固化回填過程對露天邊坡的穩定性影響*

彭華鋒,張欽禮

(1.銅陵化工集團新橋礦業有限公司,安徽 銅陵市 244132;2.中南大學,湖南 長沙 410083)

0 引言

露天礦山開挖后會破壞和擾動原來較為穩定的巖體,而形成新的高陡邊坡,由于原有的平衡狀態被打破,巖體應力將發生重新分布,這樣極易導致邊坡變形失穩[1-2]。邊坡失穩引起的滑坡、落石、塌陷、泥石流等,可能帶來嚴重的破壞,甚至不可估量的災難。邊坡穩定性成為影響露天礦山安全生產的關鍵問題,也一直是巖土工程中的重要研究內容[3-4]。因此,邊坡穩定性分析成為邊坡設計、邊坡穩定狀態判別、邊坡加固與治理的重要決策依據[5-6]。國內外學者針對邊坡穩定性問題做了大量的研究,形成了邊坡穩定性評價方法:工程地質類比法、定性分析法、極限平衡分析法和數值分析法[7-9]。楊天鴻等[10]為建立基于微震監測信息反演的邊坡巖體內部損傷演化模型,提出了露天礦邊坡巖體強度參數識別表征方法和動態穩定性評價方法,實現了露天礦邊坡穩定性動態分析預測。張曉詠等[11]運用ABAQUS有限元程序結合強度折減技術進行滲流作用下邊坡穩定分析,揭示了坡體內滲流浸潤面和最危險滑動面的形狀和位置。

露天采坑治理的最佳途徑是采用無毒無害固體廢棄物進行固化回填[12]。固化回填可以有效降低露天邊坡高度,同時可以起到壓坡腳的作用,有利于露天邊坡的維護[13]。但在固化回填過程中,濾水隨著回填作業滲透富集于充填體表面,通過巖石或充填體的滲透作用,沿裂(孔)隙滲透至邊坡巖體內,與地下水共同作用于周邊巖體。在水的長期浸泡下,邊坡巖體的強度可能會受到削弱,進而影響邊坡的整體穩定性。本文在分析當前露天邊坡穩定性的基礎上,利用數值模擬分析無滲流場/滲流場作用下不同固化回填高度對露天邊坡穩定性的影響,以確保露天邊坡穩定性不會因固化回填受到削弱。

1 邊坡穩定性分析數值模擬方案

新橋礦是一座東翼露天、西翼地下聯合開采的大型銅硫礦山,東翼露天開采結束后,形成了巨大的露天采坑和高陡邊坡,對下部資源回采產生一定安全威脅。由于新橋礦尾砂產出率較低,自產尾砂僅能維持井下充填平衡,沒有多余的尾砂進行露天采坑的回填。在距新橋礦直線距離11 km 處的冬瓜山銅礦,其尾礦庫庫容接近飽和。如能通過區域礦山協同,利用冬瓜山銅礦充填剩余尾砂對新橋礦露天采坑進行固化回填,是一項雙贏的環保工程。既解決了冬瓜山銅礦尾砂處置難題,又消除了新橋礦露天采坑的安全隱患,節約了新橋礦露天采坑復墾費用,實現協同雙贏。

新橋礦露天采坑形成最終開采境界后,封閉圈標高為+36 m,坑底標高為-156 m,下盤邊坡垂高為482 m,上盤最終邊坡角為42°～45°,下盤最終邊坡角為39°～41°,容積為4360萬m3。為保證新橋礦東翼露天轉地下安全平穩過渡,在露天坑底標高-180～-156 m 之間留設了24 m 境界頂柱。根據露天采坑的回填方案,坑底10 m 進行打底回填,其中坑底以上5 m 充填體28 d單軸抗壓強度不低于4.5 MPa,5～10 m 充填體28 d單軸抗壓強度不低于2.5 MPa;坑底以上10 m 至露天采坑封閉圈進行普通回填,充填體28 d 單軸抗壓強度不低于0.5 MPa。

邊坡穩定性分析是對研究范圍內的邊坡進行詳細的現場踏勘和地質調查,并在研究以往礦區地質資料的基礎上,通過建立正確、可靠的邊坡數值模型,采用可靠的方法對邊坡的安全穩定狀態進行評價。

