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大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及治理措施研究
2020-02-20
大孤山矿进入深部开采,边坡逐渐增高加陡,边帮岩体始终处于动态演化过程,边坡岩体台阶出现开 裂、局部小滑坡等灾害的概率不断增多,严重影响了矿山安全开采。基于大孤山露天矿地质条件调查结果,结合室 内岩石物理力学试验和岩体参数转化等研究手段,建立了边坡延深开采数值模型。以监测信息为基础,采用 FLAC3D软件对大孤山露天矿西北帮边坡进行了开挖施工和削坡治理的数值模拟分析。讨论了西北帮边坡变形破 坏是由量变累积到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑面逐渐破损并扩展至滑面贯通。通过对比分析开挖 至-330 m境界和-438 m境界时的边坡变形场、塑性区,分析了大孤山浅部边坡与深部边坡破坏机制的不同点,研...
Series No. 523 January 2020 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 523 期 2020 年第 1 期 大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及 治理措施研究 曹永胜1 解治宇2 于庆磊1 杨天鸿11 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.鞍钢集团矿业有限公司,辽宁 鞍山 114001) ( 摘 要 大孤山矿进入深部开采,边坡逐渐增高加陡,边帮岩体始终处于动态演化过程,边坡岩体台阶出现开 裂、局部小滑坡等灾害的概率不断增多,严重影响了矿山安全开采。基于大孤山露天矿地质条件调查结果,结合室 内岩石物理力学试验和岩体参数转化等研究手段,建立了边坡延深开采数值模型。以监测信息为基础,采用 3 D FLAC 软件对大孤山露天矿西北帮边坡进行了开挖施工和削坡治理的数值模拟分析。讨论了西北帮边坡变形破 坏是由量变累积到质变的渐进发生过程,由坡体内部潜在滑面逐渐破损并扩展至滑面贯通。通过对比分析开挖 至-330 m 境界和-438 m 境界时的边坡变形场、塑性区,分析了大孤山浅部边坡与深部边坡破坏机制的不同点,研 究了开挖对边坡破坏的影响,即开挖会使边坡软弱带变形剧烈增加,进而引起整个边坡失稳。通过对削坡后边坡 施工开挖的模拟分析,评价了削坡工程对边坡的治理效果。削坡治理后边坡最终境界安全系数由 0.98 提升至 1.1, 边坡稳定性提高,但较设计规范的边坡永久安全系数 1.2 相比仍偏小,边坡仍处于欠稳定状态,需采取多种手段进 行综合治理,即采用挂网喷射混凝土护面及局部设全长黏结锚杆防护的措施治理 F14 断层出露部分,采取预应力锚 索与肋柱相结合的方法稳固楔形体边坡整体变形,采取地梁与锚桩组合的方式加固-210 m 平台坡脚。 关键词 深凹露天矿 边坡稳定性分析 滑坡机制 强度折减法 削坡治理 中图分类号 TD854 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2020)-01-1141-10 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202001018 Study on the Governance Measures and Slope Stability on the Northwest Slope of Dagushan Open-pit Mine 1 2 1 12 Cao Yongsheng Xie Zhiyu Yu Qinglei Yang Tianhong ( 1. School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2 . Ansteel Mining Co.,Ltd.,Anshan 114001,China) Abstract Dagushan Mine has entered deep mining,and the slope is gradually increased and steeper. The marginal rock mass is always in