河南省大型建材矿山露天开采边坡稳定性分析

彭建谋 吴会军 姚俊伟 杨 健 熊永亮 赵传鹏

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

河南省大型建材矿山露天开采边坡稳定性分析

彭建谋 吴会军 姚俊伟 杨 健 熊永亮 赵传鹏

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

文章统计了河南省大型建材矿山的地质条件和采场要素，分析了露天开采边坡稳定性的主要影响因素，讨论了极限平衡法与强度折减法在露天边坡工程中的应用，为矿山露天开采边坡稳定性计算提供参考。

建材矿山；边坡稳定性；影响因素；露天开采

0 引言

边坡稳定性是露天矿重大安全工程，其影响因素主要分为自然因素、地质因素及人为因素三大类[1]。文章以河南省大型建材矿山为对象，统计露天矿山矿体特征、地质条件和采场要素，分析河南省大型建材矿山边坡稳定性的主要影响因素，并讨论极限平衡法和强度折减法的工程应用，为类似矿山露天开采边坡稳定性的计算提供参考。

1 河南省大型建材矿山开采技术条件及采场要素

1.1 开采技术条件

河南省内水泥灰岩矿床属海相沉积矿床，矿层多为厚层状—巨厚层状，呈层状产出，矿岩较稳固，整体性好，岩石坚硬。矿床赋存层位由北向南为奥陶系中统、寒武系中统、下古生界二郎坪群、上元古界苏家河群等。水泥灰岩矿床一般开采技术条件简述如下:

1）水文地质条件

省内灰岩矿层一般透水而不含水，大气降水多由地表直接下渗补给，在含水岩组内短暂停滞后，沿裂隙、岩层层面排泄。大气降水为大部分矿床的唯一充水因素。水文地质条件属简单-中等类型。

2）工程地质条件

省内水泥灰岩矿床地层多呈单斜层状产出，各工程地质岩组为坚硬、半坚硬岩石，抗压抗剪强度较大，岩性组合简单，地质构造简单。部分矿床有软弱夹层，且有断层穿过，对矿床边坡稳定性有一定影响。大部分矿床矿岩力学强度高，致密坚硬，岩溶不发育，稳固性较好，工程地质条件多属简单类型。

3）环境地质条件

河南省地震烈度多为VI-VII度区，大部分地区较稳定。环境地质条件多属简单类型。

省内主要水泥灰岩矿矿体产状及开采技术条件见表1。

1.2 一般采场要素

据统计，省内露天建材矿山采场台阶高度15 m，安全平台宽4 m，清扫平台宽8 m，安全平台、清扫平台隔一设一，最终台阶坡面角:土质边坡45°，岩质边坡70°，最终边坡角56°左右。

2 露天开采边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定性影响因素分析

河南建材矿山几乎全为露天开采，由于采矿场地不可选择性、矿体赋存空间的限制和地域特点，影响边坡稳定性的因素非常多，但主要可以分为三类：自然因素、地质因素和人为因素。

2.1.1 自然因素

1）降水。水对边坡稳定性的影响很大，降水量大的地区较之干旱地区滑坡数量多，发生频繁，灾害严重。河南省南北横跨550 km，地处暖温带与亚热带，年平均降水量约为500～900 mm，南部及西部山地较多大别山区可达1 100 mm以上。全年降水主要集中在夏季，常有暴雨。

2）地震。高烈度区地震的频繁发生，使边坡应力状态多次改变，岩体破碎，裂隙发育，地下水下渗，边坡滑移面强度降低。地震增加了下滑力，使边坡体产生滑动。据国家地震局武汉地震大队编制的《地震危险区划分地震裂度区划图》，河南省一般为VI-VII度区，基本加速度值 0.05～0.10 g。

3）河流冲刷。河流下切和冲刷，削弱边坡坡脚的支撑力，改变了边坡的应力状态，引起滑坡。河南建材矿山受河流冲刷很少。

2.1.2 地质因素

1）岩土的性质

影响边坡稳定性的岩土性质主要包括岩土的坚硬程度、抗风化能力、岩石抗剪强度及透水性能等。河南建材矿山矿岩均属坚硬类岩石，但大部分矿山局部有第四系覆盖。

2）岩层的结构及构造

根据边坡体的各种岩土层、结构面的产状及其与边坡面的关系，将边坡结构分为类均质结构、近水平层状结构、顺坡向结构面、顺倾层状结构、反倾层状结构、块状结构和碎裂结构，其中顺坡向结构面及顺倾层状结构对矿山边坡稳定性的影响最大。

