考虑渗流作用的城门山铜矿临湖露天开采边坡稳定性研究_向娟.pdf

考虑渗流作用的城门山铜矿临湖露天开采 边坡稳定性研究 向娟 1 陈占锋 1 范文臣 2 （1. 重庆大学城市科技学院， 重庆 402167； 2. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083） 摘要基于地质勘探资料， 建立了城门山铜矿临湖露天开采边坡的地质模型， 对临湖露天开采边坡进行了 考虑湖水在不同渗流路径和不同渗透压力作用下的稳定性分析。研究结果表明 湖水渗流大大降低了边坡安全系 数， 随着湖水水位增大， 边坡滑坡范围越大， 边坡安全系数越低。湖岸与露天采坑之间的距离对边坡稳定性有较大 影响， 湖坡距离D越大， 边坡安全系数越高， 当边坡安全系数取1.2时， 考虑湖水渗流条件下湖坡最小安全距离 为60 m。 关键词临湖露采边坡稳定性流固耦合强度折减法安全距离 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-163-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901028 Stability Analysis of Lakeside Open-pit Slope in Chengmenshan Copper Mine by Considering Seepage Influence Xiang Juan1Chen Zhanfeng1Fan Wenchen2 （1. School of Urban Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China； 2. School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China） AbstractBased on the geological exploration data，the geological model of the open-pit slope in Chengmenshan Cop⁃ per Mine is established， and the stability of the lakeside open-pit slope is analyzed by considering the different seepage paths and different seepage pressures of lake water. The results show that the seepage of lake water greatly reduces the safety factor of slope. With the increase of lake water level，the scope of slope landslide becomes larger，and the safety factor of slope is lower. The distance between lake shore and open pit has great influence on slope stability. Compared with the safety factor of slope under the same lake water level at different distances， the larger the lake-slope distance D is， the higher the slope safe⁃ ty factor is. Based on the above study results， when the allowable safety factor is 1.2， the minimum safe distance between lake and slope is 60 m under the condition of lake water seepage. KeywordsLakeside open pit mine，Slope stability，Fluid-solid interaction，Strength reduction ，Safety dis⁃ tance 收稿日期2018-11-25 基金项目重庆市教育委员会科学技术研究项目 （编号 KJQN201802504） 。 作者简介向娟 （1985） ， 女， 讲师， 硕士。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 天然边坡和铁路、 公路、 露天矿等开挖边坡的滑 坡多发生在暴雨或持续降雨之后； 水库库岸边坡失 稳问题多出现在库水水位急剧下降时或边坡经长期 浸泡以后。可见， 边坡坡体中的地下水渗流与边坡 位移场的耦合作用对边坡稳定性具有重大影响。对 于露天矿边坡， 边坡在开挖以后直至垮塌通常经历4 个阶段， 即 弹性阶段、 非线性变形阶段、 蠕变变形阶 段和垮塌破坏阶段 ［1-2］。