1.1 分析方法

針對新橋礦露天采坑具體情況,利用SLIDE 巖土體邊坡穩定性分析軟件,采用屬于極限平衡法的簡 化Bishop 法、Janbu 法 和 Morgenstem-Price(M-P)法進行露天邊坡穩定性分析。

1.2 數值模型構建

1.2.1 基本假定與邊界約束

為便于建模和分析計算,需做出如下假設:

(1) 邊坡巖體的變形和位移是微小的,按彈塑性平面應變問題處理;

(2) 不考慮地應力的影響,計算中只考慮自重應力作用下邊坡的應力與位移;

(3) 礦體和圍巖為局部均質、各向同性的材料,塑性變形不改變材料各向同性;

(4) 考慮到巖石的脆性,分析中涉及到的所有物理量均與時間無關;

(5) 不考慮應變硬化(或軟化);

(6) 考慮到有限元程序的局限性,不考慮巖層和礦體中的結構面、裂隙和軟弱層的存在與影響。

1.2.2 邊界條件

滲流邊界條件:邊坡定義出水點遠端標高為地下水位,取總水頭邊界,模型地面取不透水邊界,地層邊界取自由邊界。

位移邊界條件:模型兩側邊界施加水平軸向約束,模型底部施加水平和豎直軸向約束。

滲流場主要考慮地下水位、回填濾水和降雨匯水;根據初始地下水位,模擬穩態流,以該結果作為后續非飽和滲流分析的基礎;穩定性模擬過程中,在充填體表面賦加地表水(回填濾水)。

1.2.3 力學參數

數值計算分析的準確性很大程度上取決于礦巖體基本力學參數是否準確。本次模擬采用的礦巖力學參數為結合鉆孔取樣試驗和巖體質量評價結果計算所得,結果見表1。

表1 巖體和充填體的力學參數

1.2.4 邊坡數值模型

在上盤邊坡和下盤邊坡各選取一個穩定性相對較差的剖面進行分析。為簡化理論模型,忽視臺階存在,按照上盤邊坡角為43°和下盤邊坡角為39°,運用SLIDE 軟件分別構建上盤邊坡和下盤邊坡的數值模型,利用有限元法進行網格劃分,分別如圖1和圖2所示。本次露天邊坡穩定性分析固結回填高度取值分別為:0、10 m(打底)、80 m、140 m。

圖1 上盤邊坡網格劃分

圖2 下盤邊坡網格劃分

1.3 安全系數

邊坡安全系數是衡量邊坡穩定性的最終定量指標,此次研究的邊坡允許安全系數以《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB 51016-2014)的規定為依據,確定新橋礦露天邊坡的允許安全系數為1.25。

2 邊坡穩定性分析

2.1 無滲流場作用下露天邊坡穩定性分析

無滲流場作用不同固結回填高度下露天邊坡安全系數計算結果見表2,圖3和圖4展示了部分無滲流場作用下露天邊坡穩定性分析結果。由計算結果可以看出,Janbu法計算所得到的邊坡安全系數最小,而Bishop法的計算結果較大,這是由于Janbu法對坡體的破壞面形狀沒有限定,運算過程更加接近邊坡破壞的工程實際情況。

圖3 上盤邊坡安全系數(圓弧,Bishop法)

圖4 下盤邊坡安全系數(非圓弧,Janbu法)

表2 不同固結回填高度下露天邊坡安全系數

在不同邊坡穩定性計算方法所得的結果中,上盤邊坡的最小安全系數為1.351,均大于允許安全系數限值,說明固化回填過程可以保證上盤邊坡的穩定性。當回填高度為0和10 m 時,下盤邊坡的最小安全系數為1.221和1.239,小于允許安全系數限值。另外,下盤邊坡的安全系數始終小于上盤邊坡的安全系數,說明露天采坑下盤邊坡的穩定性更差。

邊坡安全系數與回填高度呈正比例關系,即隨著回填高度的上升,邊坡安全系數逐漸提高?；靥罡叨葹?、10 m、80 m、140 m 時,上盤邊坡對應的最小安全系數分別為1.351,1.390,1.832 和2.124;下盤邊坡對應的最小安全系數分別為1.221,1.239,1.313和1.460。當回填高度超過10 m 后,即使不穩固的下盤邊坡穩定性也滿足要求。

