銀山礦邊坡滑坡類型分析及邊坡角優化

鐘春暉

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州 341000 )

·安全與環保·

銀山礦邊坡滑坡類型分析及邊坡角優化

鐘春暉1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州 341000 )

以銀山礦為工程背景，通過現場區域地質情況及滑坡類型的調查，根據邊坡失穩的力學理論，分析了銀山礦高陡邊坡滑坡模式及其失穩破壞原因。在此基礎上，利用強度折減方法，借助三維數值計算軟件，同時考慮水滲透作用，分別對各個坡面的整體穩定性進行了對比分析。結果表明，銀山礦的北東邊坡中的剖面1、剖面2和剖面8經過優化后能達到的最優邊坡角分別為44°、46°和45°，西北邊坡中的剖面3和剖面4經過優化后能達到的最優邊坡角分別為45°和48°，西邊坡中的剖面5和剖面6經過優化后能達到的最優邊坡角分別為46°和44°，南邊坡中的剖面7經過優化后能達到的最優邊坡角為44°。對礦山整體設計45°的邊坡角進行了整體系統的優化，通過本次邊坡角的優化對礦山整體邊坡的穩定性具有一定的實際意義，同時能為礦山的安全生產提供一定指導。

高陡邊坡 強度折減法 坡角 優化

銀山九區銅金礦露采5 000 t/d一期設計最低標高-192 m，封閉圈標高72 m，前期初步設計最終邊坡角為45°，露天采場最終境界邊坡最高達到420 m，屬超高邊坡。由于邊坡巖體工程地質特性復雜，并且邊坡下潛伏大量空區，邊坡在擴幫過程特別是北東邊坡局部發生了滑坡、崩落、塌陷等較為嚴重的地質災害。現有的礦山工程巖體特性調查只是基于邊坡出露地表的巖體進行，沒有進行過專門的工程地質鉆探，邊坡設計資料不充分。因此，通過工程地質鉆探，查明邊坡工程地質、水文地質及巖體力學參數等基礎資料，對最終邊坡角優化設計及穩定性分析保證礦山正常安全生產具有重要意義。

1 現狀邊坡破壞類型調查與分析

影響邊坡穩定性的因素較多，如巖體中的斷層、節理、層理等不連續結構特征；雨水沖刷、人工削坡等改變斜坡外形，引起坡體應力分布的變化；風化作用等引起斜坡巖土體的力學性質，使坡體強度發生變化；此外，區域構造應力的變化、地震、爆破、地下靜水壓力和動水壓力，以及施工荷載等都對斜坡穩定具有直接影響。在這些因素的綜合作用下，邊坡可能發生整體或局部的失穩破壞，巖坡的失穩破壞模式主要有平面剪切滑坡破壞、圓弧型旋轉剪切滑坡破壞、傾倒與崩塌破壞。

(1)平面剪切滑坡破壞。平面滑動的特點是塊體沿著平面滑移。它的產生是由于這一平面上的抗剪力與邊坡形狀不相適應。這種滑動往往發生在地質軟弱面的走向平行于坡面，產狀向坡外傾斜的地方。根據滑面的空間幾何組成，平面滑動存在簡單平面剪切滑坡破壞、階梯式滑坡破壞、三維楔體滑坡破壞等。

(2)圓弧型旋轉剪切滑坡破壞。旋轉剪切滑動的滑面通常成弧形狀，巖體沿此弧形滑面滑移。圓弧形破壞發生的條件是：當巖體中的單個顆粒與邊坡尺寸相比是極其小的，且這些顆粒由于它們的形狀關系不是互相咬合的，因而破壞就以圓弧形的模式出現。在均質的巖體中極易產生近圓弧形滑面；當巖體節理異常發育或已破碎，也常常表現為圓弧狀滑動；高度蝕變和風化的巖石也傾向于以這種方式破壞。因而按圓弧破壞假定來設計露天采礦場周圍覆蓋層中的邊坡是合適的。通過現場調查，現狀邊坡中未見明顯的具有一定規模的圓弧型滑坡破壞。

(3)傾倒與崩塌破壞。傾倒與崩塌是指塊狀巖體與巖坡分離向前翻滾而下在崩塌過程中，巖體無明顯滑移面，同時下落巖塊或未經阻擋而直接墜落于坡腳。產生傾倒與崩塌破壞的原因，從力學機理分析，可認為是巖體在重力與其他外力共同作用下超過巖體強度而引起的破壞現象。巖坡的傾倒與崩塌常發生于既高又陡的邊坡前緣地段。

2 邊坡角優化

2.1 邊坡角優化方法

強度折減法，即不斷折減巖體的強度直至邊坡失穩，強度折減的倍數就是邊坡安全系數。這種強度折減理論應用到有限元或有限差分法中可以表述為：在保持外載荷不變的條件下，將黏聚力c和內摩擦角φ同時除以折減系數Fs，獲得一組新的材料參數c′、φ′：

(1)

