某露天礦山臺(tái)階邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

申其鴻

（銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，礦產(chǎn)資源的長(zhǎng)期高強(qiáng)度大規(guī)模開(kāi)采，引發(fā)的采動(dòng)災(zāi)害頻繁發(fā)生，其中，高陡邊坡失穩(wěn)是露天礦山主要災(zāi)害之一，是露天礦山領(lǐng)域的重要研究課題［1］。露天礦采場(chǎng)邊坡依據(jù)其構(gòu)成要素與規(guī)模大小，劃分為總體邊坡、組合臺(tái)階邊坡、臺(tái)階邊坡3 個(gè)層次［2］，其穩(wěn)定性要求不同。露天礦山邊坡受生產(chǎn)影響，始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，如何在保證整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，最大程度地減少剝離量，是礦山邊坡考慮的重點(diǎn)。因此，露天礦除去關(guān)鍵部位（運(yùn)輸?shù)缆贰⒐I(yè)場(chǎng)地）邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求外，其余臺(tái)階邊坡保持基本穩(wěn)定即可，為減少剝離提供了可優(yōu)化的空間。

1 邊坡概述

（1）邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)。邊坡設(shè)計(jì)總高度為576 m，最終邊坡角為44°，安全平臺(tái)寬度為8 m，清掃平臺(tái)寬度為20 m，臺(tái)階高度為12 m，臺(tái)階坡面角為65°，并段臺(tái)階高度為24 m。

（2）邊坡巖土體及巖體結(jié)構(gòu)。組成邊坡的主要巖土體為第四系，硅化—伊利石化—綠泥石化二長(zhǎng)花崗巖、硅化—黃鐵礦化二長(zhǎng)花崗巖，局部鉀長(zhǎng)石化花崗巖。巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為塊狀—整體狀、局部碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)，風(fēng)化程度由強(qiáng)風(fēng)化到微風(fēng)化。

（3）節(jié)理裂隙。節(jié)理面大多比較平直，稍粗糙—光滑，基本無(wú)充填，沿裂隙面少數(shù)夾泥，裂隙多呈微張—弱張開(kāi)狀，張開(kāi)度為1～5 mm，節(jié)理發(fā)育間距為0.3～2 m，節(jié)理跡長(zhǎng)多在4～16 m，節(jié)理密度為0.5～3條/m。

（4）邊坡結(jié)構(gòu)面。為獲取邊坡結(jié)構(gòu)面信息，利用3GSM不接觸測(cè)量技術(shù)［3-4］，對(duì)該礦邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選取優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，利用赤平投影圖，判斷結(jié)構(gòu)面與邊坡幾何關(guān)系，見(jiàn)圖1、圖2、表1、表2。

由圖1、表1 可知：5、6 結(jié)構(gòu)面可能導(dǎo)致邊坡平面破壞，5～6結(jié)構(gòu)面間可能導(dǎo)致楔形體破壞。

由圖2、表2 可知：3、4、6 結(jié)構(gòu)面可能導(dǎo)致邊坡平面破壞，3～4、4～6結(jié)構(gòu)面間可能導(dǎo)致楔形體破壞。

（5）邊坡破壞模式。根據(jù)赤平投影結(jié)果，邊坡具備產(chǎn)生平面破壞、楔形體破壞的幾何條件較為充分，另外，該邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為碎裂巖體—塊狀巖體邊坡，根據(jù)規(guī)范［5］，邊坡破壞模式為圓弧型、復(fù)合型、平面型、楔體型。

2 邊坡穩(wěn)定性分析基本原理

2.1 平面滑動(dòng)破壞

根據(jù)巖質(zhì)邊坡單平面滑動(dòng)模型，已知坡角i，坡高H，潛在滑動(dòng)面角度β，則該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs為

式中，ρ為滑體平均密度，t/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；i為坡角，（°）；H為坡高，m；β為潛在滑動(dòng)面角度，（°）；C為結(jié)構(gòu)面黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

2.2 圓弧滑動(dòng)破壞

Bishop 法是一種適合于圓弧形破壞滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析方法，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如下。

