銀山礦露天邊坡穩定性分析

漆佳裕，楊朝云，涂欣強，劉亞瑋，周 鷺，陳 斌

（江西銅業集團銀山礦業有限公司，江西 德興 334200）

1 引言

工程地質分區的目的在于定性描述和定量計算各個分區的穩定性，在此基礎上得出各個分區邊坡安全系數，并為后續的開采和邊坡監測提供參考。由于銀山礦區地質構造和外部條件影響，巖體內留下了大量方向不同、尺度各異的破裂結構面。破裂結構面是巖體中強度最低、抵抗變形能力最弱的部分，它們的存在導致了巖體整體力學性質的顯著弱化和強烈的各向異性［1］。巖體力學強調，巖體的變形和破壞在通常情況下是結構面及其網絡的變形與破壞，主要通過結構面的張開和剪切變形來實現。為了充分了解礦區各區域巖體節理的外觀質量以及分布狀態，得出各區域結構面產狀的優勢方位，對整個礦區已揭露區域結構面進行系統調查，為銀山礦區邊坡巖體質量評價和工程地質分區提供基礎參數。

銀山礦露天采場邊坡工程地質分區不但要反映地層和構造，還要根據邊坡工程的特點，反映礦區各邊坡不同部位的穩定性［2］。根據邊坡工程周圍的地形地貌、地層巖性、邊坡產狀等信息，結合采場出露邊坡的現狀節理裂隙調查、巖體完整性調查、歷史詳勘鉆孔的RQD值等定量和定性評價指標，建立礦巖體與露天坑關系的工程地質模型，統計優勢結構面與露天邊坡關系，對銀山礦露天采場進行了工程地質分區。分區處理過程中，兼顧考慮了斷層節理、水文地質情況等工程因素和地質因素。最終，銀山礦露天采場分為5個地質特征區，分區見圖1所示。

2 工程地質分區及特征描述

1區位于采場南幫，巖性以千枚巖為主，坡腳部分區域為英安斑巖和小部分石英斑巖。邊坡面平順，呈東西走向，已形成最大邊坡高度超過300m的高邊坡。邊坡面局部出露有原井下采空區和巷道，同時受多組斷層和優勢結構面影響，局部邊坡發生過滑坡、崩落、塌陷等地質災害。坡體內發育2條規模較大層間斷層，斷層1出露長度約120m，傾向約290°～320°，傾角約45°～55°。下部與節理8（300°∠60°，出露跡長約40m）形成楔形體，造成了該處發生巖質滑坡。斷層2出露長度約105m，傾向約 280°～300°，傾角約 60°～70°，下部出現厚度約2-3米的夾泥段。邊坡千枚巖片理發育，主要發育有2組節理：一組傾向約295°～320°，傾角約50°～60°；另一組傾向約 355°～015°，傾角約50°～60°。

2區位于采場北東幫，巖性以千枚巖為主，坡腳部分區域為英安斑巖，且含小部分石英斑巖。局部風化嚴重，坡頂附近有較厚坡積層，厚度達30～40m，巖體較破碎，已形成最大邊坡高度近300m的高邊坡，該區邊坡面平順，呈南北走向［3］。千枚巖片理發育，呈現一組傾斜節理，解算產狀為139°∠40°。構造裂隙較發育，巖體較破碎。局部邊坡發生過楔形體滑坡等地質災害。

3區位于采場北幫，巖性以千枚巖為主，邊坡面平順，呈東西走向。邊坡面局部出露有原采空區，局部邊坡發生過崩落、塌陷等地質災害。北邊坡點云解算區域主要出露千枚巖，呈現千枚狀構造，發育片理的產狀與坡面產狀相近。該區域主要解算該千枚巖片理產狀：166°∠85°。坡頂附近有較厚坡積層，厚度30～40m，巖體較破碎。構造裂隙較發育。

4區位于采場西北幫，巖性以千枚巖為主，坡腳部分區域為英安斑巖。邊坡面呈凹形，近東西走向［4］。該區域主要解算該千枚巖片理產狀：146°∠70°，千枚巖片理發育程度不高，構造裂隙不甚發育。但有局部邊坡發生過第四系風化帶巖體滑坡等地質災害。

5區位于采場西幫，巖性以千枚巖為主，與西北邊坡相鄰部分區域出露英安斑巖，邊坡面平順，呈南北走向，巖體完整性相對較好。片理發育程度一般。片理間距0.5～1mm，部分片理間夾石英脈或黃鐵礦脈。千枚巖與英安斑巖中構造裂隙較發育。地質分區結合現場地質調查的結果進行，是計算邊坡穩定性的前提和基礎。對不同地質區段的巖體質量進行定量分析和評價，為邊坡穩定性計算提供更為充分的依據。

3 露天邊坡穩定性極限平衡分析

3.1 分區剖面選擇

根據本次分區的實際情況，通過計算選取每個分區安全系數最小的一條代表性剖面參與最終的極限平衡計算。本次研究在現狀圖上共設置了5個計算剖面，分別是：1區的A-A，2區的B-B，3區的C-C，4區的D-D，5區的E-E。具體剖面線如圖1所示。

