露天礦山不同巖質邊坡穩定性安全分析

李文新 ，劉艷紅，蔣京名 ，郭朝陽

(1.湖南有色環保研究院有限公司，湖南 長沙 410125；2.湖南有色冶金勞動保護研究院有限責任公司，湖南 長沙 410014；3.華楚智能科技（湖南）有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引言

根據2017 年《全國非煤礦山生產安全事故統計分析報告》[1]，全國金屬非金屬礦山共發生事故407 起，其中露天礦山事故106 起、死亡113 人，邊坡垮塌事故28 起，占總數的6.9%，事故頻率僅次于地下礦山的冒頂坍塌事故（125 起）。我國非煤露天礦山存在的主要危險有害因素是滑坡、坍塌。

露天礦山在開采礦產資源時，一般采用自上而下分臺階開采[2]，開采結束后會形成高邊坡，如果臺階坡面角設置過陡，或者安全平臺、清掃平臺寬度設置不滿足規范要求，形成的最終邊坡角過大，容易導致巖質邊坡失穩，發生滑坡、坍塌等事故[3]，危及礦山作業人員安全，對生產設備造成損毀，制約企業的可持續發展[4]。

露天礦山巖質邊坡根據巖體種類分為5 類：散體狀結構（強風化、全風化）、碎裂狀結構（構造影響嚴重的破碎巖層）、層狀結構（薄、中厚層狀沉積巖）、塊狀結構（厚層狀沉積巖，塊狀巖漿巖和變質巖）、整體狀結構（塊狀巖漿巖和變質巖，巨厚層沉積巖）[5]。

由于巖體結構面的影響，巖質邊坡的穩定性判斷起來較為困難。選取較難判斷的碎裂狀、層狀、塊狀3 類（不考慮散體狀、整體狀巖石邊坡）巖質邊坡，對其穩定性進行分析。并結合4 個露天礦山實例，采用畢肖普法和薩爾瑪法計算其邊坡穩定性安全系數，得出計算結果，從而為露天礦山邊坡治理對策措施的制定提供依據。

1 計算方法介紹

根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016-2014）[6]，碎裂狀巖體邊坡穩定性計算采用簡化畢肖普法[7]，層狀及塊狀巖體邊坡穩定性計算采用薩爾瑪法[8]。

1.1 簡化畢肖普法

畢肖普法是基于極限平衡原理，考慮了條塊間相互作用力的一種圓弧滑動分析法。其將滑裂條塊當作剛體繞圓心旋轉，并分條計算其滑動力與抗滑力，最后求出穩定安全系數，其計算簡圖見圖1。

圖1 畢肖普法計算簡圖

1.2 薩爾瑪法

薩爾瑪法是基于極限平衡原理而發展起來的，廣泛用于露天礦邊坡穩定性分析的一種方法，其可用來確定各種形狀滑動面的邊坡穩定性，能夠根據巖體中實際存在的斷層、節理和層面等結構面劃分條塊，使計算結果比較接近實際。其計算簡圖見圖2。

圖2 薩爾瑪法計算簡圖

式中，為分塊底面的黏結力，kPa；為分塊側面的黏結力，kPa；為分塊底面的內摩擦角，（°）；為分塊側面的內摩擦角，（°）；di為分塊側面長度，m；li為分塊滑面長度，m；αi為滑面與水平面的夾角，（°）；δi、δi+1為分塊側面與垂直方向的夾角，（°）。

2 露天礦山邊坡實例

選取4 個露天礦山的巖質邊坡進行穩定性計算，其第四系覆蓋層已超前剝離或者巖體基本裸露，穩定性計算時不考慮第四系覆蓋層的影響。

（1）BP1 碎裂狀巖體（湖南某多金屬礦東南側邊坡測水組砂頁巖）。中風化巖體，巖塊密度為2.39～2.54 g/cm3，飽和極限抗壓強度為3.5～73.6 MPa，軟化系數為0.51～0.77，內摩擦角為41°06′～45°52′，凝聚力為0.63～5.32 MPa；受水浸泡后內摩擦角約為6°，內聚力32 kPa。