2.2 滲流場作用下露天邊坡穩定性分析

考慮滲流場作用后,不同固化回填高度下露天邊坡安全系數計算結果見表3,圖5和圖6展示了部分滲流場作用下露天邊坡穩定性分析結果。在不同邊坡穩定性計算方法所得的結果中,考慮滲流場作用,上盤邊坡在未開展回填作業前(回填高度為0)的最小安全系數僅為1.216,低于允許安全系數限值。由于露天采坑上盤外圍實施了防滲帷幕注漿工程,下盤邊坡無地下水水位線影響,僅考慮固化回填后露天采坑積水滲流的影響?；靥罡叨葹?0 m 時,下盤邊坡最小安全系數為1.221,仍然略小于臨界值。也就是回填高度小于10 m 時,在滲流場作用下,露天邊坡的最小安全系數均低于允許安全系數限值,無法保證露天邊坡的穩定性。

圖5 滲流場作用下上盤邊坡安全系數(圓弧,Janbu法)

圖6 滲流場作用下下盤邊坡安全系數(非圓弧,Janbu法)

表3 滲流場作用下不同固化回填高度下露天邊坡安全系數

考慮滲流場作用后,露天邊坡安全系數隨回填高度的增加逐漸提高。當回填高度為0,10 m,20 m,80 m 和140 m 時,上盤邊坡的最小安全系數分別為1.216,1.257,1.289,1.666 和2.050,下盤邊坡的最小安全系數分別為1.213,1.221,1.262,1.292和1.448。因此,即使考慮滲流作用,當回填高度達到20 m 時,上盤邊坡和下盤邊坡都能滿足穩定性要求。在實際回填作業過程中,通過有效控制堆填濾水量,合理布置排水工程,及時抽排堆填體表面水,可以進一步減輕回填體濾水的影響。

2.3 有/無滲流場作用下露天邊坡穩定性對比分析

對比分析有/無滲流場作用下露天邊坡穩定性計算結果可以發現:

(1) 滲流場(主要為充填體表面積水)作用對下盤邊坡穩定性影響較小,安全系數僅降低0.01～0.02?；靥罡叨葹?0 m 時,無滲流場條件下,下盤邊坡對應的最小安全系數為1.239;滲流場條件下,下盤邊坡對應的最小安全系數降至1.221,均小于允許安全系數限值,安全儲備不足。當固化回填高度超過20 m 時,露天邊坡的最小安全系數均超過1.25,可以滿足露天邊坡穩定性要求。

(2) 相對于下盤邊坡,滲流場(地下水+充填體表面積水)對上盤邊坡穩定性影響較大,安全系數降低0.06～0.16。未開展固化回填前,無滲流場條件下,上盤邊坡的最小安全系數為1.351;而滲流場作用下,上盤邊坡的最小安全系數降至1.216,小于安全允許系數限值,當固化回填高度達到10 m 后,最小安全系數提高至1.259,可以滿足露天邊坡穩定性要求。

(3) 滲流場作用導致上、下盤邊坡穩定性有所降低,但對露天邊坡的弱化作用有限,并不會對露天邊坡整體穩定造成根本性影響,當固化回填高度超過20 m 后,上、下盤邊坡都能滿足穩定性要求。

(4) 露天采坑固化回填總體上有利于提高露天邊坡的穩定性,可以減輕甚至消除大型露天坑邊坡長期暴露的地質災害安全隱患。

露天采坑開展回填作業前期(固化回填高度達到20 m 前),為了確保露天邊坡的穩固性,建議采用相應的加固措施;當固化回填高度超過20 m 后,即使考慮滲流場作用,露天邊坡也較不回填時更為穩定,可以消除露天采坑未處置時局部邊坡存在的安全隱患。

3 結論

本文依靠數值模擬手段,對有/無滲流場作用下露天邊坡的穩定性進行深入分析,為固化回填對露天邊坡穩定性的影響做出了科學評價。

(1) 滲流場作用會導致上、下盤邊坡的穩定性有所降低,但對露天邊坡的弱化作用有限,并不會對露天邊坡整體穩定造成根本性影響。

(2) 露天采坑固化回填總體上有利于提高露天邊坡的穩定性,且隨著回填高度的上升,露天邊坡安全系數逐漸提高。

(3) 當固化回填高度超過20 m 時,上、下盤邊坡都能滿足露天邊坡穩定性的要求。