基于极限平衡的某磷矿边坡稳定性分析

黄 波，张明清，邓广俊

(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳550025)

基于极限平衡的某磷矿边坡稳定性分析

黄 波1,2，张明清1,2，邓广俊1,2

(1.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳550025)

边坡失稳已成为露天矿山最大地质灾害之一，而影响边坡稳定性的因素却是错综复杂的。息烽磷矿露天开采已达到设计开采标高，资源量已不能满足矿山开采能力的需求，矿山需从露采转入地下开采。针对地下开采对露天边坡稳定性问题，采用极限平衡方法对潜在滑坡段边坡安全系数进行了定量计算，结果显示，边坡安全系数为1.21，处于基本稳定状态。后期受露天转地下复合扰动作用以及其他外在因素影响，其稳定性可能降低，对此提出相应的控制技术措施对潜在不稳定边坡进行防治。

边坡稳定；定量计算；边坡防治

露天矿开采后留下的高陡边坡的稳定性是一个动态变化的系统[1]，边坡自身的地质构造以及不稳定软弱面决定了边坡稳定的外部形式，对边坡的稳定性起到了决定性作用。外在因素包含边坡角、地表水的渗入、采动影响等因素的存在可以促进边坡的变形发展[2]。边坡一旦失稳破坏，后果不堪设想。国内外学者对边坡失稳机理和边坡参数做了大量的研究，取得了不少研究成果。但是对潜在滑坡研究相对较少，故开展上述研究，对边坡稳定性提前作出评价和预测，并对潜在滑坡提出防护，这对保证矿井安全生产具有重要意义。

1 工程概况

贵州息烽磷矿（以下简称“该矿”）始建于1964年10月，生产规模为20万t/a，矿山历经50年的露天开采，最大采矿深度已达761m，现露天开采设计保有资源量即将枯竭，下一阶段主要由露天开采转入地下开采，露天边坡的稳定直接影响矿井未来发展。由于长年露天开采以及周围民办矿的影响，采场边坡外侧出现数条裂缝，局部还出现边坡向外隆起、小型滑坡、滚石等现象。本文在以往研究方法的基础上，采用定量计算，用安全系数表征边坡的稳定性，并对潜在滑坡段提出相应的控制技术措施。

2 影响边坡稳定性的因素

边坡变形失稳不是简单的地应力现象，影响边坡稳定性的因素是错综杂的，根据各种影响因素对边坡作用的性质和特点[3]可将其主要分为内在因素和外在因素两大类。内在因素包括节理、裂隙、断层、软弱面、破碎带等地质构造；外在因素包括地表水的下渗、地下水的贯通、岩石风华作用以及人类工程活动等。

2.1 地质构造

区域构造主要为洋水背斜、核桃坪向斜、F1逆断层及其派生断层等构成区域的总体构造轮廓。洋水背斜长约25km，宽4.5km，轴向NE15°，轴面倾向近东，倾角80°左右，西翼地层倾角40～60°，东翼地层倾角30～50°，有东缓西陡之势。向斜轴向北北东，两翼地层大致对称，向斜轴部地层为三迭系，向两翼分别为二迭系和石碳系地层，因构造影响，东翼地层完整性较差。矿区断裂构造十分发育，走向断层F9、F6断层破碎带中断层角砾岩胶结松散的地段，倾角为40～80°不等，对边坡稳定性有一定影响。

2.2 地层岩性

矿区出露有第四系、寒武系下统、震旦系和南华系等地层，角度不整合、假整合接触，从新至老依次为：

1)第四系（Q）：主要分布在坡鹿及地势地洼地带，由黄色、褐黄色残坡积粘土、亚粘土等组成，厚0～20m。

2)寒武系下统（∈1）：主要分布于Ⅱ工作区的西北部茅盖山、梅子岭一带，由深灰色砂岩、页岩，偶夹薄层灰岩组成，局部夹泥灰岩透镜体，底部为0～1.0m的块状、结核状含磷块岩。

3)震旦系（Z）：震旦系在矿区发育了上统（Z2）及下统（Z1）地层。上统主要为灯影组（Z2dn）地层，下

统主要为陡山沱组（Z1d）地层。根据岩性差异，分为上、下两个部份：

上部为磷矿层（Z1P）：褐灰、蓝灰色、浅灰色致密状、碎屑状、条带状磷块岩。一般厚度4.13～10.24m，平均厚6.09m。下部为灰黄、土黄、黄绿色薄层含磷砂质白云岩，灰绿、蓝绿色中厚层细至中粒含砾砂岩及砂岩组成。其中下部含泥质成份增多，并含较多星点状自形晶黄铁矿颗粒，厚9.6～25m，平均厚14.5m。震旦系岩层底板为白云岩，其间偶夹黄色粘土的地段，整个矿区内均有分布;节理裂隙发育，受构造的影响，岩石较为破碎对边坡的稳定性有一定影响。

4)南华系（Nh2）：仅发育了上统南沱组地层。上部为紫红色粉砂质页岩夹灰绿色粉砂质页岩，下部为紫红色粉砂质页岩及少量变余粉砂岩。

2.3 水文地质

矿区地形切割强烈，为顶板直接进水的岩溶充水矿床。最低侵蚀基准面标高为785m，部分矿体位于最低侵蚀基准面以上，岩体受水侵蚀，其抗压强度、抗剪强度明显降低。

2.4 边坡形态

该矿山潜在不稳定边坡 (BWBP)出现在工业场地东南部，边坡角为35～45°平面形态大致呈层状，与采场底部工业场地相对高差98m，(局部达105m)，边坡上方出现地裂缝，采场边坡小规模滑坡，局部岩体出现掉块、滚石等现象。

