含軟弱夾層露天礦高邊坡臺階寬度及臺階坡面角協同優化研究①

方慶紅，胡 斌，2，盛建龍，2，李 京，馬利遙

（1.武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081）

露天礦山邊坡臺階寬度及臺階坡面角設計直接決定礦山邊坡形態與穩定性，也決定邊坡最終邊幫角，對礦山安全生產及經濟效益有重要影響［1］。目前在邊坡優化方面，眾多學者開展了相關研究并取得了豐富成果［2－7］。但已有研究要么主要針對礦山經濟效益，而對邊坡參數改變對邊坡穩定性的影響欠缺考量；要么主要集中在露天邊坡穩定性，研究最終邊幫角對邊坡的影響、確定最優最終邊幫角，但無法得到具體的臺階寬度與臺階坡面角。

本文擬建立系統化臺階寬度及臺階坡面角協同優化循環流程圖，以含軟弱夾層的四川黃山石灰石礦山高邊坡為例，設計不同臺階寬度及臺階坡面角優化方案，采用強度折減法計算得到各方案的邊坡穩定性系數，確定最優臺階寬度及臺階坡面角取值。

1 協同優化原理

1.1 臺階寬度及臺階坡面角協同優化設計思路

綜合分析和整理現場勘查筆記、工程地質資料、試驗資料等，科學合理概化礦山地質情況，結合礦山開采實際情況，逐步優化邊坡參數，綜合考慮影響邊坡穩定性的諸多因素，建立系統化臺階寬度及臺階坡面角協同優化循環流程圖，如圖1所示。

圖1 協同優化循環流程

1.2 強度折減法

強度折減法和極限平衡法是2種常見的邊坡穩定性系數計算方法，雖然2種方法所得到的穩定性系數物理意義不同，但2種方法均能反映邊坡的穩定狀態［8］。研究表明：強度折減法考慮了邊坡體的應力，能對邊坡進行變形穩定性分析，揭示邊坡的變形破壞機制［9］，相對于極限平衡法，強度折減法的主要優勢是不用預先定義滑動面，而是通過相關計算結果云圖得到邊坡的潛在滑動面，預測邊坡變形的關鍵部位［10］。為了準確分析露天礦邊坡穩定性，達到邊坡優化的研究目的，本文采用FLAC3D進行數值模擬計算，采用強度折減法計算不同邊坡形態下的穩定性系數。

2 工程實例

2.1 工程概況

四川黃山石灰石礦山礦區地勢南高、北低，最高標高1 229 m，最低標高640 m，相對標高589 m。礦區主要開采礦層為二疊系下統棲霞組（P1q）和茅口組（P1m）水泥用灰巖，由于沉積間斷，奧陶系與二疊系之間缺少了部分地層。含粉砂質泥質灰巖層理發育，構成軟弱結構面，巖層呈微弧形單斜層狀產出。受礦山斷層F1及魚洞口斷層F2構造影響，于東部羅溝近峨眉山玄武巖一帶略有倒轉，向東倒轉逐漸加劇，產狀直立乃至倒轉。該石灰石礦山邊坡巖體位于礦區中部羅溝高程720 m以上，開挖邊坡最高高程約895 m，殘坡積物（Q4）主要分布在700 m標高以上平緩地帶和低洼處，間夾少量灰巖、燧石碎塊。受單斜層狀軟弱夾層影響，該軟弱夾層力學強度低，發生滑坡主要滑動面為二疊系炭質泥頁巖所形成的軟弱夾層面。

2.2 計算模型和優化方案

2.2.1 計算模型

根據礦山開采及初步設計，該石灰石礦山邊坡原設計參數見表1。其中每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺。礦山與開采直接有關的地層為出露的二疊系下統茅口組，其巖性主要為石灰巖。其中含力學強度低的軟弱夾層。選取典型剖面3-3′為例進行邊坡臺階寬度及臺階坡面角協同優化計算，圖2為剖面3-3′工程地質圖。對剖面3-3′進行科學合理的概化，得到原設計計算模型如圖3所示。

圖2 典型剖面3-3′工程地質圖

圖3 原設計計算模型

表1 邊坡初步設計相關參數

2.2.2 優化方案設計

在邊坡原設計方案上，依據《現代采礦手冊》［11］，始終保持清掃平臺是安全平臺的2～2.5倍，設計如表2的臺階寬度優化方案。經驗類比國內外石灰石礦山開采設計，臺階坡面角60°～70°，以2°為步長，逐步增陡臺階坡面角，將臺階坡面角劃分為6個角度值。用i，j分別表示臺階寬度優化設計方案和臺階坡面角的6個不同取值，則計算方案矩陣為Ci×j（i＝1，2，3，4，5；j＝1，2，3，4，5，6），共30種計算方案。

