基于极限平衡法的采场边坡安全稳定性研究

王瑜，戴兴宇，郭健

（鞍钢集团矿业设计研究院，辽宁 鞍山 114004）

目前，全国有5万多座露天矿，随着开采的进行，边坡高度增加，条件越来越复杂。露天矿采场边坡安全稳定性问题是关系整个矿山能否安全高效开采的关键问题。做好露天矿采场边坡的安全稳定性研究工作，预测采场边坡的安全稳定性状态，有助于防止地质灾害的发生，从而为矿山安全生产打下坚实的基础。但是，目前国内露天矿的设计参数主要注重经济效益的考量，对采场边坡的安全稳定性不够重视，或由于客观条件制约流于形式，缺乏时效性、即时性。因此，我国露天矿采场迫切需要一种低成本、简单便捷且易于理解的采场边坡安全稳定性判定方法，文中即提出了这样一种方法。

1 简化Bishop法

根据《GB51016-2014非煤露天矿边坡工程技术规范》要求：边坡稳定性计算应以极限平衡法为主，以安全系数作为主要评价指标。在众多边坡稳定性分析方法中，极限平衡法是最主要、最通用的分析方法，并被各国广泛采用[1]。简化Bishop法是极限平衡法中既简单又实用的一种方法，所以在边坡稳定性分析计算中得到广泛应用，并且是计算圆弧滑动面安全系数最好的方法之一[2]。简化Bishop法假定条块间相互作用力水平，即不考虑条块间的剪力，只考虑条块的垂直平衡及对圆心的力矩平衡。经过国内外大量的边坡稳定性分析实例的计算结果表明，由简化Bishop法计算得出的圆弧滑动面的安全稳定性系数与严格条分法所得出的安全系数误差很小，只有大约3%～4%。鞍钢齐大山铁矿矿区为单斜构造，倾向南西，倾角在70°～90°，因此，文中采用简化 Bishop 法[3]对齐大山铁矿采场边坡安全稳定性进行分析。

2 齐大山铁矿采场安全稳定性分析

2.1 齐大山铁矿采场概况

辽宁省鞍山地区的铁矿床受鞍山穹隆的控制，从樱桃园、齐大山经胡家庙子、西大背、关宝山、大砬子、眼前山、谷首峪越过千山花岗岩占据的部位，由西北向弧形弯曲，转为与大孤山、黑石砬子、东鞍山、西鞍山相连，构成围绕铁架山的半环形分布[4]。鞍山地区铁矿分布简图见图1。

图1 鞍山地区铁矿分布简图

齐大山铁矿位于齐大山处，是鞍钢集团铁矿石原料生产基地之一。矿区铁矿开采可以追溯到1914年，当时的开采对象是富矿，采用地下开采方式，1945年停采。解放后，上述地采坑道恢复生产，但又相继于1965年和1967年闭坑。矿区露天开采贫铁矿始于1969年，1970年投产，1975年正式建成大型露天矿。

2.2 矿岩物理力学性质

根据相关文献及齐大山铁矿采场边坡实际情况，本次计算主要考虑三种岩性：矿体、岩体、结构面，其中矿岩物理力学性质指标见表1。

表1 矿岩体物理力学指标

2.3 区域地震和场址区地震活动性

根据相关文献记载，本地区1976年发生地震102次，最大震级5.8级，震中位于海城、鞍山、韩家峪等地；1977年发生34次地震，最大震级2.4级；1978年地震活动减弱；1988年7月发生一次5级地震；1989～1990年轻度地震非常频繁；1999年4月发生一次 3.5级地震[5]。

根据《GB18306-2001中国地震运动参数区划图》《GB50011-2001建筑抗震设计规范》附录A及《GB50191-93构筑物抗震设计规范》，排土场及新征地所在区域抗震设防烈度为7度区，设计基本地震加速度值为0.1 g，Ⅱ类场地土特征周期T为0.35 s，所属的设计地震分组为第一组。

根据区域地质构造资料和历史地震资料分析，场区及其附近无活动性断裂构造通过，没有发生过大的地震活动，因此，采场所在场地属于抗震有利地段。

2.4 边坡安全稳定性分析

根据《GB51016-2014非煤露天矿边坡工程技术规范》关于采场边坡安全稳定性的陈述：边坡稳定性计算应以极限平衡法为主，以安全系数作为主要评价指标。

由于极限平衡法应用广泛且简单，因此在边坡稳定性分析中具有不可替代的作用。极限平衡法的主要思想是以莫尔—库伦抗剪强度理论为基础，按某种规划将滑动趋势范围内的边坡岩体划为一个个小块体，通过块体平衡条件建立整个边坡平衡方程。

