铜山口铜矿露天采场边坡平面破坏研究

王飞飞，邹 平，孟中华，李爱兵，刘正宇，虎万杰，马 增

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012)

岩质边坡中平面滑坡是一种十分常见的破坏模式，它既可以小规模发生，也可达到很大的规模[1]。典型岩质边坡的平面破坏通常是指滑体沿边坡倾向大致相近的单一滑面滑移[2-3]。露天采场边坡在开采爆破、地震等影响作用下可能会发生平面破坏，给矿山安全生产带来隐患。

关于露天采场边坡平面破坏方面，有学者开展了相关研究工作。郑禄璟等[4]综合考虑某露天采场岩体结构面、地表地下水、开挖爆破的影响，提出了多种防护措施，确保了边坡稳定性。王林峰[5]建立了各岩块平面和三维的稳定性计算方法，该计算方法被数值模拟方法所验证，保证了该方法的可靠性。周应华等[6]为了研究边坡中含有非平面破坏的情况，依据具体工程实例，研究了双坡面边坡的滑动破坏模式。张飞等[7]采用现场踏勘、室内试验与数值模拟等三种研究手段对某铁矿边坡产生的3处不稳定滑体进行研究，在采取加固处理措施后，边坡安全系数为1.186，达到了稳定的要求。洪儒宝等[8]以福建某大型露采钨矿边坡为具体工程实例，通过现场工程地质调查和试验研究，提出了矿山边坡的变形破坏模式。李芬等[9]通过建立了不同几何构型的岩质边坡模型，比较了单独折减法与双强度折减法的差异，得到双强度折减法的滑动面范围更小的结论。

根据前期工作得知露天边坡的南部与西部属不稳定边坡，可能在台阶局部产生平面破坏。对于北部和东部属基本稳定边坡。因此，需要对铜山口铜矿南边坡和西边坡的台阶稳定性进行平面破坏分析。为矿山后期安全开采提供参考。

1 矿山概况

西边坡的北侧为大理岩，南侧为花岗闪长斑岩。南侧坡面花岗闪长斑岩有风化，由于台阶狭窄，风化物沿边坡滑落。南侧有运输平台18 m，最窄位置13 m，路面宽10～12 m。目前开采标高为+2～-54 m，坡顶标高为+44 m，已形成了6个台阶，台阶宽度为2～10 m，台阶坡面角为38°～69°，坡顶部的坡面角较大。整体边坡角为46°～53°，略高于设计边坡角。西边坡如图1所示。

图1 西边坡Fig.1 West slope

南边坡面已形成多年，未进行露天剥离等工作。岩性为花岗闪长斑岩，坡底堆有矿石和废石，从下部往上，有三个不连续的平台，上部约24 m无台阶。目前开采标高为-42～-58 m，坡顶标高约为+85 m，已形成了6个台阶，台阶宽度为3～30 m，台阶坡面角为50°～72°。整体边坡角为32°～39°，低于设计边坡角。南边坡如图2所示。

铜山口铜矿床产于花岗闪长斑岩岩株与围岩的接触带及层间构造带中。矿体互相联结，严格受接触带和层间构造控制。矿床由规模不等，形态各异、产状多变的I～Ⅵ号矿体组成。矿体分布范围：北起第2勘探线、南至第17勘探线以南200 m，东至郭家山第19勘探线，西达狮子山第38勘探线。东西长约1 400 m，南北宽约1 200 m。矿体之间彼此牵连互结生长，厚度、品位中等，埋深不大，分布较集中等构成本矿床之特征。另在岩株体内局部地段见有斑岩型小铜矿体。

图2 南边坡Fig.2 South slope

2 平面破坏分析

岩质边坡中平面滑坡是一种十分常见的破坏模式，它既可以小规模发生，也可达到很大的规模。典型岩质边坡的平面破坏通常是指滑体沿边坡倾向大致相近的单一滑面滑移。滑面可能是岩体内发育的构造结构面，如岩层层面、层间软弱面、断层和结构面等。

