某露天礦含空區邊坡穩定性分析

劉晁君，王利楠(.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 00038；.北京金風科創風電設備有限公司，北京 0076)

某露天礦含空區邊坡穩定性分析

劉晁君1，王利楠2
(1.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；2.北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176)

本文以某礦山含空區邊坡突然滑坡為研究背景，為了找出造成此次滑坡的原因，預測邊坡的穩定性狀態，探討此次滑坡的機理以及空區對邊坡穩定性的影響。本文利用FLAC和Geo-Slope軟件進行數值模擬，結合現場位移監測數據來綜合判斷邊坡的穩定性狀態，分析滑坡的機理和空區對邊坡的影響。結果表明：邊坡目前處于穩定狀態，但是在以后的開挖過程中，鐵路平臺附近邊坡可能會發生局部滑坡，需要重點治理；上部邊坡巖體比較破碎，加上雨水入滲和爆破振動等外部因素的干擾，是造成此次滑坡的主要原因；空區對邊坡的穩定不產生影響。

邊坡穩定；空區；FLAC；Geo-Slope；數值模擬

影響邊坡穩定的因素很多，比如：震動、降雨、采空區等。在我國許多露天礦中，由于各種原因形成了大量的采空區，采空區的存在改變了邊坡內部應力分布狀態，對露天礦邊坡的穩定性造成嚴重影響，并由此帶來了巨大的經濟損失[1-2]。經過多年專家學者對含空區邊坡的穩定性研究，取得了豐碩的成果。

申超霞等[3]針對大冶鐵礦采空區回填問題，利用數值模擬計算分析了空區填充前后的塑性區、應力分布情況，對空區治理很有借鑒意義。胡建軍等[4]利用FLAC3D對含空區的金礦邊坡進行數值模擬計算，通過比較邊坡安全系數和剪應變增量來評價邊坡的穩定性。唐勝利等[5]通過分析空洞型采空區穩定性的影響因素，依照BP神經網絡原理，構建出適合空洞型采空區穩定性評價的BP神經網絡模型，并應用檢測樣本檢測其準確性，取得了合理的結果。劉殿軍等[6]采用有限差分法和極限平衡法分析了空區的大小和位置對邊坡的穩定性的影響規律，該規律對地下開采轉露天開采很有指導意義。

本論文以某露天礦鐵路平臺滑坡為研究背景，采用FLAC2D和Geo-Slope軟件進行數值模擬，結合現場變形監測來綜合分析邊坡的穩定性狀態，探討造成此次滑坡的機理，研究空區對邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

該露天鐵礦年生產400萬t鐵礦石，生產狀態良好。但是，從2014年秋季開始，采區北幫248鐵路平臺突然出現下沉現象。邊坡下沉速度由快到慢，到2015年3月份，變形基本穩定，沒有繼續下沉的趨勢。通過現場測量，測算248平臺個別區域最大下沉量將近1 m。通過一系列地質勘探手段，已經發現北幫邊坡中部和下部存在大量采空區，這些空區密密麻麻主要存在于邊坡的下部，具有空間大、分層多、分布凌亂、時間久等特點。這些空區或大或小，形狀各異，嚴重影響邊坡的穩定。為了保障礦區的安全生產，必須對北幫進行穩定性評價，找出滑坡的原因，探究滑坡的機理。為此，通過現場的地質踏勘、節理裂隙的測量分析、鉆孔實驗、巖塊的室內實驗以及對地質資料的收集、整理和分析，最后在北幫選擇1個較危險的剖面進行穩定性分析(圖1)，顯示了最終的設計邊坡和現狀邊坡。

2 數值模擬分析

利用FLAC[7]和Geo-slope[8]軟件對典型剖面現狀及開采過程進行數值模擬，所用巖體力學參數見表1。通過對塑性區分布、水平位移、垂直位移和最大剪應變增量、潛在滑移面和邊坡安全系數的分析，來綜合判斷邊坡在開挖過程中的穩定性情況，研究邊坡變形滑坡的機理。

圖1 含空區邊坡模型

表1 數值模擬選用的巖體力學參數

2.1 邊坡穩定性分析的假定

由于空區走向與邊坡走向所成角度的不同對邊坡的影響也不同：如果空區走向與邊坡走向垂直，那么空區只對附近局部邊坡的穩定性有影響；如果空區走向與邊坡走向平行或者相差很小角度，則空區影響整個邊坡的穩定性?？諈^的形狀也不規則，所以特別對空區作如下假設：①將地下空區斷面假定為規則的四邊形；②假設地下空區走向與坡面平行或者近似平行。通過以上假設，地下采空區對邊坡穩定的影響就可以看作是一種平面應變問題來計算考慮。

