巖性劣化對露天礦山邊坡穩定性的響應規律

辛保泉 譚欽文 謝羽佳 王永強 萬 露

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

巖性劣化對露天礦山邊坡穩定性的響應規律

辛保泉 譚欽文 謝羽佳 王永強 萬 露

(西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

針對巖性條件劣化導致邊坡穩定性下降的問題,以某露天礦山邊坡為研究對象，運用SIR-20型地質雷達探測礦山滑坡體內部缺陷,并結合Slide軟件模擬分析了不同巖性條件下邊坡穩定性的變化規律。結果表明：軟弱夾層、降雨入滲和爆破動荷載等內外因共同作用造成邊坡巖性劣化，進而導致邊坡后期出現滑移失穩；黏聚力c值降低是巖性劣化過程中的主要力學表現，安全系數與c值呈部分拋物線關系，且c值降為50 kPa是邊坡特殊工況的失穩臨界值。在綜合分析礦山運行特征和巖性劣化條件基礎上，提出通過減小上部第四系臺階坡面角和最終邊坡角提高其永久穩定性的建議，安全系數經驗證符合要求。研究結果可為礦山后期安全開采和邊坡控制參數取值提供重要依據。

露天礦山 邊坡穩定性 巖性劣化 數值模擬 黏聚力 安全系數

露天開采以其獨有的優勢在我國礦山開采中占有較大比重，其中露采鐵礦占鐵礦總開采量的85%左右[1]。而臺階邊坡作為露天礦山重大的安全性工程，有近40%存在不同程度的穩定性問題[2]，邊坡穩定性研究已成為露天礦安全生產的關鍵技術問題。

邊坡巖體的變形、滑動和破壞是一個動態發展過程，科學合理的設計是保證露天邊坡安全穩定的基礎。目前，露天礦邊坡設計中的穩定性分析方法有很多[3]，但幾乎都是基于礦山初期巖性條件進行的[4]，缺乏對礦山不同工況和后期巖性參數動態變化的考慮，導致實際邊坡按照設計尺寸開采時，隨著巖性條件劣化，邊坡穩定性迅速下降進而出現失穩滑移。基于此，本研究以某露天礦開采邊坡為研究對象，采用地質雷達技術探測礦山臺階邊坡內部地質缺陷[5]，分析推演巖性劣化原因，并結合有限元分析軟件Slide對計算開采邊坡穩定性，探明巖性條件劣化對邊坡穩定性的動態響應規律，經多次校核后提出符合該露天礦山開采邊坡穩定性的建議尺寸。

1 某露天礦邊坡概況

1.1 滑坡分布及裂隙發育

根據現場調查和測繪，該采場邊坡屬典型破裂結構巖質邊坡，且存在具有貫穿趨勢的拉裂隙，呈圈椅狀，滑坡體縱向長度約151 m，橫向寬度134～252 m。當前滑坡體已發生明顯坍塌及位移，邊坡全貌及滑坡分布如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡全貌

圖2 采場邊坡滑坡分布

該開采臺階邊坡總體呈現2大類型：

(1)局部臺階坍塌，最終臺階結構受損。在采場左側中部臺階由于巖層產狀、降雨和風化等因素影響，已出現較大面積垮塌，嚴重影響終了邊坡局部結構完整性和穩定性，威脅礦山開采和運輸安全。

(2)中上部整體滑移。在采場右側中上部出現“圈椅狀”拉裂縫，且其走勢沿典型巖性分界面和節理裂隙呈現出多臺階貫通趨勢。

1.2 滑坡發展趨勢及危害性分析

滑坡現狀為欠穩定—不穩定狀態，局部存在緩慢移動變形。暴雨作用使滑坡體后緣裂隙急速發展，若坡面暴雨積水進入場地后緣，將給場地的礦山開采帶來潛在致命的威脅。該滑坡體后部現已形成一級明顯滑坡，在強降雨、爆破震動等因素影響下，下部陡坎處也已形成1個潛在剪出滑移面。整個滑坡體呈現整體滑坡勢態。

此外，采礦活動對礦體上的滑坡體有較大的影響，如遇大開挖、大爆破、雨水浸潤，或是地震等誘發因素極易導致坡體滑動[6]。

2 滑坡體雷達探測結果分析

地質雷達可探測、揭示臺階邊坡內部地質構造和潛在缺陷。本研究運用SIR-20型地質雷達檢測礦山滑坡體及裂隙情況[7]，探明該區域出現臺階嚴重垮塌及滑坡的主要原因。分別在采區滑坡頂部、中部和底部布置3條測線進行探測，并選取裂隙較為典型的測線Ⅰ、Ⅱ(見圖2中測線Ⅰ、測線Ⅱ)分析，結果如圖3、圖4所示。圖中橫軸為水平位置，縱軸表示探測深度。

