基于临界滑移场技术的露天矿边坡稳定性分析

孙世国，王明月，缪静芳

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100041)

甘肃省金昌市石英石露天矿位于甘肃省金昌市金川区高石咀，南距兰新铁路金昌站10km，北距金昌市区8km，省道212线河(西堡)-雅(布赖)公路从工区东部通过。地理位置重要，石英石储量丰富。矿区采用露天开采方式、组合台阶采矿方法。随着石英石露天矿开采深度的增加，矿区边坡已产生不同程度的变形和破坏，不仅影响到露天矿边坡自身的安全，而且也影响露天矿边坡周围环境的安全性。露天矿边坡稳定性成为影响矿区安全生产的重要因素。因此应用临界滑移场技术在确保露天矿边坡稳定的前提下，实现石英石资源回收率最大，边坡剥离量最小是本文要解决的主要问题。

1 工程地质条件

矿区原为中低山、丘陵地貌，地形西北高，东南低。经多年开采，现矿区形成一中间低，三面高的露天开采大坑，南侧、西侧、北侧开挖呈多层台阶状陡坡，中间地势较为平坦。场地自然地面标高在1936.3～1858.3m之间，顶部与底部最大高差约80m。斜坡直立陡峭，一般坡度70～80°，少部分底部有开采岩石堆积。北侧斜坡顶部多处覆盖开采废石，局部为基岩裸露区，靠近斜坡边缘地表可见多条裂缝。矿区位于阿拉善隆起区南缘—龙首山隆起南部的古生代断陷盆地的北缘，南与河西走廊过渡带相邻。盆地呈北西向狭长带状，由下古生界、泥盆系、石炭二迭系及第三、第四系地层组成。自然地面以下出露地层有第四系坡积、残积层及少量人工采石堆积物、角砾岩、砂岩、粉细砂岩、板岩、页岩、石英岩、片麻岩、泥岩、角闪岩等，层间局部夹有断层破碎带、煤层。

矿区年降雨量小于蒸发量，为干旱地区。据《建筑抗震设计规范》(2010年版)，金昌市地区地震设防烈度为7度第三组，设计基本地震加速度值为0.15g，设计特征周期值为0.45s。

2 边坡临界滑移场技术

临界滑移场方法能准确快速确定边坡任意形状临界滑动面，全面评价边坡整体和局部稳定性等。它首先将边坡体分成很多条块(条块数比常规条分法所采用的数目要多得多)，再将条块分成众多状态点。在给定安全系数下，边坡体的强度按同一比例发挥，过条块线上的任一点(不只限于状态点)都存在有危险滑动方向(用tanα表示，α为过该点上条块滑面的倾角)和最不利推力P，它们使最终出口处剩余推力最大。Tanα和P可近似认为沿条块线分段线性分布。对于具体条块只计力的平衡，条间力的方向θ按有关常规条分法考虑[1,2]。根据条块受力平衡(如图1所示)，其推力计算公式见式(1)。

(1)

β0=arctan(1/K0)；

式中：Fs为当前设定的安全系数，Wi为条块重量，ui为条底空隙水压力；K0为地震影响系数，ci和φi分别为条底凝聚力和内摩擦角，li为条底边长，αi和αi-1分别为本条块和上条块底面倾角；Pi-1和Pi为条块间推力。

图1 条块受力示意

临界滑移场法的出发点是，对于设定的安全系数Fs，逐一求出各状态点的最危险滑动方向tanα，使最终剩余推力极大。调整安全系数，使最大的极大剩余推力为零，得出临界状态下边坡体内的危险滑移方向场，进而在此基础上追踪出连续的临界滑移场[1-2]。

3 边坡滑面搜索实例与分析

3.1 北帮6-6剖面边坡危险滑面搜索与分析

临界滑移场技术能准确快速确定边坡任意形状临界滑动面，全面评价边坡整体和局部稳定性[1]。应用临界滑移场方法搜索出的滑面接近实际滑面，但由于其在确定边坡安全系数时，考虑的因素不够全面，本文在应用临界滑移场技术依次搜寻、确定最危险滑坡位置的前提下，再应用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四种方法对北帮6-6剖面进行稳定性分析。

图2是北帮6-6剖面现存边坡轮廓图，岩石力学参数如表1所示。

图2 6-6剖面现存边坡轮廓

表1 北帮6-6剖面地区不同岩石力学参数值

3.1.1 现存边坡稳定性分析

图3是露天矿现存边坡应用临界滑移场技术搜寻出的危险滑面图。应用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四种方法对现存边坡进行稳定状态计算的结果如表2，可以看出在有地震作用下的最不利安全系数为1.66远大于1.0，所以在有无地震作用下边坡体都是稳定的。

图3 现边坡危险滑面搜寻

表2 现存边坡稳定性评价结果

3.1.2 到界边坡坡角优化设计

考虑到向下开采延深过程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡体处于不同的稳定状态；为了确保生产过程中的安全生产，本次研究首先确定到界边坡允许的最大坡角.

