銅山口銅礦露天邊坡穩定性分析*

易露，張華

(大冶有色金屬有限責任公司銅山口銅礦， 湖北 大冶市 435122)

0 引言

銅山口銅礦是大冶有色金屬有限責任公司下屬的一座年產量上百萬噸的大型露天銅礦山，隨著多年開采，露天坑越來越深，露天邊坡也越來越高，面臨的安全風險也隨之增加[1]，有必要對其穩定性進行評價[2]。當前，對露天礦山邊坡穩定性的研究較多，鄧文建等[3]使用數值模擬的方法研究了降雨對邊坡穩定性的影響；李學鋒等[4]使用Rockfall數值軟件分析了小型露天采石場高陡邊坡滾石的危險性；張云鵬等[5]通過監測觀測點爆破后的位移情況，使用極限平衡法分析了邊坡在爆破影響下的安全性；吳朝松等[6]研究了研山鐵礦東幫邊坡在地下水長期作用下的穩定性。他們的研究往往是針對邊坡某種工況下的安全性，因此不夠全面。本文設定了包括自重、地下水、爆破和地震的4種組合工況，采用極限平衡法計算了銅山口銅礦露天邊坡穩定性，并運用FLAC3D數值模擬對邊坡進行建模，驗證了數值計算的結果，證實銅山口銅礦露天坑邊坡是穩定的。

1 工程概況

銅山口銅礦礦區面積約2.88 km2，東西方向，長度為1008 m，埋藏深度從-196 m至地表，礦體上表層覆蓋較薄，露天開采是最佳開采方法。經過多年開采，已經形成了一個南高北低的巨大露天坑，最大邊坡高度達180 m，地面以下深度達54 m。邊坡臺階的高度為12 m，坡面角為65°～70°。邊坡巖體主要為碳酸鹽巖和巖漿巖，石炭、二疊、三疊系碳酸鹽巖層是區內主要含水層，以巖溶裂隙水及裂隙巖溶水為主。根據露天坑實際情況，將其邊坡按照方位分為東（N）、南（S）、西（W）、北（E）4個區，如圖1所示，各分區的邊坡中N區露采邊坡較緩；W區、E區露采邊坡較陡，邊坡高度約150～180 m。

圖1 露天坑邊坡現狀

2 邊坡穩定性分析

銅山口銅礦露天邊坡穩定性極限平衡分析采用的是垂直裂隙加圓弧型滑動模式，采用Slide 6.0軟件自動計算拆分和搜索潛在滑面位置并計算潛在滑動面的安全系數。主要分為3個步驟：

（1）根據邊坡實際情況，選擇邊坡的分析剖面；

（2）確定邊坡坡面的工況條件和對應的安全系數；

（3）計算邊坡坡面的安全系數，分析邊坡坡面的穩定性。

2.1 選擇邊坡分析剖面

建立剖面是建立地質模型進行邊坡穩定性研究的基礎，銅山口露天邊坡穩定性研究分析剖面的布置是按照工程地質分區進行。根據露天邊坡的實際長度和條件，在N、E、S、W 4個不同邊坡區域共布置剖面10條，其中：N區3條；E區2條；S區2條；W區3條，如圖2中所示的N1～N3、E1～E2、S1～S2、W1～W3線剖面。部分剖面的斷面如圖3所示，剖面的邊坡高度為43～218 m，剖面線的巖性依據銅山口銅礦所做的地質詳查資料。

圖2 分析剖面布置

圖3 邊坡部分剖面

2.2 邊坡的工況

對10個剖面進行表1中所示的4種載荷組合下的受力情況分析，根據工程經驗[7]確定安全系數的許用值[K]，在計算出的安全系數K＞許用值[K]時邊坡穩定；1＜K＜[K]時邊坡基本穩定，但是預留的安全系數不足，在發生極端天氣時可能存在其他風險導致邊坡失穩；在K＜1時，認為邊坡處于不穩定狀態，會隨時失穩。

表1 4種工況下的許用安全系數[K]

2.3 剖面穩定性分析

對于劃分的 10個邊坡剖面，利用軟件自動對邊坡進行分層，選擇極限平衡法對各個分層的安全系數進行計算，圖4為是W1剖面的計算結果，圖中工況 1，2，3，4條件下，表層邊坡的安全系數依次是1.691，1.639，1.580和1.127。分別計算10個剖面的安全系數，見表2。

圖4 W1剖面設計邊坡受力4工況下安全系數穩定性分析

表2中10個剖面在4種工況下計算出來的極限安全系數都大于表1中設定的許用安全系數[K]，表明現狀邊坡整體是穩定的。此外，現狀條件下，生產爆破對邊坡穩定性的影響約為 5%，天然地震對邊坡穩定性的影響約10%，即工況2，3較工況1的安全系數分別降低約5%～10%；生產爆破對邊坡穩定性的影響約 5%，天然地震對邊坡穩定性的影響約9%，即工況2，3較工況1的安全系數分別降低約5%～9%；降雨對邊坡穩定性的影響為降低安全系數約3%～15%。

表2 邊坡各剖面的安全系數計算結果

3 數值模擬

3.1 構造模型

將繪制的露天邊坡結構圖利用kubrix進行工程結構的網格劃分，并導入FLAC3D中生成銅山口礦露天邊坡數值分析模型[8]，采用中空單元模型和Mohr-Coulomb的2種本構模型建立邊坡模型，礦區的東西方向共1008 m，模型范圍x=887～1895 m；礦區的南北方向共1225 m，模型范圍y=878～2103 m；模型范圍z=-196 m至地表。模型劃分單元2 791 008個，節點388 284個，模型部分剖面如圖5所示。圖5中不同的顏色表示不同的巖性，假定每一種巖土體都為各向同性的連續介質。

圖5 整體模型和巖性

3.2 分析結果

圖6為整體模型的應力和應變圖，從圖6可知，模型的應力大小受地形的影響，隨深度的增加而增大，越接近坡面主應力值越小，其方向從坡體深部的垂直方向逐漸轉為淺部的順坡方向；受到巖性條件影響，在巖層交接部位、應力的擾動狀態較大；在坡面附近、地表和巖層淺部存在一定的拉應力，其中東部高邊坡面附近存在范圍較大的連續拉應力區，最大拉應力值約為0.48 MPa。模型邊坡巖體的位移主要是向采坑臨空面移動，西北坑底附近巖體向上隆起，最大隆起高度有 10.2 cm；東部由于地勢比較高，東部山坡最高標高為180 m，預留臺階比較窄，存在兩三個臺階并段，東部位移最大達到0.25 m。坡面巖體附近的位移值不大，最大值只有幾厘米，表明邊坡穩定，無安全風險。

圖6 模型應力和位移

4 結論

（1）采用極限平衡法分析評價銅山口銅礦開采現狀邊坡的10個剖面在4種工況下的穩定性。結果表明：計算的邊坡穩定性安全系數都大于規定的許用安全系數 1.2，銅山口銅礦的現狀邊坡是穩定的。

（2）采用極限平衡法和FLAC3D數值模擬方法相結合來分析露天礦邊坡穩定性，將理論和模擬相結合是一種合理可行的方法，為露天礦山提供更為可靠的邊坡穩定性邊坡評價及參數設計方案。

（3）邊坡巖體的強度較高，整體邊坡的高度為中邊坡，分析安全系數較高，邊坡穩定好。