某露天礦邊坡穩定性分析

劉志軍 ，周丹 ，鄂玉強 ，李昕蔚 ，王筱添 ，廖九波

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012；3.江鎢控股集團 九江有色金屬冶煉有限公司， 江西 九江市 332000)

0 引言

在露天礦山生產中，露天采場開采境界參數的合理選擇對礦山企業的安全具有重要意義。因此，選擇經濟合理的剝采比尤為重要。在露天開采境界眾多參數中，最終邊坡角的影響最直接，而最終邊坡角對邊坡最大影響是其安全穩定性。因此，判斷邊坡參數設計是否合理的重要手段是進行邊坡穩定性分析，優選出既能保證邊坡安全又能取得更多經濟效益的露天邊坡參數[1]。

邊坡穩定性影響因素主要包括構成邊坡的巖土體力學參數、幾何參數及外界作用力，巖土力學參數主要有容重、泊松比、彈性模量、內摩擦角、黏聚力等；幾何參數包括臺階高度、坡度、邊坡高度及最終邊坡角；外界作用力主要為地震力和爆破震動[2]。

為取得準確的邊坡穩定性分析數值，人們通常借助于高效的計算機軟件。目前應用較多的邊坡穩定性分析軟件主要包括：理正、ABAQUS、Geo-Slope、Geo-Studio、FLAC、Midas_GTS 等，其中Geo-Slope軟件在模擬孔隙水壓力對邊坡穩定性影響中具有廣泛應用。

本文為判斷某露天礦邊坡設計是否合理，選擇4個典型橫剖面作為邊坡分析對象，采用Auto CAD和Geo-Slope軟件輔助建模，模擬邊坡在不同環境條件下的失穩滑移過程，計算邊坡安全系數并與規范值比較，最后對邊坡安全維護提出相關建議。

1 露天邊坡參數選取

1.1 露天采場概況

某露天礦巖體呈巖基狀產出，巖性為細中粒黑云母二長花崗巖，白云母二長花崗巖，呈淺肉紅-灰白色，細中粒花崗結構，塊狀構造。主要由條紋長石、鈉-更長石、中長石、正長石、石英、黑云母組成。礦區范圍內原始地形完整，整體穩定。

根據礦山巖石力學條件，經露天采場境界優化，設計露天采場邊坡參數。臺階高度為15 m；終了臺階坡面角：未風化花崗巖礦取 70°，第四系、全風化及強風化層取40°；安全平臺寬為4 m；清掃運輸平臺寬為8 m；每2個安全平臺留一個清掃平臺；運輸道路凈寬9 m，最終邊坡角為52°。

經現場調研及室內巖石力學試驗，得出該露天礦巖土邊坡主要巖石力學性能參考值見表1。

表1 某露天礦邊坡主要巖石力學性能指標

1.2 邊坡剖面選取

根據現場踏勘與圖件分析，選取露天采場4個典型剖面作為邊坡穩定性分析模型，所選邊坡剖面在平面上的位置見圖1。同時考慮地下水作用，經進一步完善后的邊坡模型見圖2～圖5。

圖1 所選邊坡平面位置

圖2 1-1剖面

圖3 2-2剖面

圖4 3-3剖面

圖5 4-4剖面

1.3 邊坡安全系數取值

根據露天礦山采場邊坡相關規范要求，按邊坡組成要素相關參數的不同，可將邊坡危害等級分為以下3個等級：I級邊坡，綜合評定危害很嚴重；Ⅱ級邊坡，綜合評定危害嚴重；Ⅲ級邊坡，綜合評定危害不嚴重。

經調研分析得出：該露天礦邊坡如發生滑坡事故，可能危及露天采場運輸系統，造成廠房設備損壞，致使生產中斷，甚至造成人員傷亡，勢必產生非常惡劣的社會影響。而此次設計的最大邊坡高度為236 m，因此邊坡安全等級為I級。

由《巖土工程勘察規范》可知，露天礦山永久邊坡整體安全性最小安全系數應滿足以下要求：當邊坡同時受自重+地下水作用，其安全系數不小于1.20～1.25；當邊坡同時受自重+地下水+地震力作用，其安全系數不小于 1.15～1.20。為增加數值模擬的可靠性，該露天礦邊坡在不同作用條件下要求的最小安全系數均取大值。

