浙江龍泉小巖葉臘石礦床邊坡穩定性評價

韓路朋,肖 敏,張邦果,詹梅芬,廖美紅,章雄飛

（浙江金安設計研究有限公司，浙江遂昌323300）

在采礦過程中確保安全生產是需要放在第一位的。自2014年新修訂的安全生產法實施以來，重視安全生產不單單是國家層面的要求，安全生產隱患排查與分級雙管控，同樣也需要礦業權人自覺履行安全生產義務，另一方面應在采礦技術上進行提高和改進，使礦山安全風險可控。

1 礦山概況

1.1 礦體賦存情況

礦區位于龍泉—寧波北東向斷裂帶與遂昌—山門北西向斷裂帶交會處附近。礦區出露地層為上侏羅統大爽組。一段：以流紋質玻屑凝灰巖為主，夾流紋質玻屑弱熔結凝灰巖。未見底，厚度大于32.3m。二段：以流紋質晶玻屑熔結凝灰巖為主，夾流紋質含角礫玻屑凝灰巖、流紋質晶屑玻屑凝灰巖等。有北西向、南北向、東西向3組斷裂構造，其中F6斷裂為正斷層，傾角78°～82°，在礦區內處伸3.5km，走向5°左右，傾向西。礦區內可見的侵入巖為花崗斑巖體，呈小巖株侵入在上侏羅統火山巖中。

Ⅲ號礦體賦存標高在+650m以上，Ⅲ號礦體附近侵蝕面標高+600m左右，周圍溝谷切割深，礦體及圍巖含水性差，主要為淺部風化裂隙水，屬弱含水巖層。礦床水文地質類型為裂隙充水礦床。根據以往地質資料及礦山多年監測資料顯示，坑內正常涌水量10m3/d，最大涌水量40m3/d。礦體頂、底板圍巖為流紋質晶玻屑熔結凝灰巖、葉臘石化流紋巖，屬硬質巖石，完整性較好，巖體工程地質特性較好。葉臘石含礦層為相對較弱巖層，且部分礦體的傾向與坡面一致，對于礦山開采后山體穩定性有一定程度影響。Ⅲ號礦體似層狀，地表出露范圍長約260m，寬約140m，礦體總體190°～200°∠28°～41°，平均傾角30°。礦石呈鱗片變晶結構、變余、殘余熔巖結構。礦床成因為火山（次火山）熱液交代型。

1.2 開采情況周邊環境

2011～2017年間，礦業權人對Ⅲ號礦體南側進行過小規模開采，開采方式為地下開采。開采形成了+630m、+640m、+650m及+670m共4個中段。①PD630（+630m中段）：巷道斷面寬2.8～4m，高2.8～3.5m，巷道長約480m，分別在東側與西側形成2個采空區，西側采空區面積為700m2，東側采空區面積為500m2，標高為+730～+750m。巷道已經進行封閉。②PD640（+640m中段）：巷道斷面寬2.2～3m，高2.4～3.5m，巷道長約300m，形成了1個采空區，空區面積約為226m2，標高為+640～+650m。③PD650（+650m中段）：巷道斷面寬2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道長約500m，PD650硐口及與+670m相連的巷道已封閉。④PD670（+670m中段）：巷道斷面寬2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道長約550m；形成1個采空區，面積約546m2。礦山周邊環境復雜，礦山Ⅲ號礦體露采范圍東側300m范圍內有民房1間、廟宇1間，距礦區2～3號拐點間最近距離分別為154m和220m。露采范圍周邊300m范圍內有耕地，在礦區2～3號拐點附近，露采區內約10畝。礦山Ⅲ號礦體露采區內有從東岱村通往小巖村的康莊公路。區內有歷史遺跡“十二公巖”，不允許破壞。

2 設計邊坡

礦區開采標高，擬定最高+790m，最低+650m，高差140m。根據礦區地形、開采技術條件、礦巖物理力學性質f=3～7、礦體賦存產狀（28～41°）及礦區周邊環境現狀，擬定殘坡積層及全/強風化層臺階高度不大于8m，工作臺階坡面角不大于60°，臺階坡面角不大于45°；中/微/未風化層臺階高度不大于12m，工作臺階坡面角不大于65°，臺階坡面角不大于45°，邊坡高差90m以內時，最終邊坡角不大于41°，邊坡高差180m以內時，最終邊坡角不大于41°。安全平臺寬度不小于4m，每間隔2～3個臺階設一個清掃平臺，清掃平臺寬度不小于6m。礦山作業面狹窄，最小作業平臺寬度受到限制，采用傳統回采方法，安全作業條件難以滿足[1]。

