基于臨界滑移場技術的露天礦邊坡穩定性分析

孫世國，王明月，繆靜芳

(北方工業大學建筑工程學院，北京 100041)

甘肅省金昌市石英石露天礦位于甘肅省金昌市金川區高石咀，南距蘭新鐵路金昌站10km，北距金昌市區8km，省道212線河(西堡)-雅(布賴)公路從工區東部通過。地理位置重要，石英石儲量豐富。礦區采用露天開采方式、組合臺階采礦方法。隨著石英石露天礦開采深度的增加，礦區邊坡已產生不同程度的變形和破壞，不僅影響到露天礦邊坡自身的安全，而且也影響露天礦邊坡周圍環境的安全性。露天礦邊坡穩定性成為影響礦區安全生產的重要因素。因此應用臨界滑移場技術在確保露天礦邊坡穩定的前提下，實現石英石資源回收率最大，邊坡剝離量最小是本文要解決的主要問題。

1 工程地質條件

礦區原為中低山、丘陵地貌，地形西北高，東南低。經多年開采，現礦區形成一中間低，三面高的露天開采大坑，南側、西側、北側開挖呈多層臺階狀陡坡，中間地勢較為平坦。場地自然地面標高在1936.3～1858.3m之間，頂部與底部最大高差約80m。斜坡直立陡峭，一般坡度70～80°，少部分底部有開采巖石堆積。北側斜坡頂部多處覆蓋開采廢石，局部為基巖裸露區，靠近斜坡邊緣地表可見多條裂縫。礦區位于阿拉善隆起區南緣—龍首山隆起南部的古生代斷陷盆地的北緣，南與河西走廊過渡帶相鄰。盆地呈北西向狹長帶狀，由下古生界、泥盆系、石炭二迭系及第三、第四系地層組成。自然地面以下出露地層有第四系坡積、殘積層及少量人工采石堆積物、角礫巖、砂巖、粉細砂巖、板巖、頁巖、石英巖、片麻巖、泥巖、角閃巖等，層間局部夾有斷層破碎帶、煤層。

礦區年降雨量小于蒸發量，為干旱地區。據《建筑抗震設計規范》(2010年版)，金昌市地區地震設防烈度為7度第三組，設計基本地震加速度值為0.15g，設計特征周期值為0.45s。

2 邊坡臨界滑移場技術

臨界滑移場方法能準確快速確定邊坡任意形狀臨界滑動面，全面評價邊坡整體和局部穩定性等。它首先將邊坡體分成很多條塊(條塊數比常規條分法所采用的數目要多得多)，再將條塊分成眾多狀態點。在給定安全系數下，邊坡體的強度按同一比例發揮，過條塊線上的任一點(不只限于狀態點)都存在有危險滑動方向(用tanα表示，α為過該點上條塊滑面的傾角)和最不利推力P，它們使最終出口處剩余推力最大。Tanα和P可近似認為沿條塊線分段線性分布。對于具體條塊只計力的平衡，條間力的方向θ按有關常規條分法考慮[1,2]。根據條塊受力平衡(如圖1所示)，其推力計算公式見式(1)。

(1)

β0=arctan(1/K0)；

式中：Fs為當前設定的安全系數，Wi為條塊重量，ui為條底空隙水壓力；K0為地震影響系數，ci和φi分別為條底凝聚力和內摩擦角，li為條底邊長，αi和αi-1分別為本條塊和上條塊底面傾角；Pi-1和Pi為條塊間推力。

圖1 條塊受力示意

臨界滑移場法的出發點是，對于設定的安全系數Fs，逐一求出各狀態點的最危險滑動方向tanα，使最終剩余推力極大。調整安全系數，使最大的極大剩余推力為零，得出臨界狀態下邊坡體內的危險滑移方向場，進而在此基礎上追蹤出連續的臨界滑移場[1-2]。

3 邊坡滑面搜索實例與分析

3.1 北幫6-6剖面邊坡危險滑面搜索與分析

臨界滑移場技術能準確快速確定邊坡任意形狀臨界滑動面，全面評價邊坡整體和局部穩定性[1]。應用臨界滑移場方法搜索出的滑面接近實際滑面，但由于其在確定邊坡安全系數時，考慮的因素不夠全面，本文在應用臨界滑移場技術依次搜尋、確定最危險滑坡位置的前提下，再應用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四種方法對北幫6-6剖面進行穩定性分析。

圖2是北幫6-6剖面現存邊坡輪廓圖，巖石力學參數如表1所示。

圖2 6-6剖面現存邊坡輪廓

表1 北幫6-6剖面地區不同巖石力學參數值

3.1.1 現存邊坡穩定性分析

圖3是露天礦現存邊坡應用臨界滑移場技術搜尋出的危險滑面圖。應用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四種方法對現存邊坡進行穩定狀態計算的結果如表2，可以看出在有地震作用下的最不利安全系數為1.66遠大于1.0，所以在有無地震作用下邊坡體都是穩定的。

圖3 現邊坡危險滑面搜尋

表2 現存邊坡穩定性評價結果

3.1.2 到界邊坡坡角優化設計

考慮到向下開采延深過程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡體處于不同的穩定狀態；為了確保生產過程中的安全生產，本次研究首先確定到界邊坡允許的最大坡角.