表2 臺階寬度優化設計方案

3 邊坡穩定性分析

根據礦山邊坡工程地質條件，分別建立不同方案下剖面3-3′的數值模型，運用FLAC3D及強度折減法對不同方案下的礦山邊坡穩定性進行計算分析。

3.1 FLAC3D數值網絡模型及邊界條件

為消除邊界效應及尺寸效應的影響，剖面3-3′劃定計算區域取X軸計算范圍為0～393 m，Z軸數值向上，取計算范圍為0～210 m。網格剖分時，對于軟弱夾層采用較密集的單元。模型其余部分采用合理的網格劃分技術進行過渡。列舉C11數值網絡模型如圖4所示。根據工程地質條件、巖石力學試驗結果和現場勘察報告，巖體力學參數見表3。數值網格模型的計算域底部采用固定約束，垂直于X、Z軸向的左右端面均采用法向約束，山頂及開采臨空面均取自由邊界。

圖4 C11數值網絡模型

表3 某石灰石礦巖體物理力學參數［9］

3.2 邊坡穩定性系數計算

基于數值模擬軟件FLAC3D，采用強度折減法對各個方案進行計算。以C11為例，采用Mohr-Coulomb準則，對有無軟弱夾層兩種模型進行強度折減計算。圖5、圖6分別為穩定性系數、剪切應變增量及速度矢量結果和水平位移及位移矢量結果。

由圖5及圖6可知，不考慮軟弱夾層時，剪切應變增量從坡頂至坡腳貫通，計算得到的邊坡穩定性系數F＝3.23，水平方向最大位移2.2 mm，主要出現在邊坡中下部位；考慮軟弱夾層時，剪切應變增量沿著軟弱夾層至640平臺貫通，此區域即為邊坡潛在滑動面，且速度矢量沿潛在滑動面朝向坡外，與該礦山邊坡實際情況相吻合。計算得到的邊坡穩定性系數F′＝1.78，水平方向最大位移2.6 mm。證明軟弱夾層大大降低了邊坡穩定性，且易成為邊坡潛在滑動面，對邊坡穩定性影響巨大。

圖5 C11穩定性系數、剪切應變增量及速度矢量結果

圖6 C11水平位移及位移矢量結果

根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016—2014）［12］，確定邊坡工程安全等級為I級，考慮開采過程中機械與爆破振動對邊坡穩定性的影響，為確保礦山邊坡安全，邊坡工程設計安全系數取1.25。而現有邊坡穩定性系數F′＝1.78，遠遠大于1.25，因此存在優化設計空間，為滿足礦山既安全又經濟生產，對邊坡現狀進行優化是十分必要的。

通過對所有方案Ci×j進行計算，得出各方案邊坡穩定性系數計算結果如圖7所示。由于方案C46、C55、C56開挖至軟弱夾層，形成潛在滑動面剪出口，致使邊坡必然以軟弱夾層為滑動面產生滑坡，因此舍棄這3種方案。

圖7 各方案邊坡穩定性系數

由圖7可知，當臺階寬度確定時，隨著臺階坡面角逐漸增大，邊坡穩定性系數逐漸減小，如安全平臺5 m、清掃平臺10 m時，臺階坡面角從60°逐漸增大至70°，邊坡穩定性系數由1.62減至1.11；當邊坡臺階坡面角一定時，隨著臺階寬度減小，邊坡穩定性系數減小，如臺階坡面角64°時，臺階寬度總共減小6 m，邊坡穩定性系數由1.64減至1.25。

在確保礦山安全前提下，以“多采礦”為原則，取工程設計的安全系數1.25為臨界值，篩選出邊坡穩定性系數滿足安全系數的組合設計為C26、C35、C53方案，其CAD設計開采面積分別為8 141.82 m2、7 910.76 m2和8 806.27 m2。因此最終確定最優設計方案為安全平臺4 m、清掃平臺8 m、臺階坡面角64°。

4 結 論

1）建立了系統化邊坡臺階寬度及臺階坡面角協同優化循環流程圖，更直觀清晰地展示了礦山邊坡臺階寬度及臺階坡面角協同優化的整個過程，可直接獲得最優臺階寬度及臺階坡面角的組合取值，對礦山開采初步設計或優化設計有很好的指導作用。

2）邊坡穩定性系數與臺階寬度成正比關系，與臺階坡面角成反比關系。隨著臺階寬度減小、臺階坡面角增大，邊坡穩定性系數降低。

3）軟弱夾層大大降低了邊坡穩定性，且易成為邊坡的潛在滑動面。在礦山開采過程中應實時監測，防止邊坡以軟弱夾層為滑動面產生滑坡災害。

4）該露天礦優化后的組合取值為安全平臺寬度4 m、清掃平臺8 m、臺階坡面角64°。相比現開采設計，安全平臺寬度減小了2 m，清掃平臺寬度減小了4 m，臺階坡面角增陡了4°。