2.1 分析原理

以安全系数为指标进行边坡平面破坏的定量分析，安全系数的计算采用极限平衡的原理[10]，分两种情况进行计算：坡顶或坡面是否存在张裂缝。计算模型如图3所示。

图3 计算模型Fig.3 Computational model

1)无张裂缝时，安全系数计算公式为：

F=

(1)

(2)

(3)

(4)

2)有张裂缝时，安全系数计算公式为：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：F为安全系数；H为边坡高度；Ψp为边坡角度；Ψf为破坏面倾角；α为水平地震加速度；γr为岩体容重；γW为水的容重；W为破坏面以上岩石楔形体的重量；A为楔形体的底面积；U为破坏面上由水压力引起的浮托力；V为水在拉裂缝中引起的水平力；C为沿滑动面的黏聚力；Ф为滑动面的内摩擦角；T为锚固系统施加的作用力；θ为锚杆的倾角。

2.2 参数选择

根据该矿山边坡不同岩性的岩石力学性质，闪长岩和闪长玢岩属于硬岩，闪长岩和闪长玢岩在力学试验中有得出自然状态参数，结构面参数按照自然状态取值，取值结果见表1。

表1 结构面参数

水平设计地震加速度、垂直设计地震加速度参数及许用安全系数K正常情况：K=1.20；爆破测振时：K=1.10；地震时：K=1.05。

2.3 计算分析方案

对铜山口铜矿边坡台阶平面破坏进行了如下6种受力情况的分析：

I：自重(无张裂缝)；

II：自重(无张裂缝)+爆破振动力状况；

III：自重(无张裂缝)+地震力状况；

IV：自重(有张裂缝)；

V：自重(有张裂缝)+爆破振动力状况；

VI：自重(有张裂缝)+地震力状况。

根据以上6种工况，以加拿大Rocscience公司的RocPlane2.0软件为分析软件，计算平面破坏的台阶稳定性。

3 计算结果分析

依据铜山口现场实际情况与前期研究工作，得知南边坡与西边坡台阶稳定性较差。利用RocPlane2.0软件对铜山口露天采场边坡进行平面破坏的台阶稳定性分析，分析结果经过统计，南边坡台阶稳定性如表2～5所示；西边坡台阶稳定性如表6和表7所示。

表2 南边坡灰岩12 m台阶安全系数

依据表2～7的分析结果可知：

1)对比受力I至Ⅵ条件下南边坡与西边坡在不同优势结构面作用下的安全系数，边坡的安全系数依次降低；在张裂缝、爆破振动力、地震力各影响因素的控制对比下，地震力对边坡稳定性的影响较大，在12 m台阶无张裂缝时，地震力对安全系数降低10.40%，有张裂缝存在时，地震力对安全系数降低10.55%；在24 m台阶无张裂缝时，地震力对安全系数降低10.68%，有张裂缝存在时，地震力对安全系数降低10.82%。

表3 南边坡灰岩24 m台阶安全系数

表4 南边坡大理岩12 m台阶安全系数

表5 南边坡大理岩24 m台阶安全系数

表6 西边坡灰岩12 m台阶安全系数

表7 西边坡灰岩24 m台阶安全系数

2)南边坡与西边坡台阶高度为12 m下，坡面角≤75°时，6种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏；从计算数据来看，坡面角仍有大于75°的可能，但综合考虑矿山的实际情况，及安全风险，选取坡面角为75°。

3)南边坡与西边坡台阶高度为24 m下，坡面角≤75°时，6种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏。

因此，建议在台阶并段开采(24 m)时，其台阶的坡面角为75°。

4 结论

采用RocPlane2.0分析软件对铜山口铜矿南边坡与西边坡台阶进行了平面破坏稳定性研究。得到以下主要结论：

1)受力在I至Ⅵ条件下，边坡的安全系数依次降低；在张裂缝、爆破振动力、地震力各影响因素的控制对比下，地震力对边坡稳定性的影响较大。

2)南边坡与西边坡台阶高度为12 m，坡面角≤75°时，6种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏；台阶高度为24 m，坡面角≤75°时，6种受力情况边坡的安全系数均大于许用安全系数，边坡台阶不会发生平面破坏。

3)建议在台阶并段开采(24 m)时，其台阶坡面角取75°。