某矿山边帮局部及整体稳定性分析与防治对策

吴国昌

(紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿)



某矿山边帮局部及整体稳定性分析与防治对策

吴国昌

(紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿)

摘要为促进矿山安全、高效生产和营造良好作业环境，依据地质勘察资料,将紫金山露天采场分为6个大区，对各大区代表性剖面进行渗流分析和稳定性分析，结果表明，露天采场现状边坡整体稳定性较好，发生多个台阶联合滑坡的可能性较低；在现场地质踏勘中，将采区分为42个子区，对各子区中优势结构面进行分析与统计，发现区域1和区域2结构面均构成潜在楔形体，利用赤平投影图计算其稳定性情况，结果表明，区域2在爆破动力作用下易发生局部滑坡。根据整体和局部稳定性分析结果，提出相应的应对措施。

关键词单台阶整体边坡渗流稳定性动态治理

紫金山金铜矿露天采场境界面积达4.4 km2，设计最终境界边坡高达888 m，将成为国内矿区边坡之最[1]。目前采区坑底已开挖至+592 m标高，边帮最高标高为+1 012 m，形成的最高边坡达到420 m，属于高边坡范畴。在矿山资源进一步开采过程中，其边坡高度将进一步增加。如此高的边坡在长期雨水冲蚀和频繁周边爆破动力下，对矿区密集作业的人员和设备构成了威胁。为确保矿山安全、高效生产，必须对露天采场边坡进行稳定性分析，发现并排除边坡安全隐患，营造良好的作业条件。

1单台阶边坡稳定性分析

与其他类型边坡相比，矿山边坡存在自身特性。矿山岩体除了受到成岩过程、地质运动留下的结构面影响外，还遭到了周边爆破作业带来的巨大破坏，使得边坡岩体的完整性得到减弱[2]；除此之外，为了尽可能减少开采成本，矿山边坡更高陡，同时，在采矿剥离过程中，原岩应力逐渐释放，岩体由原来三向应力状态变成两向、单向应力状态，其强度也不断变化，这些因素是导致矿山单台阶发生破坏的主要原因。因此，加强单台阶稳定性分析对保护人员和设备安全是十分必要的。

单台阶边坡稳定性分析是基于现场踏勘资料(图1)，利用现场测量数据形成赤平投影图，分析滑坡的可能性。

图1　现场地质测量

控制边坡稳定的因素分为内因和外因，其中外因包括外力荷载、地下水与降雨、爆破作业、人工开挖等；内在因素包括边坡形态，岩体的内部结构、构造，结构面强度、产状等。内部因素是边坡稳定性情况的基本控制因素。赤平投影图可以考察分析边坡形态、结构面产状等内因之间的相互关系，确定发生滑坡的潜在可能性。

根据不同标高、岩性、完整度等将采区分为42个子区，收集各子区优势结构面相关数据，并得到各区赤平投影图，本文重点阐述区域1和区域2的相关情况，见表1、图2。

表1区域1、区域2的优势结构面产状

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图2　赤平投影

图2表明，各优势结构面倾向与边坡面倾向相差较大，但是存在一些优势结构面与边坡体呈反方向斜交，因此，区域1、区域2基本不存在简单平面破坏的可能，但存在潜在楔形体破坏，图2(a)中结构面6和10、6和8、8和10，图2(b)中结构面57和55、57和58均将边坡岩体切割成出露楔形体，这种楔形体在自身下滑力和外力诱导下可能造成楔形破坏。针对潜在楔形滑坡体，分别对其进行稳定性计算，计算结果见图3。

上述计算结果表明，区域1结构面6和10、6和8、8和10构成楔形体，由于楔形体角度、结构面强度等因素，其自稳能力强，在动力条件下其最小安全系数也均大于1.15，属于稳定状态范畴，因此，目前不足以发生破坏；然而区域2中结构面55、57、58所形成的楔形体会产生局部失稳，其中，结构面55与57构成楔形体，在动力作用下的最小安全系数为0.75，结构面57和58构成楔形体，在动力作用下最小安全系数为0.76，最小安全系数均小于1，即在地震烈度为7度动力作用下，2处楔形体均不能保持自身稳定。因此，需要对区域2进行定期监测，必要时对该区域适当加固。

2整体边坡稳定性分析

整体稳定性分析主要针对矿山多台阶、深层次的滑坡体，根据现场地质勘查资料，获取各剖面上水位高度和各地层的岩体力学性状。

地下水是影响边坡稳定性的一个非常关键的因素。位于山体浸润线以下岩体处于托浮状态，结构面两侧岩体受到静水和动水压力，减小了岩体间的相互挤压应力。

摩尔-库伦准则是被普遍认可的强度准则，被广泛运用到岩土工程研究中。根据摩尔-库伦准则，岩体的强度大小与潜在破坏面两侧间的挤压应力有关，当挤压应力增大时，岩体的破坏强度增加，其增加的大小正比于挤压应力的改变值。因此，地下水削弱了岩体间的相互作用，减小了岩体的强度，增加了滑坡风险，在进行稳定性分析前需进行渗流场分析。