該露天礦預計開采到海拔標高1696m，邊坡開采角度的大小直接影響到剝離量的大小，在露天礦的開采過程中，開采角度的微小變化直接影響礦山的經濟利益 ，因此對到界邊坡坡角進行優化設計至關重要。

露天礦邊坡安全系數一般為 1.1～1.5[3]，考慮到金昌市石英石露天礦存在的短暫性(預計再開采5年)和此地地震的影響，選取邊坡在考慮地震作用下的安全系數為1.1。在考慮地震的作用下6-6剖面允許的最大坡角為35°，圖4是此時邊坡危險滑面搜尋圖。邊坡穩定狀態計算結果如表3，可以看出有無地震作用下邊坡體都是穩定的。

圖4 到界邊坡危險滑面搜尋

表3 到界邊坡穩定性評價結果

3.1.3 露天礦向下延深不同深度邊坡穩定狀態分析

確定了到界邊坡允許的最大坡角(35°)，由此確定露天開采的境界線，然后依據露天向下延深過程中每個臺階10～12m所形成的邊坡高度及坡角大小如圖5所示，應用滑移場理論方法依次搜尋、確定最危險滑坡位置，如圖6～11所示。然后分析其穩定狀態，通過最危險滑面的搜尋，找出給定工程地質條件下最危險的位置，進行各次降深對邊坡穩定狀態的影響，并分析生產過程中的安全性，其邊坡穩定狀態的計算結果如表4所示。從表中的計算結果可以看出，淺部開采邊坡穩定狀態好于最終邊坡穩定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結果。

表4 向下開采延深邊坡穩定狀態評價結果

1.代表第一次開挖位置；3.代表第三次開挖位置；5.代表第五次開挖位置；7.代表最終開挖位置

圖6 向下延深10m后邊坡危險滑面搜尋

圖7 向下延深20m后邊坡危險滑面搜尋

圖8 向下延深30m后邊坡危險滑面搜尋

圖9 向下延深40m后邊坡危險滑面搜尋

圖11 向下延深60m后邊坡危險滑面搜尋

4 結論

本文應用多種極限平衡方法對甘肅省金昌市石英石露天礦進行穩定性分析，找出邊坡開挖的最佳坡角，確定最終開采方案。經過分析露天礦邊坡在有無地震作用下都是穩定的，到界邊坡允許的最大坡角為35°，以此確定露天開采的境界線，每次向下延伸10m后形成的邊坡都是穩定的，并且淺部開采邊坡穩定狀態好于最終邊坡穩定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結果。由于每種極限平衡法都有其假設條件，在應用到工程實踐時受到限制，本文應用多種極限平衡方法對實際工程進行綜合分析，取每種方法的合理之處，得出了滿足實際工程需要的結果。綜合應用多種極限平衡方法解決實際問題對以后解決具體實際工程問題具有借鑒性。

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[6] 吳偉.露天邊坡失穩原因分析及預防與治理[J].采礦技術,2011,11(5):44-46.

我國發布首部煤炭物流規劃

國家發改委官網日前發布了《煤炭物流發展規劃》(簡稱《規劃》)，這是我國針對煤炭物流行業領域出臺的首份專門性規劃，規劃期為2013～2020年。

《規劃》提出，要根據煤炭生產開發和消費布局，結合區域發展規劃，完善煤炭運輸通道，建設一批煤炭物流節點，形成“九縱六橫”的煤炭物流網絡，構筑中國六大煤炭物流通道：一是晉陜蒙(西)寧甘煤炭外運通道，二是內蒙古東部煤炭外運通道，三是云貴煤炭外運通道，四是新疆煤炭外運通道，五是水運通道，六是進出口通道。同時，加快鐵路、水運通道及集疏運系統建設，完善鐵路直達和鐵水聯運物流通道網絡，增強煤炭運輸能力，減少煤炭公路長距離調運。

此外，《規劃》提出要深化煤炭產運需銜接制度改革，建立以全國性煤炭交易中心為主體，以區域性煤炭交易市場為補充，以信息技術為平臺，政府宏觀調控有效、市場主體自由交易的煤炭市場體系。以煤炭交易、信息服務、價格發現、金融服務為重點，在具有政治、經濟、金融、科技等資源優勢的城市，建設中國煤炭交易中心；在煤炭主要生產地或集散地，建設區域性的煤炭交易市場，反映不同煤種、不同區域的煤炭交易動態，降低流通成本，優化煤炭資源配置。