圖3 測線Ⅰ掃描圖像

圖4 測線Ⅱ掃描圖像

圖3中，地面12 m以下雷達掃描圖信號急劇衰減至缺失，說明雷達電磁波衰減、吸收強烈，表示土體含水率較高；在12 m以上，圖像呈現反射異常，說明反射區發生了振幅反向，由于電磁波從介電常數小的介質進入介電常數大的介質造成。分析礦山滑坡體觀測情況可知，所測測線表面裂縫區域以下存在深約10 m裂隙或斷層，即圖3中標有同相軸錯斷區域所示，說明局部土體松散或存在貫穿裂隙。

圖4中，測線區域深度9 m以下的雷達電磁波衰減、吸收較強烈，表明該區域土體松散，含水率較高；在距測線起始點水平位置為98～100 m的地下，存在雷達云圖同相軸缺失現象，表明該區域存在裂隙、土體不密實或局部空洞。這對滑坡體的穩定十分不利。

按照同樣方法解析各測線不同里程的地層、巖性構造，結果見表1。

表1 采區雷達探測結果匯總

根據雷達探測結果可知該區域裂隙發育，深度在1.5～9 m。采區地面以上3 m基本為松散土體，地下約10 m巖土體出現疏松。分析上述雷達探測結果，可將巖性劣化的原因歸為：

(1)關鍵內因。坡面內部存在軟弱夾層，滑坡物質的互層、破碎給滑坡的滑移提供了物質基礎。

(2)外在誘因。礦山開采改變了坡面坡面形態和巖土支撐，導致應力重新分布[8]；降雨及爆破震動等外因致使滑帶土飽和，降低了抗滑能力，為滑坡體的滑動提供了外部條件。

探測結果表明，地質構造、降雨入滲和爆破震動等因素的共同影響造成邊坡巖性劣化嚴重，定性地解釋了該露天礦現狀邊坡穩定性較差的原因。

3 邊坡穩定性數值模擬分析

3.1 計算剖面

選取垮塌區圈椅狀滑坡體中線(圖2中A-A剖面)為典型剖面進行分析，并與其同期進行的地質雷達結果互相補充和印證。

現狀邊坡尺寸(即原設計尺寸)如圖5所示：臺階高10 m；安全平臺寬4 m；清掃運輸平臺寬10 m；每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺；最終臺階坡面角上部第四系45°～50°，下部60°，最終邊坡角42°。構成本開采剖面的礦巖主要為片理化蝕變基性火山巖，其物理力學性質如表2所示。

圖5 設計尺寸邊坡剖面簡圖

表2 礦巖物理力學性質

注：RQD值表示礦巖工程質量系數。

從表2知，近6 a邊坡巖體破碎現象突出，吸水性提高，質量下降明顯，巖性條件劣化嚴重。其中，表征礦巖抗剪強度的黏聚力c值降幅最大(如圖6所示)，自2009年至今已降低了75%，平均25 kPa/a，目前已降為50 kPa并趨于穩定。

圖6 黏聚力-時間變化曲線

3.2 計算方法

該露天礦山巖體松散且破壞面復雜，所處區域降雨充沛，宜選用圓弧形滑動面并根據簡化Bishop法計算分析邊坡穩定性[9]，同時用簡化Janbu法校核。簡化Bishop法是假設每個條塊側面上的作用力是水平方向的，即條塊之間無摩擦，作用在第i條塊上的力見圖7所示。邊坡穩定程度采用邊坡安全系數表示，即邊坡安全系數F定義為抗滑力矩和滑動力矩之比或抗剪強度與剪應力之比[10]。

圖7 簡化Bishop法穩定系數計算

根據垂直方向的分力為零，并考慮孔隙壓力比ru，通過求解方程得出穩定性系數計算公式為

(1)

其中，c為黏聚力，kPa；φ為內摩擦角，(°)；γ為土的重度,kN/m3;bi為條塊寬度，m；R為滑弧半徑，m；Qi為地震慣性力(水平方向)，kN；Wi為條塊的巖土重力，kN；θi為條塊滑面的傾角，(°)。

3.3 計算結果

根據邊坡設計尺寸和實測巖體力學參數，采用(Slide軟件的)隨機搜索方法，分析和確定圓弧的最危險滑動面，并計算安全系數。計算時，礦巖密度ρ取2.70 t/m3，滲透系數取2×10-6cm/s，設計基本地震加速度值為0.10g，計算所用浸潤線位置由現場勘查和地質雷達探測結果所得，平均埋深為7.169 m，坡面下部最小埋深1.912 m。計算結果見表3。