根据采场地形地貌、岩性特点，选取6个分析剖面，结合前期地质勘查资料及相关岩层物理力学实验结果(表2、表3)，利用geo-studio数值计算方法得到渗流分析结果，见图4。

从图4可以看出，矿区不同位置山体浸润线存在较大差异，这与各剖面岩层组成和渗流特性有较大关系。在未降雨时，浸润线以上岩土处于干涸状态，结构面两侧岩体间的孔隙水压力为0，岩体间的有效应力与总应力相等；浸润线以下岩土处于饱水状态，节理裂隙两侧岩体受到水压作用后，其有效作用力减小，不利于边坡的自身稳定。边坡渗流场的分析为整体边坡稳定性分析提供了基础条件。

图3　结构面组合分析结果

工程地质岩组名称及代号渗透系数/(cm/s)渗透性能软～极软碎裂散体结构岩组(Ⅳ)6.94×10-4较软岩碎裂镶嵌结构岩组(Ⅲ)2.91×10-4较软岩碎裂镶嵌结构岩组(Ⅱ1)2.11×10-5较坚硬块状镶嵌结构岩组(Ⅱ2)3.36×10-5坚硬块状镶嵌结构岩组(Ⅰ1)2.74×10-510×10-5～10×10-3,低渗透性

基于渗流分析结果和地勘资料，将表3各岩层强度参数分别代入到计算模型，得到不同剖面的计算结果，见图5，表4。

表4显示，在动力条件下各剖面整体边坡最小安全系数均大于1.15，属于安全状态，只有剖面3和剖面6上最危险滑体穿过山体浸润性，在降雨阶段其稳定性会发生较大变化，而其他各剖面相对较稳定，总体仍能满足矿山边坡安全规程要求。

由于目前矿山边坡并没有达到设计境界，在后续的采矿作业中，矿山边帮高度、形态处于不断变动中，因此,其整体稳定性是一个变化的过程，对靠帮区域进行周期性现场巡视与稳定性评价分析是十分必要的。

表3　各钻孔岩芯强度指标

图4　各剖面渗流结果

图5　各剖面稳定性结果

剖面编号最小安全系数稳定性情况潜在滑体与山体浸润线关系11.883稳定浸润线以上23.631稳定浸润线以上32.309稳定穿过浸润性42.176稳定浸润线以上51.757稳定浸润线以上62.096稳定穿过浸润性

3结论

(1)从局部稳定分析结果看，区域1结构面切割的临空楔形体自稳能力较强，不足以发生破坏，区域2结构面切割的临空楔形体在地震等因素下存在失稳的可能性。建议对区域2加强监测，尽量减少在该区域安置临时或永久设施，必要时对该区域进行加固整治。

(2)根据计算结果，目前矿区整体稳定性较强，矿区边坡失稳几率极小，但随着矿山的进一步开采，更多的边帮达到设计境界，届时边坡高度和角度均发生较大变化，因此,需要定期对整体边坡进行巡视和稳定性评估。

(3)矿山边坡的稳定性随着采矿进行发生动态变化。此次单台阶稳定性分析结果只能反映目前边坡状况，在后续采矿过程中，未靠帮区域岩体被剥离，揭露出的新鲜岩体的稳定性需要进一步分析；随着采矿作业的推进，在爆破动力、雨雪侵蚀的作用下，已靠帮区域岩体中结构面也不断发生变化，改变了原有稳定状态。

参考文献

[1]李瑞祥.紫金山金铜矿露天开采地质灾害防治技术[J].现代矿业，2012(10):118-121.

[2]明锋，祝文化，李庆东.爆破动载频率对边坡稳定性的影响[J].中南大学学报:自然科学版，2012(11):4439-4445.

(收稿日期2016-02-02)

Stability Analysis and Prevention and Controlling Measures of the Local and Global Slope of a Mine

Wu Guochang

(Zijinshan Gold and Copper Mine, Zijin Mining Group Co., Ltd.)

AbstractIn order to ensure the safety and high-efficient mine production and create good working environment, according to the geological investigation data, the Zijinshan open-pit is divided into 6 regions, the typical profiles of each region are conducted seepage analysis and stability analysis, the results show that the global stability of the slope of the open-pit is good, the possibility of joint landslide of several steps is little; during the process of site geological investigation, the open-pit is divided into 42 subregions, the dominant structure planes of each subregion are analyzed and counted, the results show that the structural plane of subregion 1 and subregion 2 can be formed a potential wedge. The stability of them is computed by plane projection map, the results show that the possibility of the local landslide of subregion 2 is big. The corresponding prevention and controlling measures is proposed based on the stability analysis results of the local and global of the slope of the mine.

KeywordsSignal step, Global slope, Seepage, Stability, Dynamic governance

吴国昌(1976—)，男，工程师，364200 福建省上杭县。

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