露天矿节理参数敏感性研究及边坡稳定性分析

黄笃学 董 鑫 王建曦 杨天鸿 王少泉 何 祥

（1.河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山063009；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819；3.中冶北方工程技术有限公司，辽宁大连116622）

新疆金宝露天矿为陡倾层状节理岩质边坡，随着开采深度不断增加，一些不利于边坡稳定性的节理逐渐揭露出来。这些节理的分布、位置、发育程度以及充填介质直接影响着岩体的物理力学参数。该类节理的脆弱性易使边坡失稳由其开始发展，最终形成宏观断裂并导致贯通滑移面形成［1-4］。在这些节理的影响下，金宝露天矿现场出现了顺层破坏、楔形破坏、屈曲破坏、倾倒破坏、顺层滑移—剪断破坏等多种破坏模式，对矿山生产与人员安全造成了严重威胁。为提高金宝矿生产的安全性，有必要研究岩石节理对边坡稳定性产生的影响，并对矿山的关键边坡进行稳定性分析和评价。

近年来，有关岩石节理对边坡稳定性影响的研究，研究学者们进行了大量卓有成效的工作。吴顺川等［5］采用系统聚类法准确地给出了岩体节理的分类方案，并结合边坡参数运用赤平极射投影法直观地判断出边坡潜在的失稳模式；冯树荣等［6］在研究节理岩体边坡失稳破坏时，推导出了2组平行节理的稳定性计算公式，并编写了相应的运算程序，为分析2组平行节理边坡的稳定性提供了新思路；潘皓等［7］采用正交试验法分析了双节理岩质边坡稳定性的影响因素，并依据权重大小对各个影响因素进行了排序；周子涵等［8］通过建立自重应力作用下断续节理岩质边坡失稳的尖点突变理论力学模型，研究了节理参数对边坡稳定性的影响规律；李克钢等［9］考虑了岩体爆破扰动产生的节理裂隙对边坡稳定性的影响，采用强度折减法对受到不同程度扰动的矿山边坡进行了稳定性分析；简文彬等［10］通过制作室内节理岩体边坡模型并加载循环震动荷载，研究了节理对边坡稳定性的影响；程爱平等［11］采用斯皮尔曼等级相关系数分析了边坡岩体强度及变形参数与现场调查获得的节理参数之间的相关关系；王宇等［12］在研究反倾层状边坡变形破坏机制的过程中采用了phase2 软件的节理有限元法（JFEM-SSR），在实际工程案例应用中取得了良好的效果；郭双枫等［13］将正交试验法引入到节理岩质边坡中，并对8个边坡参数进行了敏感性分析和排序。

综上分析，现阶段有关岩石节理对边坡稳定性的影响研究已经取得了不少成果，但在有限元中使用摩尔-库伦准则来分析节理力学参数的敏感性涉及较少。本研究采用正交试验法，量化节理倾角、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度、刚度对滑坡概率的贡献程度，并结合具体的边坡剖面，基于有限元极限平衡法进行模拟计算并进行边坡稳定性评价。通过金宝露天矿边坡节理参数对稳定性的影响规律研究与边坡稳定性分析，可以采取针对性的治理措施（加固边坡），从而保证矿山人员、设备的安全，进一步降低矿山事故发生概率，并为后续的开采、防护、建设等工作提供可靠依据。

1 金宝铁矿概况

金宝铁矿位于阿勒泰市南东75 km、距富蕴县城北西约70 km 处，矿区中心点坐标为东经89°01′28″、北纬47°31′09″，长2 000 m、宽约650 m。矿区行政区划上隶属新疆维吾尔自治区阿勒泰地区富蕴县库尔特乡管辖。矿区北东和南西两侧地形受切割影响严重，沟谷多呈“V”型；矿区地形切割较浅，沟谷多呈“U”型。矿区地貌由构造剥蚀和构造侵蚀作用形成，区内最高海拔1 287 m，最低海拔1 072 m。矿区露天采场及典型剖面如图1所示。