（2）BP2 碎裂狀巖體（湖南某多金屬礦東北側邊坡灰巖、白云質灰巖）。節理、劈理非常發育，主要有3 組，第一組最為發育，傾向為110°～20°，傾角為60°～75°，密集帶達40 條/m；第二組不甚發育，為170°～190°∠80°，密集帶達3～5 條/m；第三組層間裂隙發育弱，280°∠26°，密集帶達2～3 條/m。巖塊密度為2.68～2.71 g/cm3，飽和極限抗壓強度是33.4～55.9 MPa，軟化系數0.63～0.72，內摩擦角38°22′～41°25′，凝聚力3.79～5.71 MPa，巖石質量系數為0.726～0.907。

（3）BP3 層狀結構（云浮某水泥用石灰巖礦灰、灰黑色微粒灰巖、粉砂質灰巖）。巖塊平均抗壓強度68.5 MPa，石灰巖密度27 kN/m3，巖體結構面黏聚力0.15～0.23 MPa，內摩擦角33°～41°。

（4）BP4 塊狀結構（廣東高州某片麻巖礦黑云母斜長片麻巖）。礦體賦存于+295.0～130.0 m 標高。礦石為中粒黑云斜長片麻巖，以層狀產出，產狀為350°∠65°，顏色呈淺灰色至灰黑色，部分深灰色。

巖塊抗壓強度為110.3 MPa；抗折強度為21.5 MPa；天然密度為2.65 g/cm3；普氏硬度為6.5，巖體結構面黏聚力為0.18～0.27 MPa，內摩擦角為39°～47°。

3 穩定性計算

3.1 條件設定

（1）選取的4 個礦山的最大開采深度均大于100 m，為方便對計算結果進行統計分析，本次計算設定臺階高度為100 m。

（2）穩定性計算中，不考慮各平臺設置，只考慮最終邊坡角。

（3）穩定性計算考慮3 種荷載：荷載I，現狀工況（不考慮地下水）；荷載II，荷載I+降雨；荷載III，荷載I+7 級地震。

3.2 計算參數

碎裂狀巖體（簡化畢肖普法）內聚力和內摩擦角根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016-2014）[6]，通過巖體質量指標（RMR）、巖石地質強度指標（GSI）、完整巖石常數（mi），巖塊單軸抗壓強度（σc）等計算確定（見表1）。

表1 簡化畢肖普法計算參數

層狀巖體及塊狀巖體（薩爾瑪法）結構面內聚力和內摩擦角參考《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016-2014）[6]，并根據巖體結構面結合程度選取（見表2）。

表2 薩爾瑪法計算參數

3.3 安全系數計算

采用理正巖土軟件進行計算。首先建立4 類巖質邊坡的工程地質模型，再分別考慮不同邊坡角條件下，降雨影響和地震影響下4 類巖質邊坡的穩定性計算，各邊坡參數見表3、表4。

表3 各礦山臺階參數

表4 臺階邊坡角與最終邊坡角對照

當臺階邊坡角為60°時，碎裂狀BP1 的安全系數已接近于1，故不再對邊坡角大于60°的情況進行計算；當臺階邊坡角為50°時，碎裂狀BP2、層狀BP3、塊狀BP4 安全系數值均較大，說明小于該值安全系數更大，故不再對邊坡角小于50°的情況進行計算。計算結果見表5。

3.4 計算結果

由表5 繪制各邊坡安全系數變化曲線，如圖3至圖6 所示。由表5、圖3 至圖6 可得到如下結論。

表5 不同臺階邊坡角下的邊坡穩定性計算結果

（1）碎裂狀結構BP1 在荷載II 下穩定性安全系數小于1。湖南某多金屬礦現狀臺階邊坡角45°，最終邊坡角33°，由圖3 可知，碎裂狀BP1 受雨水影響嚴重，遇降雨邊坡易發生局部滑坡，與該礦現場邊坡經常發生小規模滑坡相符。