the process of dynamic evolution. The probability of disasters such as cracks on the slope rock and local small landslides is increasing,which seriously affects the safe mining of the mine. According to the geological conditions of Dagushan Open-pit Mine,a slope deep mining numerical model combined with rock mechanical tests and rock mass parame⁃ 3 D ter conversion was established. Based on the monitoring information,the FLAC software was used to simulate the excavation and slope treatment of the northwest slope of the Dagushan Open-pit Mine. By the analysis,it is concluded that the deforma⁃ tion and failure of northwest slope is a gradual process from quantitative change to qualitative change.The potential sliding sur⁃ face inside the slope body gradually broken down and extended until the sliding surface connects. Two open-pit limits of -330 m and -438 m were selected. By comparing the deformation field and plastic strain of these limits,the different failure mecha⁃ nisms of the shallow slope and the deep slope in Dagushan Open-pit Mine were studied. It shows that the excavation has a great influence on the sharp deformation of the weak area for the slope,and the excavation will lead to the instability of the whole slope. Through simulating the excavation of the slope after the cutting,the effect of the slope cutting project on the slope is objectively evaluated. After slope cutting treatment,the final state′s fos(factor of safety)was increased from 0.98 to 1 .1. The slope stability is improved,but the value of the permanent fos of the slope is still smaller than the design specifica⁃ 收稿日期 · 141 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 tion,and the value of the slope′s permanent fos is 1.2. The slope is still in a state of instability,and multiple measures need to be taken for comprehensive management. Hanging net sprayed concrete surface