某露天礦山高陡巖質邊坡穩定性的優化設計研究

鄧帆，王雄，王曦，孫宇超

(1.四川省川鐵枕梁工程有限公司，四川 成都 610000；2.中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100000)

0 引言

露天礦山開采過程中，高陡巖質邊坡的穩定性一直以來是國內外學者研究的重點課題。露天開采形成的邊坡依據地質條件及巖性特征分為多種類型，例如：軟巖巖質邊坡，硬巖巖質邊坡，高陡巖質邊坡及復雜地質條件的巖質邊坡。根據地質條件，巖層的構造特點及擾動情況等，邊坡穩定性的賦存狀態均體現出各向異性。多年來各學者提出很多關于露天礦巖質邊坡穩定性的研究方法，例如：極限平衡法[1]、強度折減法[2]、微震監測法[3]、雷達預警監測法[4]及運動理論分析[5]等多種方法。

在前人研究的基礎上，近年來許多學者對露天礦山巖質邊坡進行了研究，例如：韓亮等[6]研究了露天煤礦場地振動對邊坡穩定性的安全影響；劉鴻揚[7]對金屬礦山開采形成的巖質邊坡進行了安全技術分析；李瀚林等[8]通過采用極限平衡法和強度折減法的雙重理論對巖質邊坡的穩定性進行了深入的探討；周成豪等[9]研究了地震荷載對露天礦山高邊坡最終邊坡角進行了優化設計研究；康皎成[10]對露天礦開采形成的巖質邊坡進行了分析，并研究了邊坡治理的技術及措施；葉驍[11]研究了露天礦山崩塌地質條件下邊坡的災害形成機理及防治措施。本文通過巖石力學試驗，采用FLAC3D強度折減法以及 Slide極限平衡法數值模擬技術對某礦山開采過程中可能形成的終了邊坡及臺階坡面角進行了穩定性分析，研究得出了邊坡穩定性的最優參數，為礦山設計、安全生產提供了科學依據，對于礦山后期的安全生產具有重要的指導意義。

1 研究背景

某礦區為基巖裸露的低山區斜坡巖體，主要由雷口坡組第三段地層中的泥質灰巖、泥巖、灰巖及須家河組第一段地層中的細砂巖、泥巖、砂質泥巖組成，第四系松散沉積物少。在地質結構方面，以斜交坡為主，地質結構面傾角一般10° 左右，較平緩，斜坡坡度一般為30°～50°。由于石灰巖礦體較堅硬，常形成陡壁、懸崖，局部有崩塌墜塊現象。泥巖為塑性巖體，易風化剝蝕，地表常形成緩坡低山地貌。礦區內地勢總體南、北高，中部較低，礦區最高點位于采區南東側，海拔 771.5 m，最低點位于采區南西部，海拔588 m，相對高差183.5 m。

礦區地層主要由灰巖和砂巖組成，礦區內礦層較穩定，完整延伸較好，礦區內未發現斷裂分布。但如果礦山在開采過程中邊坡角設計不合理，在上覆巖層（砂巖）的擠壓下，下伏巖層卸荷易發生滑坡、坍塌等地質災害。因此礦山邊坡的最終邊坡角應該嚴格控制，避免造成次生地質災害。本文采用FLAC3D及Slide數值模擬技術對該礦山終了邊坡進行優化設計研究，判斷該礦山終了邊坡的穩定性，得出該礦山終了邊坡的最優參數，并對不穩定的區域提出了安全指導建議。

2 力學試驗

2.1 巖石試件力學試驗

礦區內主要有兩種巖石，分別為砂巖和石灰巖。選取礦區內典型的區域進行巖石取樣，并進行單軸抗壓試驗。巖石試件采用圓柱體，直徑約為50 mm，高度約為100 mm。試件端部平面磨平到 ±0.02 mm，高度精確到1 mm，端面應垂直于試件軸線，允許偏差為 ±0.25°，試件如圖1所示。

圖1 試驗試件

經力學試驗得出，該礦山砂巖試件的單軸抗壓強度為43.125 MPa，彈性模量為19.049 GPa，石灰巖試件的單軸抗壓強度為91.083 MPa，彈性模量為19.251 GPa。

2.2 巖體力學參數

根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016-2014）巖石力學參數轉換為巖體力學參數的相關公式和Hoek-Brown強度準則，并參考相似礦山的巖石力學指標，將巖石強度指標轉化為巖體質量指標見表1。

表1 砂巖及石灰巖巖體強度指標

3 數值分析

3.1 模型的建立及邊界條件

3.1.1 模型的建立

根據礦山實際情況選取典型的剖面，所選取的剖面如圖2所示。

圖2 礦山典型剖面

該礦山2個典型剖面的參數分別為：1-1剖面所在邊坡為采場西南側邊坡，終了邊坡高110 m，終了自然邊坡及臺階高度共計157 m，有6個臺階；2-2剖面所在邊坡為采場東部邊坡，終了邊坡高100 m，上覆巖層（砂巖）高度為50 m，共計高度為150 m，有6個臺階。其中2個剖面的臺階坡面角均為75°，1-1剖面的最終邊坡角為59°，2-2剖面的最終邊坡角為53°。

3.1.2 邊界條件

模擬中采用 Fix約束模型水平方向和底部位移，模型頂部為自由邊界不受約束，研究極端工況（自重+暴雨+地震）下露天礦終了邊坡的穩定性，其中自重通過巖體的密度及重力荷載控制，暴雨通過fluid命令控制，礦山工程建筑物抗震設防烈度按Ⅵ度設防。

3.2 模擬結果分析

將剖面 1-1和剖面 2-2分別采用 FLAC3D及Slide數值模擬進行計算，模擬云圖如圖 3～圖 4所示。

圖3 FLAC3D強度折減法數值模擬結果

圖4 Slide極限平衡法數值模擬結果

根據圖3和圖4可知， 1-1剖面和2-2剖面在極端工況下的邊坡平均安全系數僅為1.03和0.935，邊坡均處于不穩定狀態。

4 邊坡優化研究

針對該礦山的實際情況，考慮到礦山的經濟效益及邊坡安全的相關內容，分別采用降低臺階坡面角及最終邊坡角和削坡減載的方式對其進行優化，即1-1剖面采用降低臺階坡面角及最終邊坡角的優化方式，將原先的臺階坡面角 75° 降為 70°，最終邊坡角59° 降為55°；2-2剖面采用削坡減載的優化方式，根據礦山成本投入、安全生產措施及經濟效益，擬定削坡角度為23°。優化后的云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 FLAC3D強度折減法優化后數值模擬結果

圖6 Slide極限平衡法優化后數值模擬結果

根據圖5和圖6可知，1-1剖面和2-2剖面經優化后，在極端工況下的邊坡平均安全系數分別為1.15和1.14，邊坡處于穩定狀態。

5 結論

（1）采用Slide極限平衡法與FLAC3D強度折減法分別對該礦山2個典型剖面進行數值分析，得出在極端工況下，2個邊坡的平均安全系數分別為1.03和0.935，2個邊坡均處于不穩定狀態，易導致滑坡或坍塌。

（2）經優化后，2個典型剖面在極端工況下的平均安全系數分別為1.15和1.14，均處于穩定狀態。

（3）研究結果顯示，1-1剖面可以將原先設計的臺階坡面角 75° 調整為 70°，最終邊坡角 59° 降低為55°；2-2剖面采用削坡減載的方式可保證邊坡的穩定性，其中2-2剖面削坡角度為23°。