由于邊坡穩定系數F是通過極限平衡法獲得，這里沒有考慮降雨入滲和爆破震動等不利因素，根據相關工程經驗，一般要對它進行折減，即乘以一個折減系數，這里取折減系數K=0.85，所以最終邊坡安全系數為Fs=F×K。在礦山開采中所形成的邊坡為非公共邊坡，對公共安全威脅較小，故為了保證礦山的經濟效益，允許邊坡出現局部小范圍的垮塌，邊坡穩定系數可以適當降低。結合邊坡穩定性判別準則[9]和礦山生產經驗，定義邊坡穩定性狀態：若安全系數Fs≥1.15，則邊坡狀態為穩定；若1.05≤Fs<1.15，則邊坡狀態為欠穩定；若Fs<1.05，則邊坡為不穩定。

2.2 計算結果及分析

圖2～6分別為邊坡開挖到不同水平時塑性區分布、水平位移、垂直位移、最大剪應變增量和垂直條分圖計算結果，表2為剖面1邊坡開挖到不同水平時的安全系數。

各開挖階段坡面附近均發生剪切破壞，空區附近產生拉伸破壞，這是因為開挖坡體產生應力卸荷作用，使得坡面巖體發生剪切破壞，而空區附近拉應力比較集中，故產生了拉伸破壞。

由于邊坡的開挖，巖體都向凌空面運動，尤其是坡面附近的巖體。該坡面各開挖階段的位移變形量不大，水平位移最大為20 cm，豎向位移最大為12.5 cm，空區附近位移變形不大，說明空區附近巖體變形達到穩定狀態。邊坡開挖到80 m水平和56 m水平最大位移相同，說明開挖到最后階段，邊坡變形達到了穩定狀態，并且最大位移始終處在邊坡的上部。

圖2 剖面1開采到不同水平邊坡塑性區分布圖

圖3 剖面1開采到不同水平邊坡水平位移分布圖

圖4 剖面1開采到不同水平邊坡豎向位移分布圖

圖5 剖面1開采到不同水平邊坡最大剪應變增量云圖

圖6 剖面1開采到不同水平邊坡垂直條分圖

圖5顯示邊坡最大剪應變增量云圖，該最大剪應變在各個階段幾乎沒有發生變化，均呈弧形位于邊坡上部，與位移最大變形量趨勢相符。圖6是用Geo-Slope模擬得到的邊坡垂直條分圖，該圖顯示了邊坡的潛在滑移面，各開挖階段的滑移面變化不是很大，均位于邊坡上部，與最大剪應變發展趨勢相近。

表2為邊坡各開挖階段，4種極限平衡法計算的安全系數，由表可知，安全系數從現狀邊坡到最終境界邊坡安全系數變化不大，這是由于邊坡潛在滑移面改變不大。通過比較4種方法得出的計算結果，安全起見，確定最小值為邊坡的安全系數，表3為邊坡穩定系數折減結果。 由表3可知，最終邊坡安全系數在現狀階段安全系數最大，為1.21，邊坡處于穩定狀態；但是在開挖過程中邊坡安全系數在1.05～1.15之間，處于欠穩定狀態。在開挖128 m平臺和104 m平臺過程中，安全系數變化較大，但是開挖后面兩個平臺過程中，安全系數變化不大。

表2 邊坡穩定性系數計算結果

表3 邊坡穩定性系數折減結果

根據邊坡塑性區圖、最大剪應變增量云圖和邊坡的潛在滑移面可以確定邊坡的潛在破壞模式為單純圓弧剪切破壞，由圖5和圖6比較可知，最大剪應變的增加趨勢同Geo-Slope確定的潛在滑移面近乎相同，所以增加了由該潛在滑移面確定出的邊坡穩定系數可靠度。由于邊坡下部是磁鐵礦，巖體結構和物理力學性質較好，故在開挖80 m平臺和56 m平臺時，位移變形和安全系數相同，說明下部磁鐵礦的開挖不影響上部巖體的變形，對邊坡整體穩定性也影響不大。

3 鐵路平臺位移監測

248鐵路平臺發生下沉以后，礦山相關部門立即組織工作人員對邊坡進行監測，掌握邊坡變形情況。監測工作的主要任務是針對何家采區鐵路平臺下沉情況，根據實際地質環境和工程地質特征，建立完整的、長期的位移監測網，以確定變形關鍵部位，突出重點。同時還可以監測邊坡劇烈下沉后的位移變形規律，預測邊坡的穩定性情況，為邊坡治理和開挖提供設計依據。