然后將新的材料參數進行數值模擬分析，借助三維有限差分數值計算軟件FLAC3D，從塑性區貫通和計算不收斂2種判據來求解邊坡臨界失穩破壞的安全系數。經過循環計算直至邊坡達到臨界失穩狀態，此時的強度折減系數Fs視為邊坡安全系數。將邊坡安全系數介于1.15～1.25視為邊坡角優化設計的目標；邊坡安全系數介于1.15～1.25，認為邊坡角優化設計達到最優狀態；當安全系數小于1.15時，認為邊坡角比最優邊坡角偏大，應適當減小邊坡角；當安全系數大于1.25，認為邊坡角比最優邊坡角偏小，應適當增大邊坡角，如表1所示。

表1 滑坡穩定性狀態劃分

2.2 邊坡角模擬及結果分析2.2.1 計算剖面

銀山九區銅金礦前期初步設計最終邊坡角為45°，臺階高度為12 m。露天采場各邊坡中，最終境界邊坡最高為420 m，屬超高邊坡，位于北東邊坡，即圖1(a)中剖面1位置，西北邊坡、西邊坡和南邊坡最高位置分別位于圖1(a)中剖面3、剖面5和剖面7位置，最終邊坡的高度對邊坡穩定性具有重要影響，因此選取這些剖面作為最終邊坡角優化的計算剖面。此外，適當增加計算坡面，可使計算結果精細化，更精確確定各邊坡的最終邊坡角，且各邊坡含有不同的巖體組成及其結構特征，而這也是影響邊坡穩定性的重要因素，因此增加剖面2、剖面4、剖面6和剖面8作為計算剖面。結合前期完成的邊坡工程地質分區可知，西邊坡共有剖面5和剖面6兩個計算剖面，西北邊坡共有剖面3和剖面4兩個計算剖面，北東邊坡共有剖面1、剖面2和剖面8三個計算剖面，南邊坡有剖面7一個計算剖面。根據上述選取的各計算剖面位置特征及前期建立的反映各類型巖組空間分布的三維模型，確定各剖面上的巖體分布特征，基于此，分別建立各計算剖面的模型，鑒于篇幅，只給出了剖面1的計算模型,見圖1(b)。模型計算所需參數參見表2。

表2 巖體相關力學參數

(a)剖面位置

(b)剖面1計算模型

2.2.2 結果分析

(1)邊坡安全性分析。對建立的各計算剖面模型進行45°邊坡角模擬計算，計算得到各剖面的未考慮滲流前的安全系數，再運用Geostudio軟件，通過對比滲流前后的邊坡安全系數，求得平均滲流折減系數，將此系數乘未考慮滲流求得的邊坡安全系數，從而得出45°邊坡角邊坡各剖面考慮滲流后的安全系數，見表3 。圖2為剖面1數值計算結果。

表3 各剖面的邊坡安全系數計算結果

(2)邊坡角度優化。按照前述邊坡角優化方法，根據各剖面45°邊坡角模擬計算結果，確定相應的邊坡角調整方案。其中剖面4、剖面5和剖面2安全系數均大于1.25，因此應適量增大邊坡角后重新進行計算；剖面3和剖面8安全系數分別為1.255和1.258，與安全系數優化范圍上限值1.25接近，此處不再對其邊坡角進行調整，以45°作為該剖面的最優邊坡角；剖面1、剖面6和剖面7安全系數分別為1.145、1.131和1.129，接近并略小于安全系數優化范圍下限值1.15，因此不再進行邊坡角的模擬計算，以44°作為其最優邊坡角。根據上述各剖面邊坡角調整方案，剖面4安全系數最大，為1.880，將邊坡角調整為48°時，其安全系數為1.274，介于安全系數優化范圍內，因此以48°作為其最優邊坡角。

(a)剖面1位移矢量圖

(b)剖面1剪應變增量云圖

根據上述計算結果，得出北東邊坡剖面1、剖面2和剖面8最優邊坡角分別為44°、46°、45°，西北邊坡剖面3和剖面4的最優邊坡角分別為45°、48°，西邊坡剖面5和剖面6最優邊坡角分別為46°、44°，南邊坡剖面7最優邊坡角為44°，邊坡角優化模型如圖3。

圖3 優化后的邊坡角三維示意

3 結 論

(1)北東邊坡剖面1、剖面2和剖面8最優邊坡角分別為44°、46°、45°，西北邊坡剖面3和剖面4的最優邊坡角分別為45°、48°，西邊坡剖面5和剖面6最優邊坡角分別為46°、44°，南邊坡剖面7最優邊坡角為44°。

(2)計算的8個剖面中，剖面1、剖面2、剖面5、剖面6和剖面8滑坡面由邊坡坡頂貫通至坡腳；剖面3、剖面4和剖面7滑坡面的潛在剪出口位于邊坡坡腳上方，其中剖面3的潛在剪出口約位于-170～-150 m標高位置，剖面4的潛在剪出口約位于-145～-120 m標高位置，剖面7的潛在剪出口約位于-95～-75 m標高位置。在相應的潛在剪出位置要進行邊坡加固，并布置位移監測點。

(3)在結構面發育、巖體破碎等位置，應采取局部邊坡加固措施，在大斷層位置，需適當減緩邊坡角，如南邊坡的大斷層位置，采用42°邊坡角。

[1] 鄭穎人，趙尚毅，時衛民，等．邊坡穩定分析的一些進展[J]．地下空間，2001，21(4)：262-271． Zheng Yingren,Zhao Shangyi,Shi Weimin et al.Progress in analysis of slope stability[J].Underground Space,2001,21(4):262-271.