该露天矿预计开采到海拔标高1696m，边坡开采角度的大小直接影响到剥离量的大小，在露天矿的开采过程中，开采角度的微小变化直接影响矿山的经济利益 ，因此对到界边坡坡角进行优化设计至关重要。

露天矿边坡安全系数一般为 1.1～1.5[3]，考虑到金昌市石英石露天矿存在的短暂性(预计再开采5年)和此地地震的影响，选取边坡在考虑地震作用下的安全系数为1.1。在考虑地震的作用下6-6剖面允许的最大坡角为35°，图4是此时边坡危险滑面搜寻图。边坡稳定状态计算结果如表3，可以看出有无地震作用下边坡体都是稳定的。

图4 到界边坡危险滑面搜寻

表3 到界边坡稳定性评价结果

3.1.3 露天矿向下延深不同深度边坡稳定状态分析

确定了到界边坡允许的最大坡角(35°)，由此确定露天开采的境界线，然后依据露天向下延深过程中每个台阶10～12m所形成的边坡高度及坡角大小如图5所示，应用滑移场理论方法依次搜寻、确定最危险滑坡位置，如图6～11所示。然后分析其稳定状态，通过最危险滑面的搜寻，找出给定工程地质条件下最危险的位置，进行各次降深对边坡稳定状态的影响，并分析生产过程中的安全性，其边坡稳定状态的计算结果如表4所示。从表中的计算结果可以看出，浅部开采边坡稳定状态好于最终边坡稳定性，这主要是坡高和坡角逐渐增大的结果。

表4 向下开采延深边坡稳定状态评价结果

1.代表第一次开挖位置；3.代表第三次开挖位置；5.代表第五次开挖位置；7.代表最终开挖位置

图6 向下延深10m后边坡危险滑面搜寻

图7 向下延深20m后边坡危险滑面搜寻

图8 向下延深30m后边坡危险滑面搜寻

图9 向下延深40m后边坡危险滑面搜寻

图11 向下延深60m后边坡危险滑面搜寻

4 结论

本文应用多种极限平衡方法对甘肃省金昌市石英石露天矿进行稳定性分析，找出边坡开挖的最佳坡角，确定最终开采方案。经过分析露天矿边坡在有无地震作用下都是稳定的，到界边坡允许的最大坡角为35°，以此确定露天开采的境界线，每次向下延伸10m后形成的边坡都是稳定的，并且浅部开采边坡稳定状态好于最终边坡稳定性，这主要是坡高和坡角逐渐增大的结果。由于每种极限平衡法都有其假设条件，在应用到工程实践时受到限制，本文应用多种极限平衡方法对实际工程进行综合分析，取每种方法的合理之处，得出了满足实际工程需要的结果。综合应用多种极限平衡方法解决实际问题对以后解决具体实际工程问题具有借鉴性。

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[2] 朱本珍,孔剑华,朱大勇,等.对滑坡剩余推力计算方法的改进[J].工程勘察,2005(5):12-14.

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[6] 吴伟.露天边坡失稳原因分析及预防与治理[J].采矿技术,2011,11(5):44-46.

我国发布首部煤炭物流规划

国家发改委官网日前发布了《煤炭物流发展规划》(简称《规划》)，这是我国针对煤炭物流行业领域出台的首份专门性规划，规划期为2013～2020年。

《规划》提出，要根据煤炭生产开发和消费布局，结合区域发展规划，完善煤炭运输通道，建设一批煤炭物流节点，形成“九纵六横”的煤炭物流网络，构筑中国六大煤炭物流通道：一是晋陕蒙(西)宁甘煤炭外运通道，二是内蒙古东部煤炭外运通道，三是云贵煤炭外运通道，四是新疆煤炭外运通道，五是水运通道，六是进出口通道。同时，加快铁路、水运通道及集疏运系统建设，完善铁路直达和铁水联运物流通道网络，增强煤炭运输能力，减少煤炭公路长距离调运。

此外，《规划》提出要深化煤炭产运需衔接制度改革，建立以全国性煤炭交易中心为主体，以区域性煤炭交易市场为补充，以信息技术为平台，政府宏观调控有效、市场主体自由交易的煤炭市场体系。以煤炭交易、信息服务、价格发现、金融服务为重点，在具有政治、经济、金融、科技等资源优势的城市，建设中国煤炭交易中心；在煤炭主要生产地或集散地，建设区域性的煤炭交易市场，反映不同煤种、不同区域的煤炭交易动态，降低流通成本，优化煤炭资源配置。