滑體位移監測采用地表埋樁觀測方法，在248鐵路平臺按設計位置澆筑鋼筋混凝土監測樁，見圖7和圖8。觀測樁是在2014年11月開始制作，2014年12月8日第一批觀測樁投入使用并開始第一次觀測，隨后又投入2批觀測樁，共計40根，主要分布在248鐵路平臺剖面1和剖面3之間，地表位移采用全站儀監測邊坡巖體的絕對位移變化情況。從嚴格意義上講，是觀測滑坡以后邊坡的變形情況，統計部分測點水平和垂直位移的累計值見表4和表5。通過定期、長期觀測，掌握邊坡變形移動規律，判定邊坡穩定程度。

圖7 鐵路平臺鋼筋混凝土監測樁

圖8 觀測點平面布置圖

選取部分觀測點的數據進行統計分析，選取的9個點均位于剖面附近，因為那塊區域沉降較大。統計9個點從2014-12-08到2015-07-03的位移監測數據，將每個點的位移隨時間的變化情況用折線表示出來，來最終表示監測點的移動趨勢情況，見圖9和圖10。由圖9、圖10可知，各測點位移形變量趨于穩定，滑體沒有繼續下滑的趨勢，水平位移最大變形量在3號點測定，為570 mm，豎向位移最大變形量在4號點測定，為216 mm。水平位移累積量一直在增加，說明監測樁一直向凌空面移動；而豎向位移累計量時而增加，時而減少，說明監測樁不是一直在向下運動，不過長期來看整體趨勢還是向下運動。

圖9 各測點水平位移變化趨勢

圖10 各測點豎向位移變化趨勢

通過7個多月的觀測，總體來看，邊坡還在微小的移動，但位移變化率漸趨于穩定。邊坡還在移動的原因可能是一些填埋的石子逐步壓實的結果，因為在第一次鐵路平臺突然下沉后，為了不影響鐵路的正常運行，而對下沉區域進行了石子填埋處理。通過現場的實際調查，鐵路平臺下部邊坡沒有明顯的隆起、變形等特征，鐵路平臺變形也趨于穩定，邊坡在近期不會發生大的滑坡。

4 邊坡穩定性綜合分析

1)邊坡潛在滑移面貫通248鐵路平臺及其以下3～4個臺階，由于邊坡下部巖體的整體性和物理力學性質都比較好，故對邊坡下部巖體的開挖，對上部邊坡影響很小，所以潛在滑移面在各開挖階段均變化不大。數值模擬得出的潛在滑移面是由短折線組成的弧形，近似對數螺旋曲線，邊坡的潛在滑移模式為單純的剪切圓弧滑動，這是由于邊坡上部巖體較破碎，巖體內剪應力超過滑動面的抗剪強度，致使滑坡體沿弧形滑面下滑。

2)由于邊坡開挖，使得坡面附近的巖體嚴重受到卸荷作用的影響，在應力重新達到平衡的過程中，坡面附近巖體向凌空面移動。由位移云圖可知，豎向位移最大值出現在248鐵路平臺上，水平位移最大值出現在潛在滑坡體出口處，符合現場的實際情況和滑坡機理。由于邊坡下部巖體質量要好于上部巖體，故邊坡上部巖體位移變形較大，邊坡上部有可能發生局部滑坡。

3)空區集中分布在邊坡的中下部，空區位于滑移面之外，并且空區存在時間比較長，周圍巖體變形趨于穩定，沒有發生垮塌的危險，所以不會對邊坡穩定產生影響。北幫中下部空區不影響邊坡的穩定，也不會導致248鐵路平臺的突然下沉。248鐵路平臺突然下沉，又在一段時間內趨于穩定，可能與降雨及爆破振動有關。由于邊坡上部巖體比較破碎，降雨滲透會降低滑移面的抗滑力同時又增加滑坡體的重量，使得抗滑力小于下滑力，會使得邊坡突然下滑。待天氣轉晴，水分蒸發完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力減小，故滑坡體又慢慢趨于穩定。露天礦爆破作業所產生的震動力，一是增加了邊坡的滑動力，二是破壞了邊坡巖體的完整性，降低了巖體的強度，從而降低了邊坡的抗滑力，也會使邊坡突然滑坡。