根据现场调查，近几年矿区发生了数次小型滑坡、变形现象，例如199#～203#线1 152 m 平台上出现约220 m 长裂缝，裂缝宽度为12～18 cm。该矿边坡破坏属于陡倾层状岩质边坡破坏模式，边坡变形破坏呈现出强烈的各向异性特征，现场破坏模式复杂多样，顺层破坏、楔形破坏、屈曲破坏、倾倒破坏、顺层滑移—剪断破坏均有发现。随着往深部开采，边坡北帮垂直高差达196 m，南帮垂直高差达130 m，台阶坡面倾角为65°～68°。本研究采用3GSM 摄影测量技术对该矿进行了整体结构面调查与分析，以北帮1 152 m 标高处的测点12 数据为例，在获得每组结构面信息的基础上进行了数理统计分析［14］，获得的结构面产状、间距、迹长等几何参数如表1 所示。

经过结构面测试确定第一组结构面共32 条，线密度为0.65 条/m；第二组结构面共117 条，线密度为1.05 条/m；第三组节理结构面共26 条，线密度为0.72条/m，则测点12 的结构面密度为2.42 条/m³。该测点处的台阶坡面倾向、倾角分别为214°和68°，该区域的岩性为变粒岩、局部片麻岩，内摩擦角约38°。在绘制出的极射赤平投影图的基础上添加了边坡基本信息（如倾向、倾角、内摩擦角），运用DIPS 软件的运动学分析（Kinematic Analysis）功能［15］对该区域边坡进行分析，结果如图2所示。

由图2可知：该区域边坡发生平面破坏的概率为0，发生楔体破坏的概率为6.31%，发生倾倒破坏的概率为14.86%。从概率数值上来看，该区域边坡有发生倾倒破坏的可能性，这与现场实际考察情况基本相符，即在陡倾节理倾向与边坡倾向近似一致的情况下，该区域陡倾节理面具有发生倾倒—拉裂的破坏模式。

2 岩体力学参数获取

2.1 常规岩石力学试验

本研究常规岩石力学试验以《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）为基准，主要包括岩石单轴抗压强度和变形试验、岩石抗拉强度试验和三轴压缩试验，通过对试验数据进行整理分析并按不同的岩性进行分类汇总，获得各组岩性的力学参数如表2 所示。

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2.2 各分区岩体力学参数

露天边坡分布范围大，各区域边坡几何要素、地质构造差异较大，因而其变形破坏模式亦有所差别。为准确获取边坡评价信息，需对整个露天采场进行边坡分区，其原则是将工程地质条件、边坡几何要素和边坡面倾向基本一致的区段划为同一区［16］。结合本研究工程地质调查结果，将露天边坡分为5 个分区，编号为I～V 区。考虑到Ⅲ、Ⅳ区域的边坡高度大、跨度长，控制两个分区不同区域的边坡稳定情况存在差异，故将Ⅲ、Ⅳ区域按照岩体工程地质条件各分为3 个亚区，即III-1、III-2、III-3 区和IV-1、IV-2、IV-3 区。边坡工程地质分区结果如图3 所示。

宏观上来看，边坡岩体是由岩石与结构面构成，由于工程岩体的强度在自然条件下被大大削弱，因而通过本研究岩石力学试验获得的力学参数需经过一定的折减方可应用于工程实践。本研究采用费辛柯法、格吉（M.Georgi）法和Hoek-Brown 法［17］综合分析得出的Ⅳ分区计算所需的岩体力学参数如表3 所示。

3 节理参数敏感性研究

在使用摩尔-库伦准则来分析节理力学方面特性时，节理黏聚力、内摩擦角、抗拉强度、刚度的取值较为关键。正交试验法基本步骤有：①使用正交表安排测试；②全面比较测试结果；③获得最佳匹配方案；④敏感性排序［18-20］。正交试验设计表的设计原则是均衡分散搭配，综合比较分析试验结果［21］。本研究运用正交试验法时，需不断改变节理参数（倾角、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度和刚度），每个因素共有5 种情况，即需设计六因素五水平的正交试验表并预留空白列，记为L25（56），采用Phase2 软件的JFEMSSR 法对节理展开分析。具体水平参数取值及方案设计如表4所示。