[2] 蔡美峰，喬 蘭，李長洪，等.深凹露天礦高陡邊坡穩定性分析與設計優化[J].北京科技大學學報，2004，26(5)：465-470. Cai Meifeng,Qiao Lan,Li Changhong,et al.Stability analysis and design optimization of high and steep slope in Shuichang Open-Pit Mine[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2004,26(5):465-470.

[3] 張國新，趙 妍，彭校初．考慮巖橋斷裂的巖質邊坡傾倒破壞的流形元模擬[J]．巖石力學與工程學報，2007，26(9)：1773-1780． Zhang Guoxin,Zhao Yan,Peng Xiaochu.Simulation of toppling failure of rock slope by numerical manifold method considering fracture of rock bridges[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(9):1773-1780.

[4] 李仲奎，戴 榮，姜逸明．FLAC3D分析中的初始應力場生成及在大型地下洞室群計算中的應用[J]．巖石力學與工程學報，2002,21(2)：2387-2392． Li Zhongkui,Dai Rong,Jiang Yiming.Improvement of the generation of the initial stress field by using FLAC3Dand application in a huge underground cavern group[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(2):2387-2392.

[5] 常 春,馮夏庭,王泳嘉,等.露天礦邊坡角的優化設計[J].東北大學學報：自然科學版,1996,17(5):470-474. Chang Chun,Feng Xiating,Wang Yongjia,et al.Optimal design of slope angle for open-pit mines[J].Journal of Northeastern University:Natural Science， 1996,17(5):470-474.

[6] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(29):3382-3555. Zheng Yingren,Zhao Shangyi.Application of strength reduction FEM in soil and rock slope[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(29):3382-3555.

[7] 劉煥新,蔡美峰,郭奇峰.滲流作用下邊坡穩定性模糊評判與邊坡角優化[J].有色金屬：礦山部分,2013,65(3):66-69. Liu Huanxin,Cai Meifeng,Guo Qifeng.Fuzzy judgment on slope stability and slope angle optimization under the seepage action[J].Nonferrous Metals:Mining Section,2013,65(3):66-69.

[8] 李 云,楊 珊,鐘福生.基于有限元與極限平衡分析的露天礦邊坡角優化[J].中國安全科學學報,2012,22(2):145-150. Li Yun,Yang Shan,Zhong Fusheng.Rock slope angle optimization based on finite element method and limit equilibrium theory[J].China Safety Science Journal,2012,22(2):145-150.

[9] 孫樹海，曹蘭柱，張立新．露天礦邊坡穩定性的模糊綜合評判[J]．遼寧工程技術大學學報，2007,26(2)：177-179． Sun Shuhai,Cao Lanzhu,Zhang Lixin.Fuzzy comprehensive judgment method used in slope stability of strip mine[J].Journal of Liaoning Technical University,2007,26(2):177-179.

[10] 徐衛亞，蔣中明，石安池．基于模糊集理論的邊坡穩定性分析[J]．巖土工程學報，2003,25(4)：409-413． Xu Weiya,Jiang Zhongming,Shi Anchi.Slope stability analysis using fuzzy sets theory[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003,25(4):409-413.

[11] 趙靜波，李 莉，高 謙．邊坡變形預測的灰色理論研究與應用[J]．巖石力學與工程學報，2005,24(S2)：5799-5802． Zhao Jingbo,Li Li,Gao Qian.Research and application of the grey theory to slope deformation prediction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(S2):5799-5802.

(責任編輯 石海林)

Analysis of Slope Sliding Type and the Slope Angle Optimization in Yinshan Mine

Zhong Chunhui1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2SchoolofResources&EnvironmentEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000,China)

With Yinshan mine as engineering background,and based on the field investigation of regional geology and the slope sliding type,the sliding mode of high steep slope in Yinshan Mine and the factors for destabilization were analyzed according to the theory of mechanics for slope sliding.Based on this,the integrated stability of each slope were contrasted and analyzed by strength reduction method and FLAC3Dnumerical method,meanwhile considering the water permeation.The results showed that:the optimal slope angle at section 1,section 2 and section 8 of North-East slope can reach 44°,46°and 45° respectively after optimization.The optimal slope angle at section 3 and section 4 of North-West slope reach 45°and 48°.The optimal slope angle at section5 and section 6 of Western slope is 46°and 44°,and the optimal slope angle at section 7 of southern slope is 44°.The mine design with slope angle of 45° is wholly optimized,which has practical significance on keeping slope stability.Meanwhile,the research provides guidance to safety production of Yinshan mine.

High slope，Strength reduction，Slope angle，Optimization

2014-05-21

鐘春暉(1968—)，男，講師，博士研究生。

TD854.6

A

1001-1250(2014)-08-116-04