protection and partial full-length bonded an⁃ chor protection are adopted to treat the exposed part of F fault. The combination of prestressed anchor cable and rib column is 1 4 used to stabilize the overall deformation of the wedge slope. The combination of ground beam and anchor pile is adopted to strengthen the slope foot of the -210 m platform. Keywords Deep open-pit mine,Stability analysis of slope,Landslide mechanism,Strength reduction method,Slope cut⁃ ting 目前,我国露天开采的铁矿石量所占比重较大, 且大部分矿山已经进入深凹开采或转入地下开采阶 段。现有露天边坡高度为 100~300 m 的露天矿占 局限性。 随着计算机技术的发展,数值模拟方法能够有 效再现边坡开挖后的位移变化、应力重新分布现象, 为预测开挖边坡潜在的滑移风险提供了理想的分析 5 1 2.0%,高度大于 300 m 的占 14.7%,设计边坡高度为 00~300 m 的占 56.0%,大于 300 m 的占 34.7%,深凹 [8] 手段。徐华敏等 基于锚固岩体的流变模型,采用弹 塑性有限元法对边坡开挖加固进行了数值模拟,分 析了开挖边坡的稳定性,并对初拟的边挖边锚的施 露天开采已成为露天采矿的发展趋势。在深凹露天 矿不断开采中,边坡安全系数不断降低,边坡稳定性 越来越差,这是人类面临的一个具有时代性的难题, [9] 工程序进行了合理性评价。漆祖芳等 利用弹塑性 [1] 也是需要着力研究的一个重大课题 。 有限元法对大岗山水电站坝肩边坡进稳定性行了研 [ 10] 大孤山露天矿是鞍钢的主要铁矿石基地,也是 目前我国大型深凹露天矿之一,现在已开采至-330 m 水平,开采深度已达 420 m,设计开采深度为 528 m。随着露天开采延深,边坡逐渐增高加陡,影响安 全稳定的因素增多。大孤山露天边坡岩体台阶出现 开裂、局部小滑坡等灾害的概率不断增多,严重影响 了矿山安全开采。大孤山铁矿采场西北帮区域自 究,预测了边坡可能的失稳部位。冷先伦等 通过 UDEC 软件对比分析了龙滩工程不同开挖高度下的 边坡变形特征,发现开挖对边坡破坏的主要影响为 [11] 造成临界节理发育和节理张开尺度增大。Wang等 3 D 采用 FLAC 软件对杨渠水电站泄洪隧洞周边边坡进 行了复杂的三维数值模拟和安全评价,得到了良好 [ 12] 的三维滑动弧面。Kalenchuk 等 通过 3DEC 模拟边 坡失稳破坏的动态过程,提出边坡动力学研究有必 要考虑边坡的破坏机理和失稳区域与稳定区域之间 2 008 年北帮外扩开采形成至今,一直伴有滑坡、片帮 情况出现,该区域内岩层由片麻状混合岩和千枚岩 构成。2014 年针对西北帮千枚岩危险区域实施了削 帮减载工程,工程历时 2 a,但边坡稳定性并无显著增 强。2016年 7月,西北帮绿泥石英片岩区域发生大面 积滑坡,下部-114 m 水平至-138 m 水平的通道完全 封闭,造成矿山生产中断 48 h,严重威胁了矿山安全 生产。因此,深入研究大孤山边坡岩体特征和变形 滑坡机制,对于边坡灾害防治和深入分析高陡边坡 的滑坡机理具有重要意义。 [13] 的相互作用。Dong 等 利用 3DEC 软件分析了不同 边界条件、侧压力系数、岩体参数对断层控制作用下 [14] 黄登水电站开挖边坡稳定性的影响。仝宗良 利用 数值流行方法得到了动力时程作用下的边坡安全系 数时程曲线,并搜索得到了边坡最危险的滑裂面及 [15] 3D 对应的最小安全系数。曹日跃等 利用 FLAC 软件 分析了围岩在不同本构模型下的变形破坏特征,发 现应变软化模型模拟的结果与实测值较吻合,能真 [16] 工程地质分析法可在勘察现场地质结构的基础 上,对边坡破坏成因和演化规律以及潜在的失稳破 坏机制进行综合性分析,并预测边坡稳定性的未来 实反映隧道围岩在开挖时的破坏特征。