肖祖荣 王贻明 张敏哲 胡 胜 王 剑 李剑秋

(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室,北京 100083;3.贵州大学化学与化工学院,贵州 贵阳 550025)

露天矿山的闭坑,往往遗留下陡峭的边坡,存在滑坡风险,易在降雨后发生泥石流等灾害,造成人员损伤和环境的破坏[1-2]。尾矿作为全球数量最大的工业废渣,如何处置一直是难题,阎文庆[3]总结了各堆存方式的特点、适用环境和对应需注意的因素。任思潼等[4]提出诱导冒落协同地表充填塌陷坑来治理采空区。廉杰等[5]概括了各种治理露天坑的措施,阐述了各方法的优缺点及适用条件。

利用露天坑改建尾矿库的回填方式有很多种,代永新[6]系统阐述了采坑改建尾矿库的关键技术,王玉文等[7]对露天坑做尾矿库和地下矿岩稳定性进行了岩体力学研究。谢盛青等[8]利用全尾砂胶结充填对中南地区某铜矿进行治理,有效隔断了地表水灌入井下的通道,同时降低了边坡高度,解决了尾矿堆存问题。卢宏建等[9]针对提出的露天采坑尾砂胶结充填治理方案,利用石人沟铁矿尾砂解决矿山遗留的露天采坑和地下空区的安全隐患问题。王晓帆[10]探讨了尾矿地表堆存的技术原理,总结了影响膏体堆存的各种因素。郭雷等[11]创新性设计了白音查干多金属矿全尾砂膏体充填与膏体堆存联合处置系统。

目前对于磷石膏干堆和湿排的尾矿坝稳定性研究较多,但是对于磷石膏胶结堆存的研究较少,且大多是针对整体设计图进行模拟分析。本研究依托贵州某磷矿山,运用极限平衡法和数值模拟方法,综合分析磷石膏堆积体边坡的稳定性,并进行分次堆积模拟对比一次成形堆积的差异,所得的结论更具有科学性,同时也为其他矿山磷石膏堆存提供了一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

本研究以贵州省福泉市某磷矿采坑为工程背景,采坑由周边村民私采滥挖所致,矿坑容积高达1.15×106m3,陡峭的边坡存在滑坡的巨大隐患,严重影响周边公路的稳定性,故采用磷石膏堆存对该矿坑进行治理。提前利用碱性激发剂激发磷石膏胶凝活性,经制浆系统制备完成后,通过管道自流输送到露天坑堆积区域。初期坝采用C20混凝土浇筑,高度为12 m,每一个子台阶尺寸为1.2 m×1.2 m(高度×宽度),6个子台阶构成1个堆积子坝,充填子坝最上部台阶充填完毕,向山体方向后退7 m,继续充填下一个子坝,最终形成边坡高度为66 m,边坡角度为32°。充填体内泌水采用DN100软式透水管和PE管进行排水,同时收集泌出水以防止污染。露天坑实景和堆积设计见图1。坝体抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,地震反应谱特征周期为0.35 s,地震基本烈度小于Ⅵ度,露天坑区域地壳较稳定。由于采用胶结堆存形式进行排放,磷石膏自身含水量很低,料浆到库里很快固结,没有尾矿库类似的库尾积水区,且渗透系数很小,故分析安全系数时不需要考虑浸润线。

图1 露天坑堆积设计图Fig.1 Design diagram of open pit accumulation

1.2 堆积坝物理力学参数

岩石相关物理力学参数以地质勘察报告及相关资料为参考,堆积体采用3种配方:(a)磷石膏、(b)磷石膏+石膏和(c)磷石膏+尾矿,利用此3种配方进行制块,参照《岩石物理力学性质试验规程》进行实验室试验并折减后得到堆积体的物理力学参数,具体参数如表1所示。

表1 物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters

2 堆积体边坡稳定性分析

2.1 极限平衡法原理

目前,磷石膏充填坝的稳定性分析沿用土力学的传统分析方法,可将其视为土质边坡,采用极限平衡法。其原理为假定边坡内部产生滑动面造成了岩土体破坏,确定滑面的位置和形状,然后在已知滑面上对边坡进行静力平衡计算,求得边坡稳定安全系数[12-14]。瑞典圆弧法于1915年由瑞典K.E.Peterson提出,该法将滑动土体当成刚体,不考虑条间作用力。Bishop法考虑条间法向力和切向力的作用。Janbu法假定土条法向力的作用点位于其地面以上1/3土条高度处,然后调整作用点的位置以获取其安全系数,适用于任何滑动面而不必规定滑动面是一个圆弧面。