圖3 碎裂狀BP1 安全系數計算結果

（2）碎裂狀結構BP2 在荷載II 下，當最終邊坡角大于52°時，穩定性安全系數降低至小于1。

湖南某多金屬礦現狀臺階邊坡角65°，最終邊坡角47.8°，由圖4 可知，碎裂狀巖體BP2 受降雨影響較大，這是因為雨水進入巖質邊坡裂隙，增加了潛在滑動面水壓力，降低了邊坡整體C、φ值。

圖4 碎裂狀BP2 安全系數計算結果

（3）層狀結構BP3 邊坡穩定性較好。云浮某水泥用石灰巖礦現狀臺階邊坡角為70°，最終邊坡角為54.1°，由圖5 可知，層狀巖體BP3 穩定性較好，在長時間暴露及降雨情況下，邊坡仍能保持穩定，與現場實際情況相符。

圖5 層狀BP3 安全系數計算結果

（4）塊狀結構BP4 穩定性較好。廣東高州某片麻巖礦現狀臺階邊坡角為70°，最終邊坡角為54.1°，由圖6 可知，塊狀巖體BP4 穩定性較好，在長時間暴露及降雨情況下，邊坡仍能保持穩定，與現場實際情況相符。

圖6 塊狀BP4 安全系數計算結果

綜上分析，可分析得出以下結論：

（1）邊坡穩定性安全系數隨著最終邊坡角的增大逐漸降低；

（2）碎裂結構巖石邊坡在降雨工況（荷載II）下邊坡會失穩，發生滑坡；

（3）降雨（荷載II）對碎裂結構巖石邊坡穩定性安全系數影響較大；

（4）降雨（荷載II）對層狀和塊狀巖石邊坡影響較小；

（5）地震（荷載III）對各類巖石邊坡穩定性具有一定的影響。

4 邊坡治理對策措施

依據各類邊坡穩定性計算結果，可針對性地編制露天邊坡治理對策措施，主要從最終邊坡角、降雨兩方面著手。

（1）適當減緩最終邊坡角，具體措施包括：減小臺階邊坡角，增大安全平臺和清掃平臺寬度；在最終邊坡坡腳處設置防滑擋墻；靠近最終邊坡采用控制爆破技術，層狀及塊狀巖石邊坡采用預裂爆破和微差爆破，散體巖石邊坡采用光面爆破及微差爆破。

（2）對于碎裂狀結構巖質邊坡，尤其防范雨水對邊坡的影響，具體措施如下：露天礦山封閉圈外設置截水溝，各臺階平臺設置排水溝，降低雨水對邊坡的影響；加強巖石邊坡內地下水的疏干[9]，降低巖體內潛在滑動面上水壓力；碎裂或易風化邊坡采用掛網噴漿[10]支護，既防止了雨水滲入，又有一定防止邊坡風化的作用；設置邊坡內部和表面位移監測設施。

此外，應加強生產過程中的邊坡安全管理，及時清理不穩定巖體、浮石等，并將邊坡發生滑坡可能影響范圍設置為危險區域，張貼警示標志，禁止人員及設備靠近。

5 結論

基于畢肖普法、薩爾瑪法分別計算了4 個礦山3 類巖質邊坡在不同邊坡角下，分別在正常、降雨、地震等不同工況條件下的穩定性安全系數，結論如下：

（1）最終邊坡角越大，邊坡穩定性安全系數越小；

（2）降雨對層狀和塊狀巖石邊坡穩定性影響小，對碎裂結構巖石邊坡穩定性影響較大。

（3）地震對各類巖石邊坡穩定性具有一定影響，但影響不明顯。

依據穩定性分析計算結果，針對性地提出了降低邊坡角、防降雨、加強邊坡安全管理等邊坡治理對策措施。