4)邊坡在不同開挖階段由FLAC確定的潛在滑移面和Geo-Slope確定的潛在滑移面幾乎相同，這樣就增加了由極限平衡法計算得到邊坡安全系數的可靠度。經計算系數折減得到最終邊坡的安全系數，邊坡在現狀階段的安全系數大于1.15，處于穩定狀態；但是在隨后的開采過程中，邊坡穩定系數均小于1.15且大于1.05，處于欠穩定狀態。

5)結合數值模擬的結果和現場監測樁的監測數據，邊坡變形趨于穩定，北幫邊坡在近期不會發生大滑坡。目前雖然不會發生大滑坡，但是隨著開挖的進行，248鐵路平臺及其以下幾個臺階存在局部滑坡的危險，需要重點治理。

5 結 論

1)空區主要位于邊坡的中下部，處于潛在滑移面之外，不會對邊坡的穩定造成不利影響。248鐵路突然下沉可能與降雨和爆破振動有關，因為降雨會降低滑移面的抗滑力同時又增加了滑坡體的重量，使得抗滑力小于下滑力，會使邊坡突然下滑。待天氣轉晴，水分蒸發完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力減小，故滑坡體又慢慢趨于穩定。露天礦爆破作業所產生的震動力，一是增加了邊坡的滑動力，二是破壞了邊坡巖體的完整性，降低了巖體的強度，從而降低了邊坡的抗滑力，也會使邊坡突然滑坡。

2)現狀邊坡變形趨于穩定，但是248鐵路平臺及其以下幾個臺階的仍有局部滑坡的危險，因此在開挖過程中需要采取一定的措施，提高邊坡的穩定性，如靠幫時采取減震爆破，減少雨水的入滲或降低一定的邊坡角。

3)出現鐵路平臺滑坡的根本原因是該區域邊坡巖體裂隙發育破碎，局部3～4個臺階比較陡峭，容易發生滑坡。由于巖體比較破碎，滑坡的破壞模式是單純的剪切圓弧滑動。

4)為了保證鐵路的正常運行，不影響礦山的正常生產，建議對248鐵路平臺以下第3個臺階或第4個臺階進行預應力錨索加固處理，阻擋滑坡體的出口，防止鐵路附近邊坡再次發生滑坡。

[1] 萬文.地下空區對邊坡穩定性的影響研究[D].長沙：中南大學，2006.

[2] 肖超，鄭懷昌，武文治，等.基于集對分析的石膏礦采空區穩定性評價[J].中國礦業，2014，23(10)：107-110，114.

[3] 申超霞，宋園園，王如坤，等.大冶鐵礦采空區穩定性模擬分析[J].金屬礦山，2014(6)：46-49.

[4] 胡建軍，黃玉柱，吳鵬，等.復雜空區群影響下礦山邊坡穩定性數值模擬[J].金屬礦山，2013(11)：25-28.

[5] 唐勝利，唐皓，郭輝.基于BP神經網絡的空洞型采空區穩定性評價研究[J].西安科技大學學報，2012(2)：234-238，258.

[6] 劉殿軍，韓連生，盧曉輝.弓長嶺露天礦含空區邊坡穩定性研究[J].金屬礦山，2015(11)：1-6.

[7] 陳育民.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[8] GEO-SLOPE International Ltd.邊坡穩定性分析軟件SLPOE/W用戶指南[M].北京：冶金工業出版社，2011：4-28.

[9] 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002：18-42.

Analysis of stability of slope with goafs in a open-pit mine

LIU Chaojun1，WANG Linan2

(1.BGI Engineering Consultants Ltd.，Beijing 100038,China；2.China Goldwind Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

In this paper，the research background is the sudden landslide of the slope with goafs in a certain mine is studied.In order to find out the causes of the landslide，predict the stability of the slope，explore the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the stability of the slope.FLAC and Geo-Slope software are used for numerical simulation in this paper.Combined with the field displacement monitoring data to comprehensively judge the stability state of the slope，and analyze the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the slope.The results show that the slope is in a stable state，but in the later excavation process，the slope near the railway platform may be local landslide，which needs the key treatment.Relatively broken rock mass in the upper slope，and the interference of external factors such as rain infiltration and blasting vibration is the main cause of the landslide.Goafs have no influence on the stability of the slope.

slope stability；goaf；FLAC；Geo-Slope；numerical simulation

2016-09-21 責任編輯：劉艷敏

劉晁君(1987-)，男，漢族，甘肅白銀人，工程師，學士，主要從事工程勘察和邊坡治理方面的工作。

王利楠(1988-)，男，漢族，河北張家口人，工程師，碩士，主要從事塔架基礎研發方面的工作。

TD804

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1004-4051(2017)06-0121-05