2.2 模型建立

根据充填坝施工总图和地形地质图,选定垂直于初期坝剖面进行分析,利用SLIDE软件构建磷石膏堆积坝的计算模型,模型以白云岩、富水白云岩和磷灰质粉砂岩为基岩,以碎石土填筑基坑后向上分别堆积3种充填体,右下角为初期坝,具体见图2。

图2 磷石膏堆积坝体计算模型示意Fig.2 Schematic of calculation model for phosphogypsum accumulation dam

2.3 稳定性分析

由《AQ 2059—2016磷石膏库安全技术规程》可知我国磷石膏库等级和坝体抗滑稳定最小安全系数,具体见表2和表3。

表2 磷石膏库等级划分Table 2 Classification of phosphogypsum repositories

表3 坝体抗滑稳定最小安全系数Table 3 Minimum safety factors for anti-sliding stability of dam body

选择自动搜索网格,网格数默认为20×20,分析方法选择瑞典圆弧法、Bishop法和Janbu法,物理力学参数根据表1选取。搜索最危险滑动面并分析该滑面的最小安全系数,运行工况见表4。

表4 稳定性分析荷载工况Table 4 Load conditions for stability analysis

该磷石膏充填坝设计为四等库,根据《AQ 2059—2016磷石膏库安全技术规程》,坝体抗滑稳定的最小安全系数(Kmin)要求,正常运行期间Kmin=1.25;特殊运行期间Kmin=1.10。计算结果见表5和图3、图4。

表5 堆积坝稳定性计算结果Table 5 Calculation results for stability of accumulation dam

图3 正常运行时的计算结果云图Fig.3 Cloud chart of calculation results at normal operation

图4 特殊运行时的计算结果云图Fig.4 Nephogram of the calculation results in the case of particular runtime

由表5可知,充填坝在2种工况下的平均安全系数为1.331和1.196,各种方法计算的安全系数都满足《AQ 2059—2016磷石膏库安全技术规程》的要求,边坡整体处于稳定状态。

查阅相关文献[15-16]选取磷石膏湿排和干堆下的物理力学参数进行数值模拟分析,具体结果见表6。从表6中可以看出,磷石膏在干堆和湿排下的安全系数远低于采用胶结堆存的安全系数,不满足安全技术规程的要求,堆积体有失稳下滑的风险。故按照胶结堆存排放磷石膏,堆积体稳定性有显著的提升。

表6 磷石膏干堆和湿排稳定性计算结果Table 6 Calculation results of dry stack and wet stack stability of phosphogypsum

3 堆积体边坡稳定性数值模拟

3.1 计算模型和边界条件

通过南方cass将地形高程点转换为等高线,再利用GTS/NX中的地形生成器生成露天坑区域曲面,向下拉伸形成地质体。根据尾矿坝设计图建立堆积边坡,补全基坑后进行耦合,然后划分网格并导入至FLAC3D中,如图5所示。整个模型由四面体组成,共899 169个单元,164 503个节点。

图5 FLAC3D数值模型Fig.5 FLAC3D numerical model

计算本构模型采用Mor-Coulomb模型。模型底部为固定约束边界,地质体四周约束位移,坡面设自由边界。初始条件仅考虑自重应力产生的初始应力场。计算所用物理力学参数沿用表1,利用FLAC3D强度折减法计算安全系数时,地质体仅参与初始应力场计算,不参与强度折减计算,将地质体和基坑碎石土内摩擦角调整至50°[17]。

