烏拉根露天邊坡穩定性分析及優化設計

陳慶坤

(1.廈門紫金工程設計有限公司；2.紫金礦業集團股份有限公司)

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烏拉根露天邊坡穩定性分析及優化設計

陳慶坤1,2

(1.廈門紫金工程設計有限公司；2.紫金礦業集團股份有限公司)

摘要為使露天開采的經濟性與安全性達到最優平衡，運用數值模擬法對礦山邊坡穩定性進行分析，找出邊坡潛在滑動面位置，運用極限平衡理論計算不同邊坡角下的安全系數，在邊坡允許安全系數范圍內選取最優邊坡角。采用該方法對烏拉根露天鉛鋅礦邊坡進行優化，在降低剝離工程量同時，保證了邊坡的穩定性。

關鍵詞邊坡穩定性分析極限平衡法數值模擬

對露天礦山而言，邊坡問題始終影響著礦山的安全生產和經濟效益。較小的邊坡角可確保生產過程中開采設備和人員的安全，但難以保證其經濟效益；邊坡角過大，雖然能在一定程度上降低了剝離成本，但容易留下安全隱患。因此，合理選取露天礦最終邊坡角，使開采在安全性和經濟性之間達到最優平衡，是解決該問題的關鍵[1]。

目前，露天邊坡設計中通常是根據礦山的地質條件和工程需要，選取一個較為保守的邊坡角圈定露天坑境界，然后對其進行穩定性評價和分析以驗證，調整邊坡角度，滿足安全或經濟要求。這種方式多是依賴設計人員的經驗判斷，具有很大的主觀性，而邊坡穩定性評價與分析則多是對選取的邊坡角度進行安全驗證，難以滿足礦山的經濟性要求，易造成工程浪費。為此，本文運用數值模擬法計算出邊坡潛在的滑動面[2]，選取合適的邊坡角度范圍，逐步改變邊坡角的大小，用極限平衡法求出安全系數，得出安全系數對應邊坡角的變化曲線，從而求出最優邊坡角。

1基本原理

數值模擬法適合用于分析邊坡的失穩過程，考慮了巖土體變形的影響，但卻不足以給出物理意義明確的安全系數。極限平衡法的物理意義清晰明了，但需要事先假定潛在滑動面的位置。鑒于數值模擬和極限平衡法的優缺點，將兩者結合起來對邊坡穩定性進行分析。

(1)根據工程地質、試驗資料，結合采礦條件，對研究區的地質情況進行分析和評價，確定合理的巖體力學參數、初始邊坡角。

(2)建立邊坡數值模型，采用折減強度法計算邊坡穩定性系數，得出邊坡塑性區，確定邊坡潛在滑動面[3]。

(3)建立邊坡穩定性計算的極限平衡模型，計算出邊坡穩定性系數。

(4)逐步增加或降低邊坡角，計算不同角度下的邊坡穩定性系數，得出邊坡穩定性系數與邊坡角的關系曲線。

(5)根據露天邊坡的工程地質狀況和服務年限，確定邊坡安全系數閾值，從而選擇滿足安全條件的最優邊坡角[4]。

2工程背景

烏拉根露天礦位于烏拉根盆地內，區內構造主要為烏拉根向斜。邊坡礦區巖體質量差，遇水易軟化，其大型滑坡類型可考慮為似圓弧型滑塌和平面型滑塌。礦山南翼邊坡分布于礦體下盤，高度325 m，由14個高24 m、坡面角為55°的臺階組成，總體邊坡角42°。北翼邊坡分布于礦體上盤，高度240 m，上盤總體邊坡角40°，局部52°。建立的邊坡模型如圖1所示。

邊坡巖體質量較差，參照《工程巖體分級標準》(GB 50218-94)，確定巖體粘聚力強度峰值為0.2～0.7 MPa，結合巖體力學試驗及礦區內各類巖體的地質及結構特征，計算選取巖體力學參數，見表1。

3數值模擬

根據圖1進行數值模擬計算。一步驟開挖至 2 178 m，二步驟開挖至2 058 m，三步驟開挖至 1 962 m，最后對開挖形成的邊坡進行折減強度計算，得出上、下盤邊坡的折減強度系數。邊坡破壞時的臨界位移云圖和矢量云圖見圖2。

計算結果表明，靜載條件下，北翼邊坡臨界破壞時的最大位移為0.49 m，最大剪應變發生在坡腳處，邊坡穩定性系數為1.88；南翼邊坡臨界破壞的最大位移為1.72 m，最大剪應變發生在距坑底第二臺階處，邊坡穩定性系數為1.26。

圖1　邊坡開挖模型

巖層容重/(kN/m3)楊氏模量/GPa泊松比抗拉強度/MPa摩擦角/(°)粘聚力/MPaN1-N225.040.40.271.73350.50E1W522.340.40.372.10360.26E1W422.258.60.243.36280.25E1W323.730.20.351.73330.20E1W223.555.90.222.60280.25E1W123.02.30.351.07320.24

圖2　邊坡臨界破壞時的位移云圖與剪應變云圖

4極限平衡計算

根據數值模擬計算得出的邊坡臨界破壞剪應變云圖，可初步確定邊坡破壞時的潛在滑動面,由此可用極限平衡法計算邊坡安全系數。采用Bishop法，計算不同邊坡角度下的穩定性系數，結果見表2。

表2　不同角度下的邊坡穩定性系數

根據《有色金屬設計規范》(GB 50771—2012)，并考慮露天坑服務年限、工程規模、邊坡上是否有重要構筑物等因素，確定邊坡允許安全系數：北翼邊坡布置有固定運輸道路，允許安全系數應取大值，取1.30，南翼邊坡允許安全系數取1.15。根據表2可判斷邊坡角度的合理區間，其中北翼邊坡高度較小，穩定程度較好；南邊坡由于高度較大，加之巖體強度較低，穩定性差。據此，北翼邊坡合理邊坡角為47°；南翼最終邊坡合理邊坡角為44°。

5結論

介紹了露天礦山邊坡穩定性分析及邊坡優化設計流程，提出采用數值模擬與極限平衡理論相結合的邊坡角優化設計思路，使整個設計過程清晰、直觀。運用該方法對烏拉根露天鉛鋅礦的邊坡進行優化，確定了合理的最終邊坡角，對邊坡優化有很好的指導作用。

參考文獻

[1]張新建,國利民,楊國華,等.基于極限平衡理論的最終邊坡角穩定性分析[J].礦業工程,2010,8(1):11-14.

[2]曾亞武,田偉明.邊坡穩定性分析的有限元法與極限平衡法的結合[J].巖石力學與工程學報,2005,24(S2):5355-5359.

[3]劉明維, 鄭穎人.基于有限元強度折減法確定滑坡多滑動面方法[J].巖石力學與工程學報,2006,25(8): 1544-1549.

[4]陳建宏, 鐘福生,楊珊.基于有限元折減強度法與極限平衡法結合的巖質邊坡穩定性分析[J].科技導報,2012,30(11):38-42.

(收稿日期2015-10-23)

陳慶坤(1986—)，男，碩士研究生，361006 福建省廈門市。