采場邊坡穩定性迭代計算分析及安全對策研究

耿劍統，蘇齊松，耿毅軒，苗勇剛

(1.河南省應急管理科學技術研究院，鄭州 450004；2.河南安科院安全科技服務有限公司，鄭州 450004；3.北京交通大學，北京 100044；4.礦冶科技集團有限公司，北京100160)

露天礦山的開采使邊坡巖體發生變形破壞，改變了邊坡受力平衡狀態。邊坡不穩定易形成安全生產隱患，甚至引起滑坡、崩塌、滑塌、地裂縫等災害[1-3]，嚴重影響露天礦生產安全。開展露天采場邊坡穩定性迭代計算分析及安全對策研究，對保護露天采場邊坡穩定，保障露天礦山采場安全生產具有重要意義。

1 邊坡工程地質條件

1)根據地質資料，上房溝鉬礦礦區范圍內主要為白云石大理巖、花崗斑巖、角巖、變質輝長巖等巖石[4]，這些巖石致密堅硬、穩固性好，礦區局部分布有磁鐵礦化透閃石巖、金云母、陽起石巖等巖石，這些巖石強度低、穩固性較差。

2)礦區內賦存有F2、F4、F11斷層，這些斷層多為成礦前斷層，成礦后有復活現象，因其活動小，對礦體破壞不大。其中F2斷層在采場北部與邊坡斜交，斷層兩側巖石破碎；F4斷層橫穿整個露采場，為充水斷層，對邊坡穩定性有一定影響；F11斷層橫穿東露天采場，為阻水斷層，斷層內充填較密實。

3)礦區內巖層總體傾向為220°，傾角47°～70°，局部略有變化。從露天采場的邊坡坡向看，南、北部邊坡的巖層傾向與所對應的邊坡向相反，且部分邊坡巖石為堅硬的變輝長巖；該礦區工程地質條件為簡單型。

2 東部采區開采現狀

目前，東部采區開采最低臺階為+1 275 m水平，形成的最高臺階為+1 455 m水平。采場東西長約800 m，南北寬約600 m，采用公路開拓、汽車運輸，組合臺階法開采，采場臺階高度15 m左右。

縱8勘探線以東南部山頭已形成+1 455、+1 440、+1 425 、+1 410、+1 395、+1 380、+1 365、+1 350、+1 335、+1 320、+1 305、+1 290、+1 275 m共十三個臺階。其中+1 455、+1 440、+1 425、+1 395、+1 380和+1 365 m臺階已形成終了邊坡；邊坡高約75 m，邊坡角45°左右，安全平臺寬5～15 m。

礦山采場南部邊坡最高，最高點標高+1 472 m，最低點標高+1 275 m，+1 410 m水平以上邊坡已壘設坡腳擋土墻，坡面上種植植物并打設錨桿掛保護網；采場北部邊坡高度相對較低，已按照綠色礦山要求進行了邊坡治理和綠化處理。

3 邊坡安全儲備系數確定

3.1 邊坡穩定系數K值確定

《上房溝鉬礦5 000 t/d采礦工程初步設計》確定該礦露天開采服務年限為40 a。依據《有色金屬采礦設計規范》，當非工作幫邊坡服務年限>20 a時，設計穩定安全系數K取值在1.3～1.4(表1)。

表1 邊坡穩定系數K

3.2 不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數確定

《非煤露天礦邊坡工程技術規范》主要是根據邊坡工程安全等級確定邊坡工程設計安全系數。由于邊坡巖體的滑坡失穩模式以圓弧形滑動為主，這種滑動模式下可能產生滑帶深度大、滑坡高度大的邊坡災害。結合上房溝鉬礦的具體采剝情況，邊坡危害等級在Ⅰ、Ⅱ等級(表2)。

表2 邊坡危害等級

上房溝鉬礦采場的邊坡高度在120～200 m，結合邊坡的危害等級，對照表3，確定邊坡工程安全等級為Ⅰ級。

表3 邊坡工程安全等級劃分

結合上述確定的上房溝鉬礦邊坡工程安全等級為Ⅰ級，對照表4，確定不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數。

