基于極限平衡法的峨口鐵礦露天邊坡穩定性分析

董武斌

基于極限平衡法的峨口鐵礦露天邊坡穩定性分析

董武斌

(山西太鋼鑫磊資源有限公司，山西 孟縣 045100)

峨口鐵礦邊坡高、陡，褶皺極為發育，巖層傾角復雜多變。因此，選取邊坡的S-S'剖面，采用Janbu修正法對峨口鐵礦靠幫邊坡現狀進行穩定性分析。結果表明：在最不利的工況組合下，現狀邊坡整體安全系數計算為1.213，判定該邊坡整體是穩定的，不會影響生產。

穩定性分析;Janbu修正法;安全系數;安全評價

0 前 言

高邊坡發生破壞失穩是一種復雜的地質災害，往往造成極大的安全事故和經濟損失，露天礦山的邊坡穩定性預測分析一直是采礦以及巖土工程的重要關注問題之一[1]。極限平衡法由于其原理簡單，能給出邊坡穩定分析定量評價值[2]，獲得了廣泛的工程應用。隨著計算技術和計算機處理能力的發展，這種方法逐步從一種經驗性的簡化方法發展成為一個具有完整的理論體系的、成熟的分析方法，也是目前國內外在邊坡穩定評價中應用最為廣泛的分析方法[3]。極限平衡分析方法很多，但由于滑坡形式不同以及采用的假設條件不同而又有所差異，如Bishop法、瑞典法、陸軍工程師團法和Lowe-Karafiath法等[4-5]。但受到礦山工程地質環境和條件的影響，每種方法的適應性和要求不同。針對峨口鐵礦的高露天邊坡特點，特別是多地質構造特征影響，為提高計算可靠性，充分利用滿足邊坡條塊間作用力和力矩平衡且適合于折線滑動面邊坡的方法作為計算方法，選擇Janbu修正法作為本次研究的計算方法。

1 工程背景

峨口鐵礦礦床由山羊坪斷層和樓羊爬向斜（從南至北，從東到西）控制并由其分成南東區、南西區、北東區和北西區4個采區。設計開采深度642 m，標高為2170~1528 m。隨著礦山持續的開采，采礦下降速度平均每年11 m，目前邊坡南幫已形成高度為354 m（標高為2170~1816 m）的邊坡，平均邊坡角為45°。北幫也形成高度為164 m（標高為1980~1816 m）的邊坡。南西區露天底標高為1612 m，最終邊坡高度達458 m。同時由于邊坡加高，地質構造、巖性、結構面等不斷地揭露，采場邊坡巖體結構特征變得復雜，綠泥石英片巖在礦區以軟弱夾層的形式存在。邊坡高、陡，褶皺極為發育，巖層傾角復雜多變，故滑面折線的傾角變化難以捉摸，變化較大。特別是目前邊坡的安全情況未知，亟需對采場邊坡進行安全性評價。

2 Janbu修正法原理

基本假定：直條塊側面上的作用力位于滑面1/3條塊高處；作用于條塊上的重力、反力通過條塊底面的重心點。

典型條塊受力分析如圖1所示。

圖1 Janbu法典型條塊受力分析

根據垂直及水平兩方向的靜力平衡及推力邊界條件，求得簡化Janbu法安全系數表達式：

式中，s為安全系數；W為條塊自重；K為地震影響系數；u為平均水壓力；b和分別為條塊寬度和底面傾角；c和滑面粘聚力和摩擦角；E為上條塊推力（水平）；E+1為下條塊推力。

式（1）安全系數F為隱式，需迭代求解，通常用牛頓-拉芙遜法加速收斂。但是，簡化Janbu法忽略了垂直法向條塊間作用力，減少了未知數，也不考慮力矩的平衡，使問題靜定可解；同時，此法低估了邊坡抗滑能力，計算出的安全系數偏小。為此Janbu提出了修正公式：

當=0時，=0.31；當c>0時,>0，=0.5。

4 邊坡穩定性極限平衡分析

4.1 地質概化模型

在現場踏勘和地質調查分析基礎上，選取露天邊坡的S-S'剖面，起點（6122.14，5989.71），終點（5673.98，6412.01），見圖2。其在剖面上主要存在多種地質構造、不同的礦巖層結構和高陡等 特點。