通过对该矿边坡地质构造、地层岩性、边坡形态以及水文地质等影响因素进行分析，得出以下结论：

矿区地质构造复杂，已成型的边坡断裂构造发育，破坏了岩体的整体性，对边坡稳定性影响较大；

边坡岩体部分岩层为红色粉砂质页岩夹灰绿色粉砂质页岩，节理裂隙发育，岩石质量和完整性较差，抗压强度和抗剪强度较低，这是影响边坡稳定性的主要内在原因。

边坡较陡，台阶负荷过大，这是边坡失稳主要外在因素。此外，采动影响、地表水下渗以及岩体风化作用对边坡稳定性有一定的恶化作用。

3 基于极限平衡的定量分析

极限平衡分析法是把潜在滑面上的岩体视为刚性材料，根据静力平衡原理分析滑体或滑块在破坏模式下的受力状态，通过对边坡的下滑力与抗滑力之间的关系评价边坡的稳定性［4］，边坡力学分析示意如图1所示：

如图1所示，原始边坡角β为45°，可能滑面倾角α为34°，边坡高度为H1为62m，可能滑动面的内聚力为C，内摩擦角为φ，可能滑体的重量为W，岩体容重为γ

图1 边坡力学分析示意

其力学性能指标参考地勘报告相关资料获得，如表1所示：

表1 边坡岩体的物理力学性能指标

则滑动力T=Wsinα；抗滑力；

边坡稳定系数为：

其中：K为可能滑动危岩体的稳定性系数，其值为可能滑体的抗滑力F与下滑力T之比，李领先等人基于极限平衡法的边坡稳定性计算［5］建立了稳定性评价标准(见表2)；内聚力C，内摩擦角φ值参考地勘报告相关资料获得，取最小值；可能滑面倾角α、边坡角β值、边坡高度H1经现场实测、推断获得(见图1)。岩体容重γ值参考地勘报告相关资料，该矿为2.18m3/t，

将上述各个参数代入（1）式得：

表2 边坡稳定性系数与稳定性评定用语对照表［6］

根据计算出来的可能滑动岩体的稳定性系数，对照表1提供的对照表，该边坡处于“基本稳定”状态。

4 预防措施

采用极限平衡的定量计算结果表明边坡处于“基本稳定”状态，但是后期边坡在地下开采过程中受采动影响、爆破振动以及边坡风化、降水等外在因素影响下，边坡岩体质量和完整性以及抗压强度和抗剪强度将会降低，其稳定性将会受到影响，因此，必须有针对性的对边坡采取相应的防护措施进行预防。

4.1 选择合理的边坡角

考虑到岩石的物理性质、开采技术条件，气候条件以及岩体的地质构造等因素采取分台阶削减潜在危险边坡载荷，降缓边坡角，最终坡面角小于34°。

4.2 减少爆破振动对边坡的影响

合理爆破，减少爆破振动对边坡的影响，适当减少单孔药量和一次最大起爆药量，降低爆破振动对边坡岩体的破坏作用。

4.3 加固边坡

对潜在滑坡地段采用预应力锚索支护、锚杆支护、锚喷网支护主动支护。

4.4 正确处理边坡地表水

由于边坡表层植被被破坏，地表水沿着裂隙下渗可能导致岩石强度发生破坏，在潜在滑坡台阶靠边坡一侧采用水泥砂浆砌筑排水沟，将地表径流引入边坡一侧排水沟排出。

5 结论

1）露天高陡边坡是一个复杂结构体，其稳定性受到多种因素影响。这些因素中包括岩体特性、地质构造、水文特征条件等内在因素，又包括边坡角设计是否合理、采动影响、爆破振动以及地表水下渗等人为因素。

2）边坡稳定在相当长的时间里是一个动态变化的工程地质问题，伴随着整个矿山开采过程。随着矿山的向下延伸，边坡稳定性问题会日益凸显，工程中要实时对工程地质进行勘探对照，对比分析，及时对边坡角进行调整。

3）对潜在危险滑面，采取监控措施，在边坡危险面建立地面临时或永久监测点，定期对监测数据进行对比分析，及时掌控边坡动态，做出边坡变形预报和滑坡预警，及时采取措施。

4）基于极限平衡的定量分析能很好的反应边坡的稳定状态，但是影响岩土体边坡稳定性的因素却是复杂多变的，单一方法不能准确评价边坡的稳定性，因此在工程实际中要采取多方法综合评价的方式。

［1］郑雷.基于层次分析法的矿山边坡稳定性研究[J].矿业研究与开发，2012,28(1)：23-26.

［2］罗湘务.基于层次分析法的土质边坡稳定性评价[J].北方交通，2014，63-65.

［3］王光锐.某磷矿边坡稳定性分析与整治[J].云南冶金，2016，21-26.

［4］门玉明，王勇智，郝建斌等.地质灾害治理工程设计［A］北京:冶金工业出版社，2011.

［5］李领先.基于极限平衡法的边坡稳定性计算［M］.科技信息，2010.12，259.

［6］钟长兵，周月明，郜普涛.青藏高原露天矿边坡稳定影响因素及防治［J］.煤矿安全，2012(7)206.

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