结合Mohr-Coulomb准则分 析可知， 岩石在遇水后抗剪强度大大降低， 对于边坡 而言， 意味着安全系数的降低。 许多学者对岩体中水压力与岩体应力的耦合作 用进行了研究 ［3-6］。裂隙岩体流固耦合模式主要有［7-8］ ①直接耦合， 即岩体变形与孔隙液体的相互作用； ② 间接耦合， 岩体中应力和孔隙压力变化产生的相互 作用。对于露天开采边坡， 其变形主要为蠕变、 结构 滑移等不可恢复的非弹性变形， 且对岩体中水压力 163 ChaoXing 2019年第1期总第511期金属矿山 产生不可恢复的影响， 因此， 露天开采边坡流固耦合 分析通常采用间接耦合法。 近年来， 大量学者就渗流对边坡稳定性的影响 进行了详细研究。Saada等 ［9］采用极限分析法， 分析 了边坡在渗透压力作用下的稳定性； Lv等 ［10］建立了岩 体渗流损伤的数学模型， 采用数值计算方法研究了煤 矿露天开采边坡在渗透水压作用下的失稳机理； Chu- Agor等 ［11］研究了水压作用下的边坡失稳机理， 并将 结果应用于山体边坡的稳定性分析； Amit等 ［12］采用 FLAC5.0软件分析了岩土渗透性对不同坡体条件和材 料性质的边坡稳定性的影响。 数值模拟是一种分析边坡在渗流作用下稳定性 问题的有效方法。FLAC3D软件被广泛应用于地下隧 道、 露采边坡、 地下采矿等渗流分析 ［5， 13］， 基于有限差 分原理， 内置的强度折减法能够精确计算边坡稳定 性， 且能分析边坡体重动力、 地下水以及其他因素的 影响。本研究采用FLAC3D软件建立露天开采边坡数 值模型， 并进行计算。最后综合分析水位高度和湖 坡距离对边坡稳定性的影响， 确定边坡与湖面的 安全距离。 1工程概况 城门山铜矿位于江西省九江市， 采用露天开采方 式。矿区位于长江中下游， 地势低平， 濒临湖泊， 西有 瑞昌河流过， 贯穿区内， 由西向东经赛湖流向长江， 属 江河湖泊水网区 （图1） 。随着城门山铜矿三期扩建工 程的实施， 矿区开采范围将向深部和湖区扩展。 目前矿区开采标高为-60～-238 m， 随着开采深 度加大， 露天采坑面积将越来越大， 矿区将向外围扩 展， 矿区东北部将直接与赛湖相邻， 湖水对边坡的影 响不可忽视。赛湖湖底标高8 m， 存在较缓陆坡。雨 季来临时瑞昌河洪水爆发， 湖水水位迅速上涨， 洪水 期过后， 长江洪峰来临， 河水回灌入赛湖导致水位上 涨， 旱季水位下降。历年水文观测资料显示湖水最 高水位标高为25.2 m， 最低水位标高为10.4 m。 2边坡数值模型 采用DIMINE软件建立了湖区矿山的三维地质 模型图2 （a） ， 模型包含区域所有岩性、 风化分界线、 断层等特殊地质构造。将原设计边坡模型导入后对 地质模型进行切割， 得到边坡地质模型。在地质模 型中提取的二维地质剖面如图2 （b） 所示。 边坡坡体地层由上至下依次为上更新统第四系 （Q3） ， 三叠系大冶组灰岩 （T1d） ， 二叠系长兴组灰岩 （P2c） ， 二叠系龙潭组灰岩 （P2l） ， 二叠系茅口组灰岩 （P1m） ， 二叠系栖霞组灰岩 （P1q） ， 二叠系梁山组灰岩 （P1l） 、 花岗闪长斑岩 （γδπ） 。 边坡坡顶标高为 38 m， 坡底标高为-238 m， 边 坡总高度为 276 m。区域岩体的风化深度标高约 为-100 m， 根据地勘资料得到的风化界线如图2所 示。在计算模型中忽略边坡台阶对边坡稳定性的影 响， 以风化线为分界线将边坡分为2个阶段 风化线至 边坡顶部为上阶段， 边坡倾角为41； 风化线以下至坡 底为下阶段， 边坡倾角为48 （图2） 。模型右上角为湖 水区， 湖底标高8 m。边坡顶部到湖岸坡顶的距离 （湖 坡距离） 为D， 湖水深度为hw， 边坡整体高度为H。 3边坡渗流稳定性分析 3. 1边界条件和计算参数 在数值模型中， 模型底部边界为固定边界， 左侧 和右侧为水平向固定边界， 边坡面、 坡底面和坡顶面 都为自由边界， 固定模型y方向位移。左边界、 右边 界和下边界为不透水边界， 湖水由湖岸坡和湖底 （图 3右上角） 边界渗入， 坡顶面、 边坡面和坡底面为地下 水出流面。 在分析岩土体的流固耦合效应时， 将岩体视为 164 ChaoXing 2019年第1期向娟等 考虑渗流作用的城门山铜矿临湖露天开采边坡稳定性研究 多孔介质， 流体模拟独立于结构计算。孔隙水压力 消散引起岩体中位移的变化过程包含2种力学效果 ①孔隙水压力变化引起结构体中有效应力变化； ② 孔隙水压力变化引起流体区域变化。流体在孔隙介 质中的流动依据Darcy定律进行分析， 流固耦合过 程满足Biot方程。 流体平衡方程为 ∂ζ ∂t -qi,iqv，（1） 式中，qv为流体源强度；ζ为流体体积变化值；qi,i为流 体渗透速率。 数值计算中各岩性的力学参数取值如表1所示， 表中容重、 黏聚力、 内摩擦角、 弹性模量、 泊松比均为 室内试验所得， 岩体渗透系数由早期的湖边现场钻 孔抽水试验得出。在模拟中， 认为二叠系和三叠系 灰岩的力学参数一致， 渗透系数不一致。风化和未 风化灰岩的力学性质不相同。 3. 2破坏准则和计算方法 本研究采用FLAC3D软件对边坡的渗流场进行分 析， 并采用强度折减法计算边坡安全系数。