地质构造造成岩层褶曲和断裂、节理裂隙发育,为岩体滑动的产生创造了结构条件，也为地下水活动提供了通道，地下水软化潜在滑动带地层，降低其强度，从而影响了边坡的稳定性。有的边坡滑动带就是沿着断层和错动带发育的。

3）地下水条件

绝大多数边坡滑坡或多或少有地下水的作用。边坡滑动带常常是隔水层，受水长期作用而软化，强度降低，这是边坡滑坡形成的必要条件。地下水的另一作用是增大边坡体重力，形成静水压力和边坡体中形成动水压力而增加下滑力，导致边坡的破坏。河南北部、中部建材矿山一般受地下水影响较小，南部凹陷露天矿（如确山独山石灰岩矿）受地下水影响很大。

2.1.3 人为因素

1）坡脚开挖。在矿山开采过程中形成边坡，改变了自然坡体的应力状态和地下水的渗流场，引起山坡滑坡。

2）边、斜坡上堆载。排土场选址不合理，位于边坡上方，且距离较近；或者斜坡上堆载，增加下滑力，在地下水发育的地段，造成沿老地面整体或局部滑动，形成滑坡现象。

3）采空塌陷。露天采场之下有地下开采遗留的采空区，或露天、地下联合开采，造成露天边坡体应力变化，引起边坡体向临空面滑动，致使位于阶地上的设施严重变形。

4）爆破振动。爆破振动引起露天矿边坡失稳滑动比较常见，它虽不如地震影响大，但对局部边坡的稳定性影响不可忽视，尤其是大药量爆破，不仅削弱了坡脚支撑力，而且破碎了边坡岩体，造成边坡体松弛，使地表水下渗软化带引起滑坡。

5）植被破坏。植被是边坡的保护层，其根系对表层土有加固作用，枝干和树叶减少降水下渗，有增加蒸发的作用，减少坡体地下水量，对边坡稳定是有利的。大量开挖破坏植被，不仅对环境保护不利，对边坡稳定也不利。

6）采场要素设计不合理。台阶高度、台阶坡面角、安全平台、清扫平台宽度参数设计不合理，致最终边坡角过大，采场滑坡危险性高。如果边坡高度超过100 m，并且为岩层内倾型边坡，采场滑坡危险性更高。

2.2 边坡稳定性计算[2-3]

根据河南省大型建材矿山特征，选用较为成熟可靠的极限平衡法和强度折减法计算边坡稳定性，计算结果为安全系数和对应最危险滑动面，一般步骤为确定计算参数、选择计算方法、软件求解。

2.2.1 计算参数

根据边坡稳定性影响因素分析，确定主要计算参数:①自然因素：地下水（水位、水头）降雨量、地震加速度；②地质因素：岩体力学参数抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、体重等；③人为因素：边坡几何参数边坡高度、边坡角、安全平台、清扫平台宽度等。

2.2.2 计算方法

1）强度准则

边坡工程稳定性分析由土力学发展而来，以材料力学与弹塑性力学为基础，形成Mohr-Coulomb强度准则；随着对岩体强度受结构面影响的认识，边坡分析由静态的圆弧形破坏逐步扩展到受各种结构面形式控制的破坏模式分析，包括平面剪切破坏、楔形体破坏、倾倒破坏等，形成Hoek-Brown强度准则。近年来，流变学、断裂力学、非连续介质力学和非线性理论在边坡工程引入应用，形成其他强度准则，如Drucker-Prager准则、Griffith准则，但在工程中应用偏少。

工程计算中岩体破坏的强度准则主要为①Mohr-Coulomb准则:公式简单，参数易获取，适应于弹塑性破坏，但忽略了中间主应力对岩石真三轴强度的影响；②Hoek-Brown准则:考虑岩块强度、结构面强度、岩块结构等因素，能反映岩块的非线性破坏，对拉应力及低应力区有较好的适应，没有考虑中间主应力对岩石真三轴强度的影响。