圖1 邊坡分區計算剖面線

3.2 邊坡穩定性計算荷載組合及計算方法

針對銀山露天礦的具體條件，分析了本次邊坡分析的荷載組合如下：

荷載組合Ⅰ：坡體自重；

荷載組合Ⅱ：坡體自重+爆破振動力。

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）建議采用簡化Bishop法進行計算。通過多種方法的比較，證明該方法有很高的準確性，已得到業內的公認。基于以上兩種荷載組合，本次主要依據簡化Bishop法的安全系數計算結果與規范規定的安全系數要求進行對比，初步確定各分區的邊坡角。

在荷載組合Ⅱ中考慮了爆破振動力參與邊坡穩定性計算。邊坡振動力的計算主要依據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016-2014）的相關規定。邊坡穩定計算時，考慮爆破振動力，各條塊的水平爆破振動力可按下列公式計算：

式中：

Fi’為第i條塊爆破振動力的水平向等效靜力，kN；ai為第i條塊爆破振動質點水平向最大加速度，m/s2；βi為第i條塊爆破振動力系數，可取βi=0.1～0.3；Wi為第i條塊的重量，kN；g為重力加速度，m/s2；f為爆破振動頻率，H z；Vi為第i條塊重心處質點水平向振動速度，m/s；Q為爆破裝藥量，齊發爆破時取總裝藥量,分段延時爆破時取最大一段的裝藥量，kg；Ri為爆破區藥量分布的幾何中心至觀測點或建筑物、防護目標的距離，m；K、α為與采場地質條件、巖體性質、爆破條件等有關的系數，由振動檢測和測試數據獲取。

在進行邊坡穩定性軟件計算考慮爆破振動力影響時，須確定爆破振動力水平影響系數 ξ：

根據爆破震動測試結果計算，各個分區的平均爆破振動力水平影響系數 在0.01～0.03之間，取最大值0.03參與爆破振動力作用下的邊坡穩定性計算［5］。

3.3 基于極限平衡計算的邊坡穩定性分析

在進行分區并選取代表性剖面基礎上，通過Rocscience Slide6.0軟件采用簡化Bishop法對各分區的邊坡穩定性進行，典型剖面安全系數計算結果如圖2和表1所示。

圖2 1區A-A剖面現狀邊坡穩定性分析（示例）圖

各分區計算剖面在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ條件下的邊坡安全系數計算結果見表1。

綜合上述極限平衡計算結果可以看出。

（1）現狀邊坡各個分區在荷載組合Ⅰ（僅考慮自重應力時）條件下都滿足規范規定的安全系數1.20要求（綜合《有色金屬采礦設計規范》（GB50771-2012）和《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016-2014），選取安全系數1.20作為設計穩定安全系數），整體邊坡較穩定。

表1 邊坡分區不同荷載組合安全系數計算值

（2）現狀邊坡各個分區在荷載組合Ⅱ（計入爆破振動力作用）條件下安全系數普遍比荷載組合Ⅰ低0.065左右，各分區也都能滿足規范要求。

（3）二期設計邊坡分區2、3、4、5在荷載組合Ⅰ都滿足規范規定的安全系數1.20要求，整體邊坡較穩定。在全礦5個分區中，分區1的安全系數不能滿足1.20的要求，因該區域最終邊坡角或邊坡高度均較大且該區域部分邊坡下賦存斷層和采空區，存在一定失穩風險。

（4）二期設計邊坡在計入爆破振動力作用后的荷載組合Ⅱ安全系數普遍比荷載組合Ⅰ低 0.05左右，除分區1存在不穩定風險外，分區2也接近規范規定的安全系數臨界值，存在一定失穩風險。

4 結論

通過針對銀山露天礦的各個工程地質分區，對各分區邊坡失穩破壞模式進行了定性分析，然后選取典型剖面相繼進行了極限平衡分析，得出以下結論：

（1）露天邊坡穩定性受巖性條件、巖體結構、水文地質條件、邊坡形態、地震和爆破等多種因素控制。根據失穩模式分析，在1區、2區存在發生楔形體失穩破壞的可能，3區內存在發生沿結構面平面滑動的可能。由于結構面延伸尺寸有限，而各個分區的邊坡規模較大，邊坡的整體破壞通常按近似圓弧滑面考慮［6］。

（2）通過極限平衡分析，現狀邊坡各個分區在荷載組合Ⅰ（僅考慮自重應力作用）和荷載組合Ⅱ（計入爆破振動力作用）都滿足規范規定的安全系數1.20要求，整體邊坡較穩定。

（3）通過極限平衡分析，二期設計邊坡分區3、4、5在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ都滿足規范規定的安全系數1.20要求，整體邊坡較穩定；分區1在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ及分區2在荷載組合Ⅱ時，均接近規范規定的安全系數臨界值，存在一定失穩風險，應加強參數優化和安全監測工作；在計入爆破振動力作用后，分區4也接近規范規定的安全系數臨界值，存在一定失穩風險，應對臨近最終幫時采取控制爆破措施。

（4）銀山露天礦南部邊坡底部受到斷層和原地下采空區的影響，邊坡巖體結構破碎、易出現楔形體破壞和局部崩塌，在今后生產中，尤其是開采到中下部區域時，須密切關注邊坡動態，加強日常巡視工作和邊坡監測工作，發現安全隱患及時采取加固措施。