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1、王强(1984),男,工程师,714102 陕西省渭南市。爆破振动载荷对露天边坡稳定性影响数值模拟研究王强1吴尚2(1.金堆城钼业股份有限公司矿山分公司;2.武汉理工大学资源与环境工程学院)摘要边坡稳定性是影响露天矿山安全的重要因素之一,关系着矿山的人员财产安全,而矿山日常生产中的爆破活动又是影响边坡稳定性的重要因素之一。通过对某矿区进行现场工程地质调查等获得了边坡岩体力学参数,同时,采用强度折减法,利用FLAC3D软件,对矿区4个分区边坡在爆破振动荷载下的稳定性系数进行了分析计算。计算分析结果表明,此矿山在爆破振动荷载工况下各分区边坡的稳定性系数均大于许用安全系数,处于稳定状态。关键词边坡稳
2、定性强度折减法数值模拟DOI:10.3969/j.issn.1674-6082.2023.09.059Numerical Simulation Study on Influence of Blasting Vibration Load on Slope Stabilityof Open-pit MinesWANG Qiang1WU Shang2(1.Mine Branch of Jinduicheng Molybdenum Co.,Ltd.;2.School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Techn
3、ology)AbstractSlope stability is one of the important factors affecting the safety of open-pit mines,whichis related to the safety of personnel and property in mines,and blasting activities in daily production of minesare one of the important factors affecting slope stability.The mechanical paramete
4、rs of slope rock mass areobtained by in-situ engineering geological survey of a mining area.Meanwhile,the stability coefficients ofslopes in 4 areas of mining area under blasting vibration load are analyzed and calculated by strength reduction method and FLAC3Dsoftware.The results of calculation and
5、 analysis show that the stability coefficient ofthe slope in each zone is greater than the allowable safety coefficient and is in a stable state under blasting vibration load.Keywordsslope stability,strength reduction method,numerical simulation总第 653 期2023 年 9 月第 9 期现代矿业MODERN MININGSerial No.653Se
6、ptember.2023露天矿山边坡稳定性关乎矿山安全生产,是影响矿山经济的重要因素之一。针对露天矿山边坡的稳定性问题,科学有效地进行边坡稳定性分析与评估是维护矿山安全的重要手段。通过对边坡的地质结构、地下水位、坡度、高度、岩体力学参数等因素进行综合分析,可以得出边坡的稳定性评估结果,对于采取相应的措施,提高边坡稳定性具有重要的指导意义。近年来,随着数值模拟技术的不断发展,出现了Abaqus、Geo-studio、FLAC等大型模拟软件1-4。赵尚毅等5指出边坡破坏时会产生无限发展的位移,仅仅依靠边坡从坡脚到坡顶的塑性区贯通不足以断定此边坡已经失稳,还应看是否产生了很大且无限发展的塑性应变和位
7、移,因此提出将计算收敛和塑性区贯通共同作为边坡失稳的依据;刘金龙等6提出特征部位位移突变性结合塑性区的贯通性作为失稳判据;连镇营等7认为某一幅值的广义剪应变从坡脚贯通到坡顶,则视为边坡破坏,但广义剪应变包括弹性部分和塑性部分,以广义的剪应变不能准确反映土体塑性区的发展过程。本文采用强度折减法,利用FLAC3D软件,对某矿山矿区4个分区边坡在爆破振动荷载下的稳定性系数进行了模拟分析。247现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期1工程概况某露天矿矿区内分布地层由老至新分别为二叠系下统茅口组(P1m)、二叠系上统龙潭组(P21)、三叠系下统大冶组(T1d)、第四系(Q)。对不同地段构