式中，mi=；ui為作用在分塊滑面上的孔隙水壓力，MPa；bi為巖土條分塊寬度，m；αi為分塊滑面相對(duì)于水平面的夾角，（°）；Ci為滑體分塊滑動(dòng)面上的黏聚力，MPa；φi為滑面巖土的內(nèi)摩擦角，（°）；i為分析條塊序數(shù)（i=1,2,…,n），n為分塊數(shù)；Wi為分塊的重力，kN；Qi為作用在條塊上的垂直外荷載，kN；QAi為作用在分條上的水平地震力，kN，QAi=Kc?Wi，Kc為地震影響系數(shù)。

2.3 楔形體滑動(dòng)破壞

楔形體破壞邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如下。

3 臺(tái)階邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 臺(tái)階坡面角優(yōu)化

3.1.1 上部強(qiáng)風(fēng)化巖臺(tái)階坡面角優(yōu)化

現(xiàn)狀2處邊坡頂部首先產(chǎn)生拉裂縫，最后沿坡腳附近剪出，發(fā)生圓弧形滑動(dòng)破壞，后緣破壞寬度分別達(dá)4 m 和3.2 m。據(jù)此破壞特征，建立巖土力學(xué)參數(shù)反演模型，如圖3所示。

現(xiàn)狀邊坡破壞之前邊坡坡面角為65°，臺(tái)階高度為12 m。以安全系數(shù)Fs取值0.99～1.01 為目標(biāo)，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)反演，結(jié)果如圖4所示。

以強(qiáng)風(fēng)化巖邊坡黏聚力25 kPa、內(nèi)摩擦角27°為參數(shù)優(yōu)化臺(tái)階坡面角，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，確定安全系數(shù)1.05＜FS＜1.10。當(dāng)臺(tái)階坡面角為45°時(shí)，安全系數(shù)為1.056，其經(jīng)濟(jì)效益最好。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

3.1.2 基于統(tǒng)計(jì)法臺(tái)階坡面角優(yōu)化

為了優(yōu)化臺(tái)階坡面角，對(duì)某礦邊坡臺(tái)階坡面角與巖體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

統(tǒng)計(jì)法獲得的臺(tái)階坡面角為穩(wěn)定的坡面角，因此，可選擇塊狀—整體邊坡臺(tái)階坡面角為65°，碎裂—塊狀邊坡臺(tái)階坡面角為55°。

3.2 臺(tái)階高度優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，塊狀—整體邊坡結(jié)構(gòu)面無(wú)填充、結(jié)合一般，碎裂—塊狀邊坡結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表4。

根據(jù)圖1、圖2，表1、表2，可知不同類(lèi)型邊坡結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)角度，已知臺(tái)階坡面角，根據(jù)表4 選取結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角、黏聚力，確定安全系數(shù)1.05＜FS＜1.10，依據(jù)平面滑動(dòng)計(jì)算公式可得到不同巖體結(jié)構(gòu)臺(tái)階邊坡的極限高度，見(jiàn)表5。

由表5可知，碎裂—塊狀巖體結(jié)構(gòu)邊坡臺(tái)階高度優(yōu)化為48 m，即為2個(gè)并段臺(tái)階高度；塊狀—整體巖體結(jié)構(gòu)邊坡臺(tái)階高度優(yōu)化為72 m，即為3個(gè)并段臺(tái)階高度。

該礦山邊坡具備發(fā)生楔形體破壞的幾何條件，為驗(yàn)證平面滑動(dòng)臺(tái)階極限高度取值合理性，應(yīng)用楔形體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6 安全系數(shù)可知，表5 不同巖體結(jié)構(gòu)臺(tái)階高度優(yōu)化取值合理。

4 結(jié)論

本研究基于統(tǒng)計(jì)法、反演分析法、極限平衡法，優(yōu)化了不同巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的臺(tái)階邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到如下結(jié)論。

（1）強(qiáng)風(fēng)化巖體邊坡臺(tái)階坡面角優(yōu)化為45°，臺(tái)階優(yōu)化高度為單臺(tái)階高度。

（2）碎裂—塊狀巖體結(jié)構(gòu)邊坡坡面角優(yōu)化為55°，臺(tái)階優(yōu)化高度為2個(gè)并段臺(tái)階高度。

（3）塊狀—整體巖體結(jié)構(gòu)邊坡坡面角優(yōu)化為65°，臺(tái)階優(yōu)化高度為3個(gè)并段臺(tái)階高度。