3.2 整体成形模拟计算结果

将地质体隐藏以观察边坡的模拟计算结果,图6为边坡的整体位移变化。从图6可以看出,边坡左右两侧和地质体交界处X轴位移——即顺坡向位移较大,将近20cm的变形,向堆积体中部位移递减至5cm左右。而边坡在垂直方向上的最大变形出现在坝顶,最大沉降在50～60 cm之间,沉降由上至下递减,总体上远小于磷石膏干堆变形量[18]。经过强度折减法计算出堆积体的安全系数为1.39,略大于极限平衡法的计算值,满足规程的要求。边坡的潜在滑移面是判断边坡失稳和加固的重要依据,堆积体边坡的剪应变速率表明滑移面各点的剪应变改变速率要快于沿该点滑移面法线方向上的各点[19]。以初期坝为起点,垂直坝轴进行切片分析,图7为数值模拟所得剪应变速率分布图,可以看出边坡的最危险滑移面经过坡脚,而坡脚为混凝土初期坝和地质体,能够有效防止上部堆积体沿潜在滑移面下滑导致边坡失稳。

图6 堆积体位移变化云图Fig.6 Cloud diagram of displacement variation of accumulation body

图7 堆积体最大剪应变速率云图Fig.7 Cloud diagram of maximum shear strain rate of accumulation body

3.3 分次成形模拟计算结果

实际工程中,堆积体是由底部分层向上堆积,期间存在应力的循环加载和平衡,故分多次计算来模拟堆积过程中应力应变的变化。由于45个台阶划分网格计算量过大,故按照子坝进行堆积,共堆积八次,为避免篇幅过多,仅列出最后堆积计算结果。对比一次成形模拟结果,位移分布发生显著的变化。从图8中可以看出,X方向上,一至四级子坝中部位移变化不大,仍为30～40 cm之间,但是两侧位移降低20 cm,五级至八级子坝整体位移降幅巨大,基本在15 cm之内。Z方向上,最大沉降处由坝顶转变为四级子坝,沉降在70 cm以上,表现为由中部向两侧递减,由四级和五级子坝向上下子坝递减。

图8 分次堆积位移变化云图Fig.8 Cloud diagram of fractional accumulation displacement variation

由于分次堆积显示的是各子坝独立的位移变化,故综合来说,边坡整体的沉降和位移都远大于一次性堆积的结果,这是由于在不断的堆积过程中应力发生了消散,重新应力平衡使蠕变增加。由分次堆积模拟位移变化云图可以看出,水平位移和沉降致使坡角发生了较大的变化,也将导致边坡的安全系数发生改变。因此,在堆积体的稳定性分析中,可对设计边坡的安全系数进行一定的增加。

选定同一剖面各子坝台阶上的点进行位移监测,其位移数据如图9所示。每级子坝堆积后,首先向内回缩1～5cm,然后随着应力的不断加载,向坡外持续位移。前三级子坝位移较大,最大位移有50 cm以上,上部子坝位移在20 cm以内。从Z方向位移来看,各子坝台阶未出现隆起现象,皆向下沉降。一级和二级子坝台阶位移增大至30 cm左右后变形速率迅速下降,稳定在30～40 cm之间。三级和四级子坝变形速率基本不变,持续变形至60 cm以上,四级子坝第五台阶位移最大,达到70 cm。六级至八级子坝变形速率最大,但是由于计算时步相对比较短,边坡内部应力场很快稳定下来,位移最小。该位移监测结果与矿山利用RTK监测位移数据大部分吻合,但上部分堆积体现场监测数据稍大,推测是由于现场堆积时下方边坡并未达到应力平衡。整体来说,数值模拟结果与实际工程情况相近,为磷石膏堆积体边坡稳定性分析提供了一定的理论支持。

图9 堆积体监测点位移变化Fig.9 Displacement variation diagram of accumulation body monitoring point

4 结 论

(1)采用瑞典圆弧法、Bishop法、Janbu法和数值模拟,通过对磷石膏胶结堆存边坡典型剖面进行分析,堆积坝在正常运行和特殊运行下的平均安全系数为1.331和1.196,满足磷石膏库安全技术规程的要求。

(2)通过对比分析磷石膏在湿排、干堆和胶结堆存下的稳定性,发现相同条件下的堆积坝安全系数对比干堆和湿排提高30%～50%,对其他废料的堆存有一定的借鉴意义。

(3)利用FLAC3D对胶结堆存边坡分次堆积模拟,相较于一次成形堆积边坡,分次堆积模拟的水平位移和沉降较大。同时,磷石膏的堆积蠕变和边坡的坡角减小使堆积体安全系数发生变化,因此判断实际堆积体边坡稳定性时应考虑堆积体变形因素,并结合现场监测结果综合分析。