表4 不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數

3.3 邊坡安全儲備系數確定

1)上房溝鉬礦采場邊坡受到生產爆破的多次影響，必須考慮爆破振動力作用。

2)依據《有色金屬采礦設計規范》規定，地震烈度為六度及以上地區，應研究分析地震對邊坡穩定性的影響[5]。上房溝鉬礦地震動峰值加速度為0.05 g，依據《中國地震動參數區劃圖》(GBl8306—2015)屬地震基本烈度6度區[6]。因此，按照規范規定上房溝鉬礦采場邊坡穩定性分析時，也必須考慮地震作用。

3)由于上房溝鉬礦水文地質條件簡單，在三種荷載組合下的采場邊坡穩定性分析計算時，均不考慮地下水的影響。

綜合以上分析，綜合確定邊坡安全儲備系數為1.3。

4 露天采場邊坡穩定性迭代計算分析

極限平衡法是根據靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態，以邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩定性[7]。前述分析認為上房溝鉬礦邊坡失穩模式以近似圓弧滑動為主。針對上房溝鉬礦采場邊坡工程地質條件，依據《建筑邊坡工程技術規范》(GB50330—2013)，本次研究擬基于Bishop法[8]的原理，利用極限平衡分析軟件，對邊坡的穩定性進行計算和分析。

4.1 建立典型的分析剖面

為了更好地分析上房溝鉬礦采場邊坡現狀的穩定性，本研究分別在南部邊坡和東部邊坡的最高處各選取了1個剖面，分別為南部邊坡A剖面和東部邊坡B剖面。

4.2 邊坡穩定性計算荷載組合

本次邊坡穩定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

荷載組合Ⅲ：坡體自重+地震力

在荷載組合Ⅱ中考慮爆破振動力影響了邊坡穩定性計算，必須確定爆破振動力水平影響系數ξ：

(1)

依據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(GB51016—2014)，

ai=2πfVi

(2)

由公式(1)、(2)可得：

(3)

式中：ξ—爆破振動力水平影響系數；ai—第i條塊爆破振動質點水平向最大加速度，m/s2；βi—第i條塊爆破動力系數，可取βi=0.1～0.3；g—重力加速度，m/s2；f—爆破振動頻率，Hz；Vi—第i條塊重心處質點水平向振動速度，m/s。

根據該露天采場臺階深孔爆破振動監測鑒定報告，爆破水平向振動速度Vi最大為0.87 cm/s，相應爆破振動頻率f為15.7 Hz。

考慮到上房溝鉬礦采場邊坡巖體整體較為破碎，爆破動力系數βi取0.3，由公式(3)計算可得爆破振動力水平影響系數ξ為0.025 7。

在荷載組合Ⅲ中，上房溝鉬礦屬地震基本烈度6度區。依據《建筑抗震設計規范》的規定，水平地震影響系數最大值按表5取值。

表5 水平地震影響系數最大值

因此，在荷載組合Ⅲ中進行邊坡穩定性軟件計算時，水平地震影響系數取0.04。

4.3 邊坡安全特征分區分析

根據所選取的2個邊坡剖面，并結合上房溝鉬礦采場邊坡現狀，分別將采場南部邊坡和東部邊坡分成三個臺階區段，下面分別計算和分析不同的邊坡臺階區段基于三種荷載組合的穩定安全系數。

4.3.1 采場南部邊坡分階段穩定性計算

南部邊坡臺階+1 380 m水平以上為Ⅰ臺階段，臺階+1 380～+1 335 m水平為Ⅱ臺階段，臺階+1 335 m～+1 290 m水平為Ⅲ臺階段。南部邊坡分階段穩定性計算模型見圖1。

圖1 南部邊坡分階段穩定性計算模型圖Fig.1 The staged stability calculation model of the southern slope

南部邊坡Ⅰ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖2。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖2 南部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合各工況穩定性計算結果Fig.2 Calculation results of stability of Ⅰ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部邊坡Ⅱ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖3。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖3 南部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合各工況穩定性計算結果Fig.3 Calculation results of stability of Ⅱ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部邊坡Ⅲ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖4。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖4 南部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合各工況穩定性計算結果Fig.4 Calculation results of stability of Ⅲ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

4.3.2 采場東部邊坡分階段穩定性計算

東部邊坡臺階+1 395 m水平以上為Ⅰ臺階段，臺階+1 395 m～+1 335 m水平為Ⅱ臺階段，臺階+1 335 m～+1 290 m水平為Ⅲ臺階段。東部邊坡分階段穩定性計算模型見圖5。

圖5 東部邊坡分階段穩定性計算模型圖Fig.5 The staged stability calculation model of the eastern slope