2）数值方法

极限平衡法将滑体划分为若干条块，引入Mohr-Coulomb准则，对滑动面和条块间作用力方式作假定，建立条块的力或力矩平衡方程，求解边坡安全系数表达式。该方法原理简单、便于应用，结果直接明了。在矿山边坡工程中应用最早、经验最多。当滑动面未知时，需要先搜索最危险滑动面，求取对应最小安全系数。一般选用瑞典法、Bishop法、Janbu法、余推力法等，计算软件为GeoStiudo Slope、Slide、北京理正等软件。

强度折减法利用有限元软件，建立三维几何模型，进行网格划分，求解刚度矩阵。可以得到边坡内应力状态及塑性区分布，通过对岩体参数不断折减，当计算不收敛时，认为岩体边坡达到临界破坏状态，此时用定义的折减系数来表达安全系数。该方法不需要假定滑动面形状，适用于边坡岩体复杂的条件。有限元软件多采用ANSYS、COMSOL Multiphysics等软件。当采用有限差分法时，将计算过程中的微分算子用差分代替迭代求解[4]，对计算资源需求较小，常用软件为FLAC3D，该方法在三维复杂边坡计算中应用最多。

其他非线性科学方法如可靠度分析和模糊综合评价等理论研究逐渐深入，但工程实践中应用仍然偏少，缺少应用案例对比。

极限平衡法因结果直观、简单易用，应用较多；强度折减法无须假定滑动面形态，适应性强，可以考虑复杂地质条件及复杂地形地貌,应用效果较好。

2.2.3 安全系数判定标准

根据 《滑坡防治工程勘查规范》GBT 32864—2016，滑坡稳定状态按表2确定。露天矿边坡一般综合取用最小允许安全系数在Fs=1.15～1.50之间。

表2 滑坡稳定性状态划分

我们在河南省焦作谷堆后水泥灰岩矿、井沟水泥灰岩矿采用上述计算方法，计算结果边坡较稳定，与现场情况符合较好。

2.3 边坡管理措施

1）采场边坡设计参数，要根据岩层倾向倾角，通过计算（或类比）选择台阶高度、平台宽度、最终台阶坡面角和最终边坡角，且符合开采设计及有关规范、规程的要求。

2）采取自上而下分台阶开采，禁止一面墙式开采及掏底开采。

3）预防水对土坡的冲蚀，修筑截、排水沟，土质坡面种植草木。对软弱结构面、局部破碎地段，可喷射混凝土护坡。

4）边坡上部覆盖的松散岩石层厚度超过2 m时，对其进行削坡至45°。边坡上方禁止堆放排弃废石废土。

5）临近最终边坡时，应采用控制爆破技术，减少爆破对边坡的影响和对围岩的扰动，使采场最终边帮稳定。

6）健全边坡安全管理制度，建立边坡长期定点观测制度，对潜在变形和滑动的地段，设置专门观测点，定期观测，作好记录。

3 结论

1）河南省露天建材矿山边坡稳定性主要影响因素:①降水:豫南及豫西局部山地降雨量大，受降水影响；②岩土性质:河南建材矿山矿岩坚硬，但大部分矿山地表有第四系覆盖，受软弱表土影响；③结构及构造:河南大部分建材矿山存在顺坡向结构面及顺层状结构，部分边坡受结构面影响；④地下水:豫南个别矿山凹陷开采受地下水影响；⑤边坡上方载荷:边坡上方排土或堆物增加边坡荷载，产生不利影响；⑥采场要素:边坡参数设计不合理造成最终边坡角过大或边坡高度过高，产生不利影响。

2）根据河南省大型建材矿山主要影响因素，选用极限平衡法和强度折减法计算边坡稳定性，计算豫北建材矿山边坡较稳定，与现场情况较符合。

3）露天建材矿山边坡管理对策措施:认真执行开采设计方案，严格落实采场设计要素，疏水排水，减小边坡荷载,控制爆破振动对终了边坡的影响，加强边坡监测工作。

[1]王运敏.现代采矿手册[M].冶金工业出版社,2012.

[2]栾婷婷,谢振华,等.露天矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术[J].中国安全生产科学技术,2013,9(4):11-16.

[3]姚江强,朱晓娥.基于有限元强度折减法的某边坡稳定性分析[J].广东建材,2017,33(1):54-57.

[4]周世良,王义山,等.基于有限差分法的边坡稳定影响因素分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010,29(5):737-740.

文章研究工作依托2016年度河南省科技攻关项目，项目编号:162102210385。