展、贯通,直至破坏的全过程,为其今后边坡管控和有效防治提供依据。
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参考文献
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朱彦鹏, 赵红, 李婧. 2015. 顺倾岩土互层路堑高边坡开挖破坏模式及稳定性数值模拟研究[J]. 四川建筑科学研究, 41(2): 106-111.
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摘要
金属露天矿山高陡顺倾边坡易形成大规模变形体或大型滑坡,防治难度大,是矿山安全高效生产的重大隐患。本文通过系统开展滇西北衙金多金属矿区万硐山矿段露天采场顺层边坡稳定性分析实例,研究了不同计算方法和不同工况下该类边坡滑坡失稳条件,采用数值模拟计算分析相结合的方法得出其滑坡类型及失稳模式,并提出了这类结构的露天矿山边坡风险管控措施建议,为矿山后续开采提供依据,指导矿山实际生产。
Abstract
The high and steep inclined slope of metal open-pit mine is easy to form large-scale deformation or large-scale landslide, which is difficult to prevent and control, and is a major hidden danger for safe and efficient production of mine. Through the systematic analysis of the stability of the strata slope in the open pit of a certain mining area in Wantongshan section, the landslide instability conditions of this kind of slope under different calculation methods and different working conditions are studied. The landslide type and instability mode are obtained by combining numerical simulation calculation and analysis, and the risk control measures of the open pit slope with this structure are proposed. It provides the basis for the subsequent mining and guides the actual production of the mine.
Keywords
metal open-pit mines ; slope stability ; high and steep slope ; the bedding slope