東部邊坡Ⅰ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖6至圖8。

圖6 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩定性計算結果圖Fig.6 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination I condition

圖7 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩定性計算結果圖Fig.7 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination condition II

圖8 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩定性計算結果圖Fig.8 The stability calculation results of the eastern slope at stage I stage load combination condition III

東部邊坡Ⅱ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖9至圖11。

圖9 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩定性計算結果圖Fig.9 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅰ condition

圖10 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩定性計算結果圖Fig.10 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅱ condition

圖11 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩定性計算結果圖Fig.11 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅲ condition

東部邊坡Ⅲ臺階段不同荷載組合工況的穩定性計算結果見圖12至圖14。

圖12 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩定性計算結果圖Fig.12 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅰ condition

圖13 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩定性計算結果圖Fig.13 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅱ condition

圖14 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩定性計算結果圖Fig.14 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination condition Ⅲ

4.3.3 采場邊坡穩定性計算結果分析

上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡不同臺階區段在三種荷載組合下的安全系數計算值見表6。

依據上述數據繪圖，見圖15。

圖15 采場邊坡不同臺階區段的穩定安全系數計算值Fig.15 The calculated value of the stability safety factor of the different step sections of the stope slope

表6 采場邊坡不同臺階區段在三種荷載組合下的安全系數計算表

根據以上圖表的計算結果，并結合采場邊坡現狀，邊坡穩定性分析如下：

1)采場南部邊坡Ⅰ臺階段(+1 380 m水平以上)坡面陡，且裂隙發育明顯，在三種荷載組合下的穩定安全系數計算值都小于安全儲備系數1.3，屬于危險坡體。

2)采場南部邊坡Ⅱ臺階段(+1 380 m～+1 335 m水平)坡面較緩，且已形成正規臺階，在三種荷載組合下的穩定安全系數計算值都大于1.3。

3)由于礦山采礦作業主要集中在采場南部邊坡Ⅲ臺階段(+1 335 m～+1 290 m水平)范圍內，工作幫邊坡居多，采場底部因頂板剝離后礦體賦存高低不平，局部開采臺階高度與正常采礦臺階高度為15 m不盡一致，且臺階局部坡面較陡。從穩定性計算結果可以看出，在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩定安全系數小于1.3，其他兩種荷載組合工況穩定安全系數均大于1.3，說明該邊坡臺階區段總體較穩定。

4)采場東部邊坡由于坡度較緩，只有Ⅱ臺階段(+1 395～+1 335 m水平)在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩定安全系數小于1.3，其他邊坡臺階區段的穩定安全系數都大于1.3，邊坡總體穩定性較好。

5)采場東部邊坡巖體比較破碎，節理裂隙發育明顯，巖石穩定性較差，從穩定性計算結果可以看出，其邊坡穩定性更容易受到爆破振動、地震動或其他外力的影響。

6)采場東部邊坡+1 335 m水平以上(除了Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況)的計算結果也是稍微高于安全儲備系數。

5 露天采場邊坡災害及其防治措施

針對上房溝鉬礦采場邊坡存在的危險有害因素，提出以下防治措施：

1)應定期對邊坡進行檢查。對采場工作幫應每季度檢查一次，高陡邊坡應每月檢查一次，不穩定區段在暴雨后及時檢查，根據礦體產狀為西南傾，傾角為60°，東部及北部邊坡為內傾邊坡，故日常應特別加強對該處邊幫檢查和檢測，及時消除事故隱患。

2)在采場邊坡以外臨近邊坡區域及采場臺階上開挖多條截水溝，分段截水，減少雨水沖刷。

3)及時清理邊坡上的松石、浮石，邊坡有表土的地段，應種植草皮，防止水土流失。

6 結論

邊坡穩定是保證露天礦生產安全的基本條件。本文針對上房溝鉬礦采場邊坡的實際情況，通過工程地質、水文地質踏勘研究，分析確定上房溝鉬礦采場邊坡的潛在滑動模式和巖土體物理力學指標，確定邊坡安全儲備系數，綜合運用極限平衡迭代計算分析等方法，計算出上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡選取剖面不同臺階區段的穩定安全系數，對邊坡穩定性進行了系統分析，判定危險坡體和穩定體，并提出了針對性的安全對策。此項研究成果對類似露天礦山邊坡穩定性分析和治理具有借鑒意義。