2 露天采場邊坡穩定性分析

2.1 邊坡破壞類型

露天礦邊坡穩定性分析是一項復雜的工程，其影響因素復雜多變，不同礦山具有不同的工程地質條件，且露天礦山邊坡工程具有明顯的時效性、可變形性和動態變化特點。因此露天礦邊坡明顯區別于其他工程地質邊坡[3]，其巖質邊坡是一個復雜的地質組合體，導致其變形破壞的因素和方式也復雜多樣，但總體而言，在工程實際中最常見的邊坡破壞類型主要有：平面滑動、圓弧滑動、楔形破壞、傾倒破壞以及潰屈破壞等[4]。由于該露天采場邊坡巖石構造較為完整，因此在數值模擬過程中邊坡破壞模式主要表現為圓弧滑動。

2.2 邊坡穩定性分析方法

隨著計算機技術的迅猛發展，邊坡穩定性分析方法亦呈現出多樣性，歸結起來其計算原理都是一致的。目前，應用較多的計算方法主要包括：強度折減法、極限平衡法、畢肖普法、余推力法、有限元法及非連續介質力學等[5-6]。本次露天邊坡穩定性分析采用極限平衡法，以安全系數作為評價指標。計算時采用邊坡穩定性分析軟件Geo-Slope進行計算，根據邊坡各巖層的不同內摩擦角與黏聚力，模擬邊坡潛在滑移面在不同條件下的破壞過程，計算出邊坡穩定性安全系數[7-8]。

2.3 邊坡穩定性分析結果

影響邊坡穩定的因素包括邊坡形態（主要包括邊坡形狀、邊坡高度、服務年限及風化層劃分）、巖體自身物理力學性質、地下水、爆破振動。為便于分析，本次數值模擬僅考慮邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用下的穩定性情況。根據中國地震帶劃分，本露天礦所在地抗震烈度為6°，設計地震加速度值為0.05g。經計算，得出邊坡穩定性計算成果見表2。

表2 露天邊坡穩定性計算結果

由表2可知，4個典型邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力條件下的安全穩定系數都大于其規范值1.25和1.20，且安全系數均在一級重要工程取值范圍內。表明該露天礦邊坡穩定安全儲備足夠，邊坡處于穩定狀態，露天采場邊坡穩定計算滑動過程見圖6～圖13。

圖6 1-1縱剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水）

圖7 1-1橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水+地震力）

圖8 2-2橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水）

圖9 2-2橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水+地震力）

圖10 3-3橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水）

圖11 3-3橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水+地震力）

圖12 4-4橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水）

圖13 4-4橫剖面邊坡穩定計算示意（自重+地下水+地震力）

3 結論與建議

3.1 結論

本文為分析某露天礦邊坡設計參數是否合理，經現場踏勘選取4個典型邊坡，用Geo-Slope軟件建立邊坡模型，并為邊坡選取合適的巖石力學參數，基于極限平衡原理采用Morgenstern-Price方法，分析邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用條件下潛滑面的安全穩定性，經分析計算得出以下主要結論：

（1）4個邊坡在自重+地下水作用下的安全系數分別為 1.54，1.51，1.69，1.64，均大于規范值1.25；在自重+地下水+地震力作用下的安全系數分別為1.44，1.40，1.56，1.54，均大于規范值1.20，由此表明該露天礦邊坡設計參數是合理的；

（2）露天采場邊坡潛滑面滑移破壞主要集中在邊坡中部，不同邊坡形狀對安全系數具有一定影響，同一邊坡在地震力作用下其安全系數會有所降低。

3.2 建議

基于上述結論，結合礦山實際提出以下邊坡維護治理建議：

（1）礦山在正常生產中應加強進行巖石力學試驗、工程地質調查及水文地質調查等相關研究工作；

（2）加強對邊坡穩定性管理措施，及時對已產生裂隙或錯動的邊坡巖體進行加固處理，根據現場實際情況，可采取預應力錨索錨固、鋼筋網+噴射砼或土工格柵等支護措施；同時建議礦山每隔3～5年開展專門的邊坡應力、應變監測工作，確保礦山生產安全；

（3）為減小爆破振動對露天邊坡穩定性影響，在實施露天臺階爆破時應采取預裂爆破技術，減少爆破振動對邊坡的擾動破壞；

（4）加強邊坡防排水治理措施，臺階邊坡做好截洪溝、排水溝，及時排放大氣降水及地下水，以保證邊坡的穩定性。