沈华章等 结合应变软化本构模型和矢量合法,分析了应变软 化边坡的坡体材料强度参数、滑面状态、稳定安全系 数、边坡破坏状态的变化过程,进而讨论了边坡渐进 [2] [3-4] 发展趋势 。黄润秋 研究了国内大型滑坡复杂的 演化机制,并总结了 5个典型的地质—力学模式,即: 滑移—拉裂—剪断“三段式”模式、“挡墙溃决”模式、 近水平岩层的“平推式”模式、反倾岩层大规模倾倒 变形模式、顺倾岩层的蠕滑(弯曲)—剪断模式,为高 陡边坡稳定性评价工作和防灾减灾工作提供了理论 [17] 破坏的过程。魏晓楠 研究了坡脚开挖诱发路堑边 坡渐进性破坏的过程,发现边坡失稳是滑裂面力学 强度参数劣变导致的局部变形累积、延伸直至贯通 的整体动态破坏的渐进过程。 本研究以大孤山露天矿西北帮边坡为工程背 景,结合矿区实际地质条件,运用有限差分数值模拟 软件,对西北帮边坡进行数值模拟,分析西北帮边坡 稳定性及削坡治理对边坡失稳破坏的抑制作用。通 [5-6] [7] 依据。极限平衡分析法 和塑性极限分析法 曾被 广泛用来分析岩土稳定问题,但对于复杂工程地质、 边界条件、多重耦合荷载等问题的分析具有一定的 · 142 · 曹永胜等:大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及治理措施研究 2020年第1期 过分析不同开采深度下边坡的位移场和塑性区变化 情况,得出边坡失稳破坏机制,从而对后续西北帮边 坡的设计和治理工作提供一定的理论依据。 1 边坡工程地质概况及计算模型 1 . 1 工程地质概况 研究区域(图 1)地层分布较为复杂,闪长石英绿 泥化角岩条带将矿体分为石英绿泥化角岩东矿段与 石英绿泥化角岩西矿段,矿体岩性为磁铁石英岩,走 向 310°~315°,倾向 NE,倾角 60°~75°。矿体上盘为绿 泥石英片岩,下盘为片麻状混合岩。此外,西帮边坡 还出露有闪长玢岩地层。 型底部约束Z方向位移,顶部设定为自由边界。 . 3 破坏准则及模拟参数选取 1 如图 2(a)所示,研究区域断裂构造主要有 3 条, 即 F14、F15、F8 断层,均与呈楔形发育的矿石条带紧邻。 其中,F14 断层位于矿石条带上盘,F15 断层位于矿石条 带下盘,F8 断层位于矿石条带下端,断层参数见表 1。 该类断层处于两种不同的地层之间,强度较低的绿 泥石英片岩等岩体沿断层侵入,形成弱面或断层带。 绿泥石英片岩在施工扰动等复杂因素共同作用下表 现出应变软化特性,在边坡开挖应力重新分布的过 程中,可能造成显著变形及边坡潜在失稳破坏。 [18-19] 诸多研究表明 ,岩土体可以承受一定程度的 塑性变形,峰值后材料相应的参数(黏聚力、摩擦角、 抗拉强度、剪胀角等)均会发生变化。理想弹塑性本 构模型无法反应岩土体峰后应力—应变特性,因此 采用材料强度随塑性变形变化的应变弱化模型进行 分析很有必要。本研究计算中,F14 断层软弱充填体 采用了应变软化本构模型,其他岩体材料应用 Mohr- Coulomb本构模型。 应变软化模型在弹性阶段的变形与 Mohr-Cou- lomb 模型的变形特征完全相同。从塑性屈服阶段开 始两者表现出不同的变形特征,在应变软化模型中, 随着塑性应变的变化,其黏聚力、内摩擦角、抗拉强 [20] 度都会衰减 。常见的应变软化模型的应力、应变 变化规律如图 3 所示。考虑应变软化的 Mohr-Cou- [ 21] 1 . 2 计算模型 边坡三维有限差分数值模型如图2(b)所示,其建 lomb破坏准则方程可表示为 1 + sinϕ( κps ) σ3 F ( σ,κps ) = σ1 - ps 1 - sinϕ( κ ) 立在局部坐标系 ( ) X,Y,Z坐标系 下,X轴正方向指向边 , (1) ps ps 2 c( κ ) cosϕ( κ ) 坡临空面方向(NE315°),Y 轴正方向方位为 NE45°,Z 轴正方向铅直向上。模型计算范围:X轴方向1 250 m, Y轴方向700 m,Z轴方向638 m。计算模型剖分为六面 体等参单元和部分四面体退化单元,共有109.6万个单 元。采用滚轴边界条件固定四周边界的法向位移,模 + = 0 ps 1 - sinϕ( κ ) Δε - Δε ) + ( Δε )2 + ( Δε - Δε )2 ps ps 2 ps ps ps ( 1 m m 3 m Δκps = , 2 (2) · 143 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 式中,c 为黏聚力;ϕ 为摩擦角;σ 1 ,σ 3 为第一、第三主 应力;∆κps 为塑性剪应变增量;κps 为塑性剪应变;Δε ps 1 ps 和 Δε 3 分别为塑性剪应变的第一主应力增量和第三 ps 主应力增量,不考虑第二主应力增量的影响;Δε m 为 塑性体应变增量。 