表3 現狀邊坡穩定性計算結果

由計算結果可知，在實際黏聚力c值降至50 kPa時，若繼續按原設計尺寸放坡采礦，正常工況(干燥無雨且施工放坡狀態良好)邊坡較為穩定；暴雨影響下由簡化Bishop法計算出的安全系數較小，簡化Janbu法計算的安全系數僅為1.097，已接近臨界值；特殊工況(暴雨、地震共同作用)下邊坡穩定性計算結果:簡化Bishop法的安全系數為1.004，而Janbu法僅為0.883，已不滿足穩定性要求，極易出現失穩垮塌情況。

通過上述計算和分析可以認為，巖石黏聚力c值顯著降低是巖性劣化的主要表現，也是造成露天礦山開采邊坡穩定性急劇下降的關鍵內因。基于此，通過改變c值(其他參數不變)，進一步計算分析實際邊坡在巖性劣化過程中的穩定性變化情況，探明巖性劣化對邊坡穩定性的響應規律。計算結果如圖8所示。

圖8 邊坡穩定性隨黏聚力減小的變化趨勢

從圖8可看出，邊坡安全系數隨黏聚力下降呈明顯減小趨勢。通過多次曲線擬合計算和對比得出，二者為多項式關系，呈部分拋物線趨勢，3個方程的決定系數R2達到了0.999 9，擬合結果極為可靠。當c值降到50 kPa時，邊坡特殊工況時的安全系數將達到臨界值。由表2知，原設計邊坡的黏聚力取值不小于200 kPa，證明邊坡在巖性劣化前穩定性較好，黏聚力隨巖性劣化逐漸減小，進而直接降低了邊坡的穩定性，導致臺階邊坡失穩滑移。

3.4 修改建議

考慮到該露天礦開采已接近中后期，邊坡平臺不宜再做改動的現實狀況，通過反復分析演算，建議將上部第四系臺階坡面角調整為40°～45°，最終邊坡角為40°，其他尺寸值不變。對修改尺寸后的臺階邊坡再次進行穩定性驗算，結果如表4所示。

表4 修改尺寸后的安全系數驗算結果

由驗算結果可知，3種工況下2種方法的安全系數均滿足穩定性要求，修改后的尺寸合理可行。

4 結 論

(1)巖性劣化的主要原因是基巖存在軟弱夾層和破損結構面且裂隙發育，抗水蝕能力低，極端降雨入滲，以及爆破動荷載導致滑動體內部應力重新分布。

(2)露天礦邊坡穩定性是是動態變化的，其安全系數與黏聚力c值呈部分拋物線關系。

(3)邊坡3種工況下的安全系數均較小，尤其是在暴雨和特殊工況時已臨近失穩，調整最終坡面角至40°后可滿足邊坡穩定性要求。

(4)建議在設計初期對邊坡穩定性進行計算和分析時，須結合礦山實際情況，考慮“巖性劣化”對采場邊坡后期運行的動態影響，否則極可能造成邊坡實際穩定性較原設計偏小，存在滑坡危險。

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(責任編輯 徐志宏)

Response Law of Lithology Deterioration on Slope Stability of Open-pit Mines

Xin Baoquan Tan Qinwen Xie Yujia Wang Yongqiang Wan Lu

(SchoolofEnvironmentandResource，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China)

In view of the fact that lithology deterioration condition leads to the decline of slope stability，and with a slope of open-pit mine as the research object，the internal defects of landslide were detected by SIR-20 geological radar，and the change law of slope stability under the condition of different lithology was analyzed with Slide software.Results showed that：slope lithology deterioration is caused by the interaction of weak interlayer，the rainfall infiltration and the blasting dynamic load，which lead to the slope sliding and instability in the late;cvalue reduction is the main mechanical performance in the process of lithology deterioration; Safety factor andcvalue showed as a partial parabola relationship，and the reducedcvalue 50 kPa is the critical value of slope instability under special working conditions.According to a comprehensive analysis of mine operating characteristics and the lithology deterioration condition，a proposal to improve its permanent stability by decreasing the upper quaternary bench slope angle and final slope angle is put forward.It is proven that the safety factor could meet the requirements.The results provide an important basis for safety mining and determining slope control parameters in the late.

Open-pit mine，Slope stability，Lithology deterioration，Numerical simulation，Cohesion，Safety factor

2015-02-01

國家自然科學基金項目(編號：51404200)，四川省教育廳科研項目(編號：14zd1106)。

辛保泉(1990—)，男，碩士研究生。

TD804，TU457

A

1001-1250(2015)-04-157-05