3 邊坡穩定性安全評價

3.1 評價方法與數據建模

運用邊坡滑動Slide軟件，使用有限元法、垂直條塊極限平衡分析方法來分析滑動面的穩定性，可分析單條滑面，找出給定邊坡的臨界滑動面，如圖1所示。模塊可以模擬載荷在地基中產生的超孔隙水壓力，可對施工前后邊坡的穩定性進行分析，有助于確定加固措施。極限平衡法中的關鍵內容有2個：

（1）剪切滑動破壞面的強度。采用庫侖推則：τf=c+σtanφ

圖1 數據模型

式中：c、φ——滑動面的內粘聚力和內摩擦角；

σ、τ——滑動面上的剪應力和正應力。

（2）邊坡的穩定系數Fs。Fs被定義為阻止滑動的總力與致滑總力之比，當Fs＞1時，邊坡穩定；當Fs＜1時，邊坡不穩定；當Fs=1時，處于極限平衡狀態。

3.2 臨界滑動面

區內可能對礦體開采造成影響的斷裂為F6，斷裂產狀與礦體傾向斜交，斷裂帶充填構造角礫巖、碎裂巖，膠結較好，近期活動性差。故斷裂構造對礦區內巖石塊體穩定性有一定的影響，但影響不大。臨界滑動面即最不利的滑坡傾角β，如圖2所示。

圖2 臨界滑動面與邊坡位移量

即Z=0，U=V=P=0時，則：

在Fs=1條件下：

即：

3.3 邊坡穩定性評價

一方面滑帶巖體的進一步碎裂從物理上降低了滑帶的摩阻力；另一方面，也是更為重要的是，由于滑帶的夯擊擴容，地下水將強力擠入擴容空間，從而可能激發水擊作用機制，導致孔隙水壓力激增，滑帶抗剪能力急劇降低，從而促使滑坡驟然啟動，產生高速滑動[2]。礦山葉臘石粘聚力c=0.69MPa，內摩擦角φ=43.4°，礦石容重2620kg/m3，擬定臺階坡面角α=45°，最終邊坡角不大于41°。

（1）單平面滑動的滑體受力分析如圖3所示。根據《巖土邊坡穩定性分析》（中南大學出版社）4.2.1章節[3]，計算如下：

抗滑力：

致滑力：

安全系數：

當平臺邊坡Fs≥1.5時，邊坡處于穩定狀態；

當最終邊坡Fs≥1.3時，邊坡處于穩定狀態。式中：W——滑體自重，N；

U——滑面靜水浮托力，N；

V——張裂隙靜水推力，N；

l——滑面長度，m；

H——坡面高度，m；

Z——裂隙深度，m；

Zw——充水深度，m；

γ——滑體容重，kg/m3；

β——滑動面傾角。

（2）安全系數計算。區內臺階坡面角穩定性：

W=417837N

Fs=5.627＞1.5

說明礦山開采后形成的邊坡穩定。

區內最終邊坡穩定性：

W=3140361N

Fs=3.168＞1.3

考慮地下水和爆破振動聯合作用的邊坡安全系數隨時間呈波動變化，邊坡最小安全系數為1.024，此時邊坡為欠穩定狀態[4]。通過模型分析計算結合類比，礦山開采礦體形成的最終邊坡處于穩定狀態。

4 結束語

通過運用Slide軟件模擬與有限元、極限平衡法有效結合，較為全面地對小巖緩傾斜礦床邊坡穩定性進行了安全評價，為礦業權人開采活動提供客觀依據。小巖葉臘石礦床賦存傾角較緩，周邊環境復雜，露天礦山開采存在著一系列的不穩定因素，礦山設計過程中考慮生產時期留設安全平臺而終了時不留臺階。巖土在處于休止角狀態，且不考慮外界影響因素（地表水、地下水、復墾覆土等）時，巖土可保持長期穩定，然考慮了外界影響因素，即使處于休止角狀態下的巖土也不一定是穩定的。因此，礦山安全這個永恒的主體是當前礦業權人面臨的主要難題，邊坡留設的時候，需要綜合考慮各種可能因素，僅考慮自然安息角是片面的。

文章結合具體礦山實踐經驗，綜合Slide軟件模擬與有限元、極限平衡法的理論思想，針對礦山邊坡穩定性研究方面進行了闡述，在國內緩傾斜露天開采礦床安全高效開采具有一定的借鑒意義。

[1] 韓路朋，姜志金，肖敏，章雄飛.某飾面用輝綠巖礦回采方法優化設計[J].世界有色金屬，2017.

[2] 黃潤秋，裴向軍，等.大光包滑坡滑帶巖體碎裂特征及其形成機制研究[J].巖石力學與工程學報,2016（1）.

[3] 饒運章.巖土邊坡穩定性分析[M].中南大學出版社，2012.

[4] 趙奎，余樂興，何文，等.降雨及爆破振動條件下巖質邊坡穩定性研究[J].江西理工大學學報，2005（2）.