为反应工程实际,本研究计算将 2016 年 12 月对 应的边坡形态作为初始境界,在系统平衡后获得的 初始应力场基础上,分如下 6步模拟大孤山露天矿西 北帮边坡开挖过程(图 4):①-210 m 平台坡脚靠帮, 将应变软化本构模型应用于 F 断层,将 Mohr-Cou- 本研究计算所需的参数是在室内岩石力学试验 的基础上,并结合工程实际,通过 Hoek-Brown强度准 则折减之后获得,能够真实反映现场岩体力学性质。 具体参数取值如表 2所示。 1 4 lomb 本构模型应用于其他岩性岩体,并采用强度折 减法计算当前境界边坡安全系数;②-230 m 平台靠 帮;③-310 m 平台靠帮;④-366 m 平台靠帮;⑤-438 m 平台靠帮,边坡开挖至最终境界,并采用强度折减 法计算最终境界的边坡安全系数;⑥在步骤①的基 础上对边坡进行削坡治理,重复步骤②~⑤,模拟露 天开采至最终边界的过程,分析削坡工程对边坡稳 定性的影响。 1 . 4 计算方案 本研究通过模拟分析削坡治理前后不同开采深 度下边坡应力场、变形场及塑性变形区的分布情况, 对西北帮边坡在断层控制下的开挖卸荷稳定性和变 形机理进行初步研究,分析浅部边坡与深部边坡在灾 变机理、滑坡机制方面存在的差异性,为解决采矿活 动时潜在的安全问题和边坡破坏治理提供可靠依据。 2 模拟结果分析 由图 5 可知:在边坡-210 m 平台靠帮时,F14 断层 表现出较大位移,其中位移最大处位于-68 m 平台 处,最大位移约 44 cm。边坡坡体位移主要集中在楔 形体矿石条带处,在靠近 F14 断层一侧位移较大,最大 2 . 1 不同开挖阶段边坡稳定性分析 2 . 1. 1 变形场分析 各开挖阶段位移分布如图 5所示。 · 144 · 曹永胜等:大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及治理措施研究 2020年第1期 位移约 9 cm。随着边坡延伸,F14 断层位移继续加剧, F15断层的不稳定性开始显现,但与F14断层相比,由于 其厚度较薄,充填物力学性质较高,变形量较小,使 得楔形体发生不对称滑移变形,靠近 F14 断层一侧楔 形体变形增加较快。 2 . 1. 2 塑性区分析 各开挖阶段塑性区分布如图 6所示。 由图 6可知:边坡卸荷松弛区域的产生伴随着整 浅部范围内产生塑性变形区。随着开挖越深,应力 重分布范围越大,即应力向边坡更深部和更后部转 移和调整。在向下开挖过程中,断层应力集中程度 更高,达到峰值应力之后,断层介质软化,逐渐达到 个开挖过程的进行,由于水平围压降低或消失,边坡 岩体会产生朝向临空面方向的卸荷回弹变形,坡体 会出现新的应力平衡区域,在这一过程中,会在边坡 · 145 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 残余强度值,即开挖越深,开挖面软弱层面会产生更 大的塑性区,滑动破坏更容易发生。 2 . 2 削坡治理后不同开挖阶段边坡稳定性分析 为治理楔形体变形破坏,增大边坡稳定性,综合 大孤山铁矿西北帮边坡地质条件及变形特征的分 析,采取了针对矿石条带中上部-130~0 m 平台区域 的削坡治理措施,削坡后的边坡形态如图 4(f)所示。 2 . 2. 1 变形场分析 本研究通过在岩体中设置关键点(图 2(b))监测 原设计开挖和削坡后开挖的位移变化规律,来揭示削 坡工程对边坡破坏的治理效果。由监测结果(图7)可 知,在开挖的前 3个阶段,边坡变形缓慢增加;当边坡 - 366 m 平台靠帮后,边坡变形陡然增加;削坡后的监 测点变形增量比原设计开挖条件下的变形增量小。 由削坡后各开挖阶段位移分布(图 8)可知,削坡 治理措施能够降低最终境界矿石条带约 50% 的位移 量,降低断层处的位移变形,对于边坡变形具有明显 的抑制效果,但无法完全消除边坡的变形破坏趋势。 2 . 2. 2 塑性区分析 削坡治理后,随着开挖面继续进行,被开挖切断 中,塑性区集中程度降低,但当开采至-438 m 最终境 界时边坡塑性区显著增加。