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本研究采用Minitab 软件进行正交试验分析时，只需输入试验结果便可得到方差分析数据，如表5所示。设置置信区间为95%，即显著性水平α为0.05。

注：P＜0.01，表示影响极显著；0.01≤P＜0.05，表示影响显著；P≥0.05，表示影响不显著。

方差分析法可用于进一步估计误差的大小，精确估计各因素在试验结果中的贡献情况。由方差分析法初步观察P 值可知：倾角的影响极为显著，其次为黏聚力和内摩擦角，抗拉强度和刚度对其几乎无影响。所以在节理岩质边坡中，采取相关措施（如疏干排水以减少对节理面的弱化作用或施加抗剪锚杆以增强节理面的闭合状况同时又提供相应的抗剪力）控制节理的内摩擦角和黏聚力，对于边坡稳定性至关重要。

4 金宝铁矿边坡稳定性分析

Ⅳ区边坡位于露天采场中部南帮，属于地质条件相对较差的高陡边坡，本研究选取Ⅳ-1 剖面构建现状境界边坡的有限元节理模型，分析边坡的破坏模式，再运用极限平衡法分别考虑3种荷载组合下的现状境界的边坡稳定性情况。对该剖面所建立的有限元节理网络模型如图4所示，模型下部长507 m，右侧高度为230 m，左侧高度为380 m，模型共划分为56 877 个单元网格，34 395 个节点，节理采用平行统计模型（陡倾节理倾角75°，间距负指数分布6 m，迹长对数正态分布50 m，连通率正态分布0.5；缓倾节理倾角25°，间距负指数分布6 m，迹长正态分布50 m，连通率正态分布0.5）。

该区域受控于F3断层，其强度较低，潜在的滑坡模式为上部沿F3断层滑移，下部沿缓倾结构面从坡脚剪出破坏。根据有限元模拟计算得到开挖后边坡的变形、应力分布，绘制了如图5 所示的边坡表面位移变化曲线图。由图5 可知：在1 128 m 平台F3断层出露处为位移突变点，当临界系数为1.33 时，由于断层的存在导致位移直接由0.18 cm 突变到4.47 cm，即边坡由此处开始失稳，从1 080 m平台的坡脚处剪出。滑坡区的范围略小于滑坡影响区的范围，表明该区域边坡的潜在危害具有很强的延续性，随着距离不断加大，边坡的影响逐渐减弱直至消失。

根据矿山边坡现状，边坡发生破坏将影响矿区正常生产，有可能造成人员重大伤亡及财产损失。因此，根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）规定，边坡稳定性系数在不同的安全等级下因荷载组合的不同而不同。而边坡设计稳定性系数是衡量边坡稳定性的最终定量指标，它与边坡治理工作内容的原理、方法、代表性以及各项定量参数取用、边坡高陡程度和服务年限、工程重要等级相关。本研究选定的边坡工程设计稳定性系数如表6所示。

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Ⅳ-1 剖面现状边坡高度136 m，边坡角为44°～53°。如图6 所示，在3 种工况下，M-P 法计算结果表明，Ⅳ-1 剖面现状边坡整体稳定性系数大于1.20，反映出该区域现状边坡整体虽处于稳定状态，但从现场实际调查来看，边坡受褶皱的影响较大，区内受斜长角闪岩、F3断层和褶皱层面控制，局部滑塌、屈曲破坏较为突出，该区域局部组合台阶边坡处于基本稳定状态，安全储备不足，建议开展治理工作清理危岩，并加强监测、巡检、安全警示等工作。

5 结 论

（1）通过现场地质踏勘并由DIPS 软件定性分析可知：新疆金宝铁矿1 152 m 标高处发生倾倒破坏的概率为14.86%，这一点与现场实际考察结果较为相符。

（2）由方差分析法初步观察P 值可知：矿区节理倾角的影响极为显著，其次为黏聚力和内摩擦角，抗拉强度和刚度对其几乎无影响。

（3）由JFEM-SSR法识别出Ⅳ-1剖面边坡的潜在破坏模式后，经过M-P法计算，认为Ⅳ-1剖面现状边坡处于稳定状态。