露天礦巖體結構面對邊坡穩定性影響特征研究

席 偉，張詔飛

(廊坊市中鐵物探勘察有限公司， 河北 廊坊 065000)

SICOMINES銅鈷礦位于剛果(金)盧阿拉巴省，礦區面積約11.5 km2，礦石儲量達2.5億t，銅品位3.47%，鈷品位0.215%，是世界級的特大銅鈷露天礦。王亞明[1-2]根據剛果(金)SICOMINES礦工程地質條件，對礦區進行地質分區，并評價各分區巖體質量。折書群[3]根據水文地質條件，對SICOMINES礦區采場提出坑水疏干措施。崔世新等[4-6]使用井下電視、聲波電視、視電阻測井的方法為SICOMINES礦巖體工程地質和水文地質條件提供物探依據。陳興海等[7-8]根據SICOMINES礦體、地層、構造、工程水文地質等條件分析礦床成因，并建立三維地質模型設計合理開采方案。采場邊坡的安全穩定直接決定礦區生產效率和人員財產安全。上述研究主要涉及SICOMINES礦區巖體的工程地質、水文地質條件等方面，而關于巖體結構面的歸納分析、邊坡破壞方式及滑坡治理預案的研究內容較少。因此，研究結構面對邊坡穩定性的影響、分析邊坡破壞機理、提出邊坡地質災害防治預案，對保障露天礦安全開采，彌補和更新礦區工程地質資料，具有重要的理論與實踐意義。

1 礦區巖體概況

剛果(金)SICOMINES銅鈷礦礦區揭露地層較為簡單，主要為RAT巖組。礦區中部分布D坑、M坑，2個露天開采礦坑；其中D坑面積、開采量較高。

1.1 巖體特征

D坑西幫RAT巖組的主要礦物成分為白云石、長石及黏土礦物；隨主要礦物成分的差異，發育為白云巖﹑砂巖﹑泥巖，隨次要礦物的不同，表現為硅化白云巖﹑白云質砂巖﹑白云質泥巖等，局部表現為礫質結構的礫巖，見圖1.

圖1 巖組結構圖

根據RQD和RMR巖體質量分級方法，結合RAT巖組結構特征，綜合判定D坑西幫巖體質量等級，評價結果見表1.

表1 RAT巖組結構類型特征表

1.2 巖體邊坡破壞模式

SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡，坡頂高程約1 420 m，坡底高程約1 200 m，邊坡高度達220 m，屬于高邊坡。其中，高程1 260 m以上坡角約38°，1 260 m以下坡角約40°，總邊坡角36°，傾向約NE77°.

將D坑西幫RAT巖組的優勢結構面產狀進行整理，見表2.

表2 RAT巖組優勢結構面產狀表

通過判斷RAT-3巖組優勢結構面產狀與D坑西幫邊坡坡面產狀的組合關系，結合赤平投影方法(圖2),分析不同優勢結構面對邊坡穩定性的影響(表3),判斷邊坡穩定性和邊坡破壞模式。

圖2 RAT-3優勢結構面與邊坡面的赤平投影分析圖

表3 RAT-XI3巖組的赤平投影分析結果表

各RAT巖組均發育三組及以上優勢結構面，滿足“三組或多組產狀各異的軟弱結構面存在，且不與邊坡面同向；可判定為圓弧形破壞模式”。RAT-3巖組優勢結構面產狀45°∠31°的走向與坡面走向夾角處于0～30°，屬不穩定邊坡，與坡面相切后可能形成平面破壞。綜合判定D坑西幫巖體邊坡破壞模式為平面型和圓弧形。

2 FLAC3D數值模擬

2.1 模型建立

D坑西幫邊坡現狀處于穩定狀態，隨著開采力度的加大，采場邊坡逐漸變化，最終達到露天礦設計境界邊坡。基于FLAC3D數值模擬軟件，建立D坑西幫設計境界邊坡的數值分析模型，見圖3；布置合理的剖面，見圖4；根據Mohr-Coulomb破壞準則，在模型中限制邊界條件和自由面,研究設計境界邊坡的穩定性。建模范圍x=430 777～429 406 m(邊坡東西走向)，y=306 836～308 012 m(邊坡南北走向)，z=950 m至地表，單元2 158 921個，節點1 698 575個；RAT各巖組力學參數見表4.

圖3 設計境界邊坡的FLAC3D模型圖

圖4 計算模型剖面位置圖

表4 各RAT巖組力學參數表

2.2 數值模擬分析結果

2.2.1 應力分析結果

模型整體最大主應力圖(拉應力為正，壓應力為負)，見圖5.

由圖5可知,受地形影響，模型的應力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；受巖性條件影響，在巖層交接部位、臺階坡面應力狀態擾動較大；在臺階坡面附近、地表和巖層淺部存在拉應力區，在模型中部，RAT-1與RAT-2巖組穿插體巖體內，應力擾動比較大，且出現少量的應力集中現象。

圖5 模型整體最大主應力云圖

2.2.2 位移分析結果

模型整體位移等值線云圖見圖6. 從圖6可知,模型邊坡巖體的位移主要是向采坑臨空面和自然下沉移動，邊坡巖土體變形主要以開挖卸荷回彈變形為主，表現為坡腳處向上的垂直位移增加。

圖6 模型整體位移圖

2.2.3 塑性區分析結果

根據強度折減法計算，模型各剖面安全系數分別為1.187、1.145、1.187，小于許用安全系數1.20. 各剖面的塑性區分圖見圖7,8,9.