8、造节理裂隙进行了专门观察研究及统计,经对矿区统计的构造节理进行分析表明,矿区发育节理主要有 3 组:a 组 11543、b 组 23060、c组33672。对矿区岩石进行力学实验,依据边坡岩体质量评价成果,综合考虑RQD等环境因素影响的影响,运用多种方法从不同角度对此矿山岩石力学参数进行工程折减处理,获得了岩体力学参数。对于抗剪强度参数c、值取不同方法得出结果;岩体单轴抗压强度、抗拉强度和变形模量采用由Hoek-Brown法折减得出的参数。边坡岩体力学参数综合选取值见表1。2计算模型构建2.1计算工况与参数取值本文将采用强度折减法模拟爆破振动荷载下边坡稳定性,采用等效静力法考虑爆破振动力,参考
9、颁发的 非煤露天矿边坡工程技术规范(GB 510162014),第i条块的爆破振动力按照下式计算:Fi=i i Wig,(1)i=2 f Vi,(2)Vi=V,(3)V=K(Q3Ri),(4)式中,Fi为第i条块爆破振动力的水平向等效静力,kN;Wi为第i条块的重力;kN;i为条块爆破力系数,取0.10.3;a为第i条块爆破振动质点的水平向最大加速度;m/s2;f为振动爆破频率,Hz;V为边坡质点振动速度,cm/s;Vi为第i条块重心处质点水平向振动速度,m/s;Q为爆破装药量,kg;Ri为爆破区药量分布的几何中心至观测点的距离,m;K,为与岩体性质、爆破条件等有关的系数。矿山采用中深孔微差爆
10、破,单孔装药量约为150kg,根据 爆破安全规程(GB 67222014)取频为20Hz,爆破场地条件有关的衰减系数K取值为150,取值为1.5,Ri取值为30 m,本文采用强度折减法模拟爆破振动荷载下边坡稳定性,爆破振动采用等效静力法模拟,得出i=14.04 m/s2。2.2计算剖面根据矿区内不同方位边坡工程地质情况及终了边坡高度等参数,将该矿山拟设计的终了边坡划分为4个区域,即剖面所在边坡区域,由于剖面边坡所在区域为顺层边坡,且边坡高度较高为173 m,故选择为代表性剖面,其余剖面分别为切向坡或逆向坡,一般而言,在分析露天边坡稳定性时,顺层边坡的稳定性较差,应予以重点关注。各边坡剖面图如图
11、1所示。3 边坡稳定性判据3.1边坡工程安全等级确定此露天矿边坡终了边坡高度为173 m,小于200m,属于中、低边坡。当边坡失稳有人员受伤时,直接经济损失50万100万,间接经济损失5001 000万,边坡失稳危害性严重。因此,根据 非煤露天矿边坡工程技术规范(GB 510162014)中的边坡危害等级划分标准,将该矿山边坡危害等级定为级。基于该规范中的边坡工程安全等级划分标准,边坡工程安全等级整体取为级。3.2许用安全系数边坡稳定性安全系数是评价和衡量边坡稳定性的最终定量指标,与边坡力学性质和工程选用的参数等因素有关,最小允许安全系数的确定是非常复杂的问题。边坡的安全系数Fst是边坡稳定性
12、判据的重要参数,是判断边坡稳定性状态的重要阀值。如在采用极限平衡法对边坡稳定性进行分析时,首先计算出潜在滑动面上的综合抗滑力与综合下滑力的比值稳定性系数Fs,随后通过比较Fs与Fst的大小关系来评估边坡的稳定性,当Fs大于Fst时为边坡处于稳定状态,当Fst小于Fs时边坡为不稳定状态。岩土工程勘察规范(GB 500212001)中第3,6,9条对边坡稳定性计算方法进行了规定,第3,6,10条对边坡稳定性安全系数作出了具体规定,见表2。根据 非煤露天矿山边坡工程技术规范(GB510162014)以及边坡等级分级,设计爆破震动荷载下总体边坡安全系数设计为1.18。4基于强度折减法边坡稳定性分析强度
13、折减法是一种应用广泛的数值模拟方法。1975年 Zienkiewiczn 提出了抗剪强度折减系数的概念,分析了边坡应力和位移变化使岩土体抗剪强度降低的特性,并将极限状态下的折减系数被认为是边坡稳定安全系数。此后,以强度折减法为基础的数值分析方法在边坡稳定性分析中得到普遍应用。本文采取使用FLAC3D软件进行数值计算,根据强度折减法对爆炸振动荷载作用下的边坡稳定系数进行248王强吴尚:爆破振动载荷对露天边坡稳定性影响数值模拟研究2023 年 9 月第 9 期模拟分析。4.1基于FLAC3D的边坡稳定性计算FLAC3D可以计算出破坏面上产生较大的剪应变增量,是一个和岩体某一节点位移相关的物理量,是
14、边坡的稳定的一个重要参数。结合弹塑性力学理论和莫尔-库仑强度理论,岩土体的破坏原因是内部的任意一面上的剪应力超过其极限剪应力而发生破坏,破坏后产生较大的剪切变形,进而岩土体发生破坏。根据剖面图、-、-在Au-toCAD 中生成模型,利用 Rhino 软件的 Griddle 插件进行网格划分,然后转化为 FLAC3D软件的文件格式,最终在FLAC3D中生成剖面计算模型进行计算,x轴正向为指向边坡内,z轴竖直向上,底部采用全约束,垂直于x轴的面采用法向约束,计算结果如图2、表3所示。249现代矿业2023 年 9 月第 9 期总第 653 期由图2、表3可看出,4个剖面的安全系数分别为1.7,1.