國內外對露天礦邊坡的穩定性研究，一般取允許安全系數在=1.10~1.50之間，多數場合下取=1.15~1.3（《巖土工程勘察規范》GB50021—2001規定）。目前礦山已經進入露天開采后期，即將進入露天轉地下開采，邊坡加高加陡趨勢明顯，取允許安全系數為1.2。

4.2 計算參數與工況

S-S′剖面計算選取各類巖石密度參數見表1。

本礦區范圍內主要存在地下水的作用，針對地下水對邊坡穩定性的影響，選取2種不同的工況組合，即工況Ⅰ無地下水和工況Ⅱ有地下水。

4.3 現狀和終了邊坡計算結果與分析

計算剖面S-S′位于南東采場，邊坡頂部標高為1958 m，現狀底部平臺標高為1708 m，邊坡高度240 m，現狀和終了邊坡Janbu法計算的安全系數結果見圖3和圖4，其中-為10個監測點的安全系數。

圖2 太鋼峨口鐵礦S-S′邊坡工程地質剖面

表1 計算巖石容重參數

圖3 現狀條件下邊坡S-S′剖面潛在滑面示意

由圖3可知，在最不利工況組合情況下，采用用Janbu修正法，現狀邊坡整體安全系數計算結果為1.213，可以判定該邊坡整體是穩定的。其中，計算的1900平臺至1806平臺在最不利工況下，計算的安全系數是1.197，略低于允許安全系數1.2，其它滑面的計算結果均大于1.2。計算結果表明，潛在滑動面存在于綠泥石英片巖與鐵英巖的接觸面，其他平臺的各段安全系數均大于1.2，不存在局部安全問題。

圖4 最終境界下邊坡S-S′剖面潛在滑面示意

由圖4可知，終了邊坡在最不利工況組合下，邊坡整體安全系數計算的結果為1.202，因此可以判定該邊坡整體是穩定的，但存在安全儲備不足的問題，需要注意邊坡的風化、降雨等局部影響的作用，減少安全隱患。邊坡頂部穩定性在現狀極限平衡計算里已經分析了，頂部可能會產生局部順層滑動。邊坡底部在最不利工況組合下安全系數結果為1.584，安全系數較大，穩定性較好。

整體分析表明，邊坡軟弱巖層和強度較高巖層交界處易構成潛在滑動面，是該礦露天邊坡穩定性存在的主要隱患，要加強巡檢和弱面處的防護。

4 結 論

（1）采用Janbu修正方法，可以有效計算礦山邊坡的安全穩定性，為邊坡的管理和安全評價提供有效的計算方法。

（2）以S-S′剖面計算可知，在礦山開采現狀和最終境界條件下，地下水對邊坡穩定性產生一定的影響，但邊坡整體穩定。

（3）邊坡上部的弱面接觸處，是邊坡安全的主要隱患，存在沿著軟弱結構面滑動的可能性，需要加強邊坡的巡檢和安全防護。

[1] 王玉平,曾志強,潘樹林.邊坡穩定性分析方法綜述[J].西華大學學報(自然科學版), 2012, 31(2):101-105.

[2] 鄧東平,李 亮.基于滑動面應力假設下的三維邊坡穩定性極限平衡法研究[J].巖土力學,2017,38(1):189-196.

[3] 喬 翔.基于極限平衡法的高邊坡穩定性分析及處治措施[J]. 鐵道建筑,2017,57(8):89-93.

[4] 邱利銳,李維朝,文 斌.圓弧滑動邊坡強度參數瑞典法反分析[J]. 公路,2005(12):73-76.

[5] 王 月.有限元極限平衡法在黃土邊坡穩定性分析中的應用研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學,2017.

[6] 胡建華,張行成,甯瑜琳,等.露天轉地下開采邊坡穩定性概率分析[J].礦冶工程,2012,32(5):1-3.

[7] 張文平,胡建華,楊 春.露天礦邊坡爆破震動測試及邊坡穩定性影響分析[J].采礦技術,2016,16(2):55-57.

(2019-03-06)