峨口铁矿露天坑南帮边坡涌水量数值模拟

刘慈光 胡建华 杨 春

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

峨口铁矿露天坑南帮边坡涌水量数值模拟

刘慈光1胡建华2杨 春2

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

运用二维有限元分析软件GeoStudio及AutoCAD-3Dmine联合建模技术构建了数值仿真渗流计算模型，对峨口铁矿露天坑南帮边坡涌水量进行了数值模拟分析，结果表明：①南帮边坡涌水量为3 071 m3/d，富水性较高，需及时建设防治水工程；②13#剖面单宽流量最大，后续防治水工程建设于13#剖面附近下部平台利于遏制矿区内涌水。上述分析对于峨口铁矿南帮边坡涌水治理及边坡维护有一定的参考价值。

联合建模技术 露天坑 边坡涌水量 数值模拟

露天采场边坡稳定性是矿山安全高效生产的基本保障。边坡稳定性不仅受地质构造、岩性、地震、地下水等内因影响，同时降水、爆破扰动等外因与不良地质体耦合作用，也增加了边坡失稳的可能性[1]。破碎岩质边坡内部节理裂隙错综复杂，渗透性较高，地下水沿裂隙面出流过程中冲刷、溶解面内填充物，致使裂隙面黏结力大幅降低，导致边坡失稳率增加[2]。据统计，我国90%以上的矿山边坡失稳与地下水或降雨有关[3]，因此，破碎岩质边坡涌水量预测对破碎岩质边坡维护尤为重要。本研究选用二维有限元分析软件GeoStudio对峨口铁矿露天坑南帮边坡涌水量进行数值模拟分析，为该矿边坡涌水治理工程设计提供依据。

1 工程概况

峨口铁矿经过30多年露天开采，已形成约400 m的高陡边坡。2012年一季度末，该矿南东采区已开采至封闭圈以下，逐渐转入高陡边坡深凹露天开采，矿区地下水对采矿的影响越来越大。2013年7月，南东采场新开1 636 m水平因降雨及山体涌水，形成深达8 m的积水坑，导致该水平无法开采推进，严重影响了露天转地下工程的施工进度。该矿坡面渗水已形成细流，平台内有大面积积水。

2 数值模拟分析

2.1 模型构建

运用Auto CAD-3Dmine联合建模技术生成露天坑实体模型，通过三维模型剖分获得二维坡面轮廓线，对于边坡形态较相似的区域，仅取一个代表剖面，共选取16组代表剖面，剖面线位置见图1。

图1 露天坑南帮计算剖面位置

因露天坑最低平台实际标高超过1 500 m，若GeoStudio模型从坐标原点开始构建模型，则不利于观察分析，故利用Auto CAD软件对剖面进行辅助处理，提取模型关键点建立相对坐标模型，即Geo-studio软件显示的高程与模型最低点实际高程之和为该点实际高程。为简化计算并确保精度，根据矿山露天坑岩层分布规律，按60 m高度对模型进行分层简化，层内边坡体视为各向同性均一材料，即渗透系数维持恒定不变，南边坡各分层岩体渗透系数分别为0.8(第1层)，0.75(第2层)，0.7(第3层)，0.65(第4层)，0.6(第5层)m/d。本研究构建的数值模型见图2。

图2所示模型边坡顶部向左延伸40 m作为模型左侧边界起点，右侧截至露天坑最低点并延伸至两侧坡底中点，边坡最低平台向下延伸50 m作为下边界。坝体左侧根据矿山地质勘探报告提供的钻孔水位标高设定定水头边界，计算过程中对于未进行任何防水治水工程建设的边坡，坡面及平台均视为潜在渗流面，地下水可自由出流，下边界及右侧边界为不透水边界。

图2 数值模型边界条件

2.2 涌水量数值模拟结果

在定水头边界条件下，南部边坡随着开挖深度的增加，剖面各向尺寸不尽相同，分层渗透系数亦不同，且质点流经各分层路径也有所区别，16个剖面浸润线出漏高度变化较大。浸润线均在边坡坡面中下部出露，浸润线出露高度为1 657～1 714 m，与现场勘查结果一致。质点在流动过程中受到沿程阻力作用产生水头降，质点流动路径越长，水头损失越大，浸润线出漏高度越低，坡面流量越小。渗流量和流速受边坡垂直高度的影响显著，随着开采深度的增加，在露天矿作业平台上积水范围显著增加。边坡大部分涌水点集中于中部偏下工作平台或坡面，因此在该区域内的出露点构筑相关防渗堵漏工程可取得较好的治水效果。

为计算边坡体涌水量，沿平台及边坡外表面绘制了截面流量监测线，各剖面边坡面单位宽度截面流量监测结果如图3所示。由图3可知：单宽流量为1.403 9～8.229 7 m3/d，最大单宽流量出现在13#剖面附近，最小单宽流量出现在5#剖面，4#～12#剖面流量较接近。根据截面单宽流量及剖面间距，对南帮边坡坡面涌水量进行了估算，统计剖面间距时取相邻中点作为基点，剖面间距如图4所示。

图3 坡面单宽流量

图4 剖面间距(单位：m)

相邻2条剖面线间涌水量为两剖面线单宽流量均值与剖面间距之积，对于相邻剖面线存在的交叉区域，根据剖面线相交区域大小进行适当折减。经计算，1#～16#剖面间露天坑南帮涌水量约3 071 m3/d，边坡富水性较高，需及时建设防治水工程，确保矿区安全高效生产。

3 结 语

运用有限元分析软件Geo-Studio对峨口铁矿露天坑南帮边坡涌水量进行了数值模拟分析，得出该矿南帮边坡涌水量为3 071 m3/d，可见边坡富水性较高，需及时建设防治水工程，13#剖面涌水量较大，故需将排水钻孔、抽水井等防治水工程建设于该剖面下部平台，以最大限度地遏制矿区涌水。

[1] 廖珊珊，张玉成，胡海英.边坡稳定性影响因素的探讨[J].广东水利水电，2011(7)：31-34.

[2] 龚章龙，卢 博.裂隙岩体渗流概述[J].山西建筑，2015，41(36)：55-57.

[3] 谢罗峰.渗流作用下边坡稳定性研究[D].南京: 南京水利科学研究院，2009.

2016-11-21)

刘慈光(1964—)，男，副矿长，总工程师，工程师，034207 山西省代县峨口镇。