15、63,1.68,1.55,各分区边坡在爆破震动荷载工况下稳定性系数均大于设计的许用安全系数,表明此边坡处于稳定状态。当岩体力学参数折减系数达到安全系数时,边坡处于临界失稳状态,并且最大剪切应变增量位于设计爆破区域,方向指向爆破区域的法向方向,当边坡处于临界状态时,将首先从最大剪切应变增量位置(爆破处)发生破坏。5结论通过对某矿区现场工程地质进行调查,结合室内岩石实验以及工程地质岩体的质量评价获得了边坡岩体的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力值等岩体力学参数,利用等效静力法考虑爆破振动力,计算得出爆破振动参数水平向最大加速度;根据矿区内不同方位边坡工程地质情
16、况及终了边坡高度等参数,并遵循顺层边坡的稳定性较差的原则将该矿山拟设计的终了边坡划分为4个区域。同时,采用强度折减法,利用FLAC3D软件,以边坡许用安全系数作为边坡稳定性判据,对矿区4个分区边坡在爆破振动荷载下的稳定性系数进行了分析计算。结果表明,此矿山在爆破振动荷载工况下各分区边坡的稳定性系数均大于许用安全系数,整体边坡稳定性较好,都能满足规范要求的最小安全系数,边坡处于稳定状态,此结果对矿山安全有一定指导意义。参考文献1董杰华,黄浩,徐中来,等.基于ABAQUS的坡地边坡稳定性影响因素敏感性分析 J.煤炭技术,2021,40(1):62-65.2毛肖杰.基于Geo-Studio的某露天矿
17、风化砂质边坡稳定性分析D.昆明:昆明理工大学,20153李俊平,王红星,庞静霄,等.某山坡露天矿边坡稳定性的FLAC(3D)研究 J.安全与环境学报,2017,17(2):482-490.4黄昌乾,丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法 J.水电站设计,1999(1):54-59.5赵尚毅,郑颖人,张玉芳.极限分析有限元法讲座有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨 J.岩土力学,2005(2):332-336.6刘金龙,栾茂田,赵少飞,等.关于强度折减有限元方法中边坡失稳判据的讨论 J.岩土力学,2005(8):1345-1348.7连镇营,韩国城,孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边坡的稳定性 J.
18、岩土工程学报,2001(4):407-411.(收稿日期 2023-03-16)(2)在磁化焙烧过程中,加入适量的氯化剂,可有效回收铁尾矿中的有色金属组分。在焙烧温度1 000、焙烧时间90 min、氯化剂氯化钠用量5%的条件下,铜、铅、锌挥发率分别达 39.63%,82.32%,75.31%。铜的挥发率低,挥发速度慢,有待后续试验深入研究。参考文献1刘红召,王 威,王守敬,等.七宝山铁尾矿还原焙烧弱磁选回收铁试验 J.金属矿山,2014(9):172-176.2陈代雄.江西省七宝山铅锌矿铁尾矿综合利用试验研究报告R.长沙:湖南有色金属研究院,2007.3薛伟.江西七宝山铁尾矿多金属分离新工艺
19、研究 D.长沙:湖南农业大学,2009.4张军.七宝山铁矿复杂难处理多金属铁矿尾矿矿石工艺矿物学研究 R.长沙:中南大学,2008.5刘军.氧化铅锌矿的浮选 J.矿业快报,2006(10):26-29.6姜平国,吴朋飞,汪正兵,等.氯化挥发的研究进展 J.有色金属科学与工程,2016,7(6):43-47.7赵洁婷.CuS氯化焙烧行为初探 J.黑龙江冶金,2014,34(4):24-25,28.8李相良,秦树辰,刘三平,等.氧化铅锌矿还原挥发试验研究 J.矿冶,2018,27(2):72-74,79.9洪陆阔,高建军,齐渊洪,等.氧化铅锌矿直接还原实验研究 J.钢铁研究学报,2018,30(9):704-709.10 罗云波.氧化铅锌矿热风硫化焙烧及浮选试验研究 D.长沙:长沙矿冶研究院,2014.11 李学鹏,尹久发.氯化挥发回收含锡尾矿中的有价金属 J.有色金属:冶炼部分,2012(9):11-14.12 董德千.白云鄂博尾矿的焙烧-氯化联合分解 D.沈阳:东北大学,2008.13 金立熏,曹庆林.煤矸石氯化焙烧及反应机理的研究 J.煤炭学报,1996,21(5):531-535.14 中南矿冶学院冶金研究室.氯化冶金 M.北京:冶金工业出版社,1978.15 彭容秋.重金属冶金学 M.长沙:中南大学出版社,2003.(收稿日期 2023-04-16)(上接第194页)250