文中选用Bishop法对齐大山铁矿采场边坡进行稳定性分析，岩层含水简单，这里不予考虑。

针对齐大山铁矿采场的34个边坡剖面，利用Geostudio岩土工程软件中的SLOPE/W模块建立力学模型。

各采场边坡剖面极限平衡安全系数在考虑爆破振动和水的影响时，边坡安全稳定性系数按20%折减[6]，各剖面极限平衡安全系数见表2。

表2 各剖面极限平衡安全系数

从表2中可以发现，采场各边坡剖面的安全系数大于《GB51016-2014非煤露天矿边坡工程技术规范》规定的关于边坡工程安全等级Ⅰ，荷载组合Ⅱ的边坡工程设计安全系数范围值（1.18,1.23）。

3 二维条件下，描述三维环境中的采场边坡安全稳定性

3.1 方法步骤

该方法简单易行，步骤如下：

（1）在众多安全系数中选择一个最小值。

（2）将该安全系数描述的剖面和其两侧剖面安全系数求三者均值，如果是端部，则将该安全系数描述的剖面和其一侧剖面安全系数求二者均值。

（3）重复（1），直到计算得到的安全系数最小为止。

3.2 应用举例

3.2.1 采场东面边坡稳定安全系数确定

以表2采场东面边坡稳定安全系数为对象，按步骤 （1） 在17个剖面中确定460东、860东剖面安全系数最小为1.595；按步骤 （2）计算260东、460东、660东、860东、1060东剖面安全系数的均值，5个剖面安全系数的均值为1.601；

采场东面边坡稳定安全系数为1.601，根据《GB51016-2014非煤露天矿边坡工程技术规范》规定齐大山铁矿采场边坡安全等级是Ⅱ，边坡工程设计安全稳定性系数范围值应为（1.18，1.23），齐大山铁矿采场边坡安全稳定性满足规范要求。

3.2.2 采场西面边坡稳定安全系数确定

以表2中采场西面边坡稳定安全系数范围值最小值为对象，按步骤（1）在17个剖面中确定1 580西、1 160西、860西、460西安全系数最小为 1.255；按步骤（2） 计算 1680 西、1580 西、1480西剖面安全系数均值为1.275，计算1260西、1160西、1060西剖面安全系数均值1.268，计算1060西、860西、660西剖面安全系数均值为1.262，计算660西、460西、260西剖面安全系数均值为1.262。

采场西面边坡稳定安全系数为1.262，根据《GB51016-2014非煤露天矿边坡工程技术规范》规定齐大山铁矿采场边坡安全等级是Ⅱ，边坡工程设计安全稳定性系数范围值应为（1.18，1.23），齐大山铁矿采场边坡安全稳定性满足规范要求。

4 结论

文中按照规范要求的方法，对齐大山铁矿采场边坡进行稳定性研究。在此基础之上，将二维条件下的稳定性研究，转化描述三维环境中的采场边坡安全稳定性。采场边坡安全稳定性属于安全生产范畴，关乎人民生命健康财产安全，在当前国情、经济环境、社会环境、管理者素质、干部职工人员认识等诸多条件下，摸索低成本、简单便捷且易于理解的采场边坡稳定性评定方法及低成本且执行简单的治理方法具有重要的现实意义。

[1] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]2版.北京:中国水利水电出版社，1995．

[2]姜德义，朱合华，杜云贵．边坡稳定性分析与滑坡防治[M]重庆：重庆大学出版社，2005.

[3]陈思帆，王少宇，姜福川．兰尖铁矿露天采场边坡稳定性研究[J]．黄金，2014：10-12.

[4]王瑜．基于地质统计学的关宝山铁矿品位模型基础储量估算[J]．盐城工学院学报， 2016（3）： 40-42.

[5]鞍钢矿山设计院.齐大山铁矿矿床地质勘探总结报告[R]，1978．

[6]刘治中，刘太合．齐大山铁矿北采边坡治理稳定性分析[J]．矿业工程，2005： 6-8.