圖7 模型剖面1塑性區分布圖

圖8 模型剖面2塑性區分布圖

圖9 模型剖面3塑性區分布圖

從圖7,8,9可知,各模型剖面的塑性破壞區集中在兩個區域，第一個區域為上部邊坡的松散巖組及碎裂巖組區域，第二個區域為下部邊坡的軟弱結構面附近區域。區域巖體質量差，抗剪強度低,導致區域破壞形式均以剪切破壞為主，并伴隨少量的拉伸破壞。

3 滑坡治理方案

針對模型兩個區域潛在的滑坡體，提出相應滑坡治理措施。

第一個區域上部松散巖組及碎裂巖組，邊坡現狀已維持30年以上，通過邊坡雷達對D坑西幫邊坡進行實時監測，見圖10，結果顯示邊坡無顯著位移趨勢，判定為基本穩定狀態，且下方有寬大臺階。因此，邊坡治理措施以定期處理浮石進行維護為主。

圖10 部分邊坡雷達監測位移點云圖

第二個區域剖面3的中下部臺階坡腳處是最危險的滑面，其范圍約160 m. 擬采用壓腳法進行治理，實施對象主要是軟弱破碎帶上方的滑體及中上部臺階邊坡，治理目標是保證邊坡穩定性的前提下，減少壓礦，節約成本。

3.1 優化方案1

為避免或盡量少的壓覆RAT-3巖組內的礦石，但又要保證西幫穩定性最差的剖面3的穩定性，提出局部邊坡調整優化方案1.

1) 1 125～1 185 m標高按臺階高度7.5 m，臺階坡面角為60°布置。

2) 1 185～1 215 m(即目前臺階標高)，維持原設計不變。

3) 各臺階的寬度依礦體的賦存條件大小不等，為8.0～23 m.

該邊坡調整優化方案1，對剖面3優化示意圖見圖11，局部邊坡調整后各工況條件下的邊坡穩定性安全系數的分析計算結果見表5，工況3條件下剖面3的計算結果見圖12，13.

圖11 優化方案1的剖面3邊坡調整示意圖

表5 剖面3的邊坡穩定性安全系數的計算結果表

圖12 優化方案1簡化Bishop法計算結果圖

圖13 優化方案1 M-P法計算結果圖

由計算分析結果可知，剖面3按該方案進行局部調整治理施工后，邊坡安全系數可達到許用值。該方案對1 090～1 125 m間RAT-3巖組內的礦石有少量的壓礦。

3.2 優化方案2

根據礦山現場臺階預裂鉆孔傾角的大小(80°)，以及對臺階坡面角的技術要求(一般較堅硬～堅硬巖石臺階坡面角為60°～75°),在原設計的基礎上，改變臺階坡面角為70°，提出局部邊坡調整優化方案2.

1) 對現狀1 215～1 185 m臺階，維持原境界設計不變，即臺階高15 m，坡面角60°.

2) 1 125～1 185 m標高按臺階高度7.5 m，臺階坡面角為70°布置。

3) 各臺階的寬度依礦體的賦存條件大小不等，為9.7～24.3 m.

該方案對剖面3優化示意圖見圖14，局部邊坡調整后各工況條件下的邊坡穩定性安全系數計算結果見表6，工況3條件下剖面3的計算結果圖見圖15，16.

圖14 優化方案2的剖面3邊坡調整示意圖

表6 剖面3優化方案2的邊坡穩定性計算結果表

圖15 優化方案2簡化Bishop法計算結果圖

圖16 優化方案2 M-P法計算結果圖

由計算分析結果可知，剖面3按該方案進行局部調整后邊坡安全系數可達到許用安全系數，邊坡穩定。該方案對1 080～1 125 m間RAT-3巖組內的礦石有少量的壓礦。

3.3 優化方案對比

根據三維模型計算分析得出SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡的剪性塑性區東西跨度約為160 m. 在此基礎上對壓腳的2種優化方案進行經濟技術對比，結果見表7.

表7 治理方案技術經濟對比分析結果表

經以上經濟技術對比，從滿足邊坡多工況下許用安全系數及壓礦量與施工方便等角度，推薦采用壓腳優化方案2對SICOMINES銅鈷礦D坑西幫邊坡進行治理。

4 結 論

根據剛果(金)SCIMONES銅鈷礦D坑西幫邊坡工程地質勘察成果，結合FLAC3D數值模擬，對D坑西幫邊坡穩定性進行研究，分析邊坡破壞機理，對潛在的滑坡體提出治理方案，對邊坡穩定和礦區建設具有一定參考意義。

1) D坑西幫巖體質量等級為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，巖組結構面與邊坡坡面的組合關系導致邊坡破壞模式為平面型和圓弧形。

2) 基于FLAC3D建立D坑西幫設計境界邊坡的數值模型，從模型的應力、位移、塑性分區、安全系數變化等方面分析得知：設計境界邊坡整體穩定，但局部存在貫通的剪切塑性區，有失穩的可能；破壞形式為剪切破壞和拉伸破壞。

3) 潛在滑坡體主要位于邊坡上部松散巖體和剖面3下部巖體軟弱結構面附近區域，是滑坡防治重點監測區域。

4) 為治理邊坡潛在的滑坡體，通過定期處理浮石的方法對邊坡上部松散巖體進行治理。通過使用優化后壓腳方案對剖面3下部巖體進行治理。