说明随着边坡高度的增 加,边坡失稳破坏的可能性越来越大,一旦超过边坡 的承载极限,楔形体仍会出现“剪出”破坏。 2. 3 边坡变形机制分析 的 F14 断层软弱夹层同样发生应力集中,并沿断层自 浅部到深部,自-68 m 平台向上、向下扩展,软弱带及 楔形体剪应力集中程度越高,塑性区和松动区范围 越大(图 9)。与图 6 相比,削坡后的边坡在开挖过程 图 10 为边坡剪应变云图,图中显示在开挖初始 · 146 · 曹永胜等:大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及治理措施研究 2020年第1期 阶段,边坡滑面仅出现在 F14 断层-210~-68 m 平台局 部区域,滑面尚未贯通;在边坡开挖过程中,F15 断层 剪切应变增量也逐渐增大,出现潜在滑动面,且边坡 潜在滑移面较现状边坡向下扩展。随着边坡向下开 挖,-68 m 平台出现连接 F14、F15 断层的剪应变增量 带,且变形量及范围不断扩大。最终 F14、F15 两断层滑 面底部贯通,上部连接,滑面形态为上部“滑移”、下 部水平“剪出”的“复合”型。 由图 5、图 6 以及图 10 分析可知:在边坡开挖的 初始阶段,-210~0 m 平台楔形体边坡表现出在 F14 断 · 147 · 总第523期 金 属 矿 山 2020年第1期 层控制作用下边坡局部破坏概率最大处开始破坏, 向破坏概率较大侧发展的渐进破坏机制,楔形体北 侧支撑减小,发生侧倾沉降,出现错动变形趋势,坡 脚呈向临空面扩容变形(图 11(a))。但由于其坡脚 下部台阶较厚大,抑制了边坡的整体变形。-210 m 平台靠帮时边坡安全系数为 1.2,边坡稳定性良好。 随着边坡不断向下开挖,楔形体被揭露的范围越来 越大,-68 m 平台上部变形破坏趋势扩展不明显,-68 m平台坡肩区域拉破坏塑性区更为明显,表明伴随滑 动在-68m 平台上有拉张裂缝产生(图 11(b)、图 11 (d)),-68 m 平台以下的楔形体矿石条带呈现出下部 “ 剪出”、上缘“拉裂”、中间索固段“剪断”破坏的三段 式变形机制,此时边坡安全系数减小至 0.98,边坡发 生失稳破坏。 伸,进而引起矿石条带错动变形。随着边坡开挖,F15 断层剪切应变增量也逐渐增大,出现潜在滑动面, F14、F15 断层破坏面不断向下扩展、贯通。削坡后形成 的-126 m 新台阶同样出现剪应变增量带连接 F14、F15 断层。楔形体矿石条带中下部区域仍呈现出下部 “剪出”、上缘“拉裂”、中间索固段“剪断”破坏的三段 式变形机制,此时最终境界边坡安全系数增大至 1.1, 边坡稳定性提高。 削坡后,边坡的各个开挖阶段剪切应变增量云 图如图 12 所示。对比削坡前的各阶段云图发现,削 坡后的边坡剪切应变增量累积速度有所放缓,峰值 减小,但剪切应变增量集中区域未发生改变,破坏机 制也未发生改变,均为 F14 断层-68 m台阶处先发生局 部破坏,破坏区再沿断层向-68 m 台阶上下区域延 · 148 · 曹永胜等:大孤山露天矿西北帮边坡稳定性分析及治理措施研究 2020年第1期 Engineering,2007,26(3):433-454. 3 治理措施 综上分析,削坡治理后边坡开采至最终境界时 [ 4] 黄润秋 . 岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制[J]. 岩石 力学与工程学报,2008,27(8):1525-1544. 的安全系数升高 0.12,达到 1.1,边坡稳定性提高,但 较《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)的边 坡永久安全系数要求 1.2 相比仍偏小。为保证大孤 山西北帮边坡的稳定性,应采取多种手段进行综合 治理。建议应重点治理 F14 断层出露部分,采用 C25 挂 网喷射混凝土护面及局部设全长黏结锚杆防护的措 施治理软弱断层带渐进式破坏;在-173~-210 m 段边 坡采取预应力锚索与 C30 肋柱相结合的方法稳固楔形 体整体变形,并采取 C30 地梁与锚桩组合的方式加固 Huang Runqiu.Geodynamical process and stability control of high rock slope development[J]. 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