强度折 减法的基本计算原则是将Mohr-Coulomb准则视为边 坡岩土体的破坏准则， 根据该准则， 岩土材料强度分 为黏结强度c和摩擦强度tanϕ2个部分。 在强度折减法计算过程中， 将原始边坡的黏聚 力c0和内摩擦角ϕ0的正切值同时除以折减系数K， 进 行数值分析判断边坡是否失稳， 反复分析直至边坡 达到临界失稳状态， 此时边坡安全系数为1， 边坡岩 土体黏聚力为ccr， 内摩擦角为ϕcr， 则边坡的安全系数 Fs为 Fs F Fcr c0 ccr tanϕ0 tanϕcr .（2） 3. 3模拟概况 随着雨季与旱季交替变换， 露天矿隔壁的赛湖 湖水水位发生升降变化， 历史最低水位标高为10.4 m， 历史最高水位标高为25.2 m， 相对于湖面净高最 低为2.4 m， 最高17.2 m。在数值模拟中， 对水位在不 同高度下的边坡稳定性进行了分析， 按水位高度分 为6个工况， 即水位高度hw17.2 m， 12 m， 7 m， 2.4 m， 0 m和边坡不含水。 湖水对边坡稳定性的影响与湖水的渗流路径有 关， 边坡顶部与湖岸坡顶的距离会影响到湖水的渗 流路径。为得出湖坡安全距离 （D） ， 将原设计边坡 沿着露天开采边坡底面进行平移， 建立不同湖坡 距离 （D20 m， 40 m， 60 m， 80 m） 的边坡模型并对其 进行不同湖水水位高度条件下的稳定性分析。 3. 4水位高度对边坡破坏模式的影响 在数值计算中以边坡破坏后的剪应变增量云图 表示滑移破坏区域， 如图4所示。由图4及相关分析 可知 在无水状态下边坡滑移范围最小， 当 hw0 m 时， 边坡滑移范围往湖边扩大； 当hw17.2 m时， 边坡 滑动范围扩大至湖底范围， 滑动范围最大； 当hw12 m 时， 边坡滑动范围出现较大变化， 滑动范围只出现在 坡体风化线以 内， 滑动面底部处于坡体风化与未风 化的交界面处， 滑动面顶部处于湖岸坡底部， 呈单圆 弧形。 进一步分析图4可知 不同距离条件下湖水水位 对边坡破坏模式的影响不同， 当湖水水位较大时， 边 坡垮塌将湖与露天矿坑贯通起来， 湖水的作用扩大 了边坡滑动范围， 增大了边坡的垮塌危害性， 一旦滑 坡， 边坡将出现大范围垮塌， 将导致湖水大量渗入。 165 ChaoXing 3. 5 湖坡安全距离确定 图5为不同距离条件下边坡在不同水位高度湖 水作用下的安全系数变化情况。由图5可知 当D 80 m时， 边坡安全系数最大， 意味着在不考虑湖水的 影响下边坡稳定性较好， 且由前述可知， 不考虑地下 水影响的边坡滑坡范围最小。 进一步分析图5可知 在湖水作用下， 边坡安全 系数明显降低， 都低于1.30， 且较干燥条件下边坡安 全系数相比降低幅度较大； hw17.2 m， D20 m对应的 边坡安全系数最小， Fs1.08； hw0 m， D80 m对应的 边坡安全系数最大， Fs1.29。可见， 在相同湖坡距 离D条件下， 边坡安全系数随着湖水水位升高而降 低， hw17.2 m时， 边坡安全系数最小。 对比在相同湖水水位条件下不同D值的边坡安 全系数可知， D80 m时边坡安全系数最大， D20 m 时边坡安全系数最小， D值越大边坡安全系数有明显 变大趋势。这表明湖水渗流作用对于露天开采边坡 稳定性的弱化作用存在较大影响。 在边坡原设计方案中， 以Fs1.20作为标准安全 系数进行边坡设计， 由图5可知， 湖坡距离D60 m 时， 边坡处于最危险状况， 此时hw17.2 m， Fs1.19； 在 湖水水位高度hw12 m时， 边坡安全系数略大于1.20， 其余水位高度条件下边坡安全系数均大于1.20； 当 D80 m时， 虽然边坡安全系数均大于1.20， 但安全系 数储备过高， 经济性较差。考虑到D40 m和D20 m 时， 边坡安全系数偏低， 无法保证边坡稳定， 因此， 选 定D60 m作为临湖露天开采边坡的安全距离。 4结 论 （1） 基于勘察资料建立了城门山铜矿临湖露天 开采区域地质模型， 从而得到边坡地质模型， 详细区 分了区内所有岩性， 并考虑了风化状况， 为边坡稳定 性分析提供了计算依据。 （2） 边坡坡体中地下水的存在大大削弱了边坡 稳定性， 且湖水水位的变化对边坡稳定性存在较大 影响， 水位高度越大边坡安全系数越低， 稳定性越 差。水位高度的变化也在很大程度上改变了边坡滑 移范围。 （3） 露天开采边坡与临近水体的距离对地表水 向地下渗流的路径有一定影响， 数值模拟表明， 相同 水位条件下距离越大， 边坡稳定性越高。 （4） 综合考虑湖水水位高度和湖坡距离对边 坡稳定性的影响， 最终确定安全距离为60 m， 为露天 开采边坡设计提供了重要依据。 参 考 文 献 Sullivan T D.Mine slope design -the chances of getting the answer right and the risk ofg etting it wrong ［C］ //4thLarge Open Pit Mining Conference. 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