银山矿露天边坡稳定性分析

漆佳裕，杨朝云，涂欣强，刘亚玮，周 鹭，陈 斌

（江西铜业集团银山矿业有限公司，江西 德兴 334200）

1 引言

工程地质分区的目的在于定性描述和定量计算各个分区的稳定性，在此基础上得出各个分区边坡安全系数，并为后续的开采和边坡监测提供参考。由于银山矿区地质构造和外部条件影响，岩体内留下了大量方向不同、尺度各异的破裂结构面。破裂结构面是岩体中强度最低、抵抗变形能力最弱的部分，它们的存在导致了岩体整体力学性质的显著弱化和强烈的各向异性［1］。岩体力学强调，岩体的变形和破坏在通常情况下是结构面及其网络的变形与破坏，主要通过结构面的张开和剪切变形来实现。为了充分了解矿区各区域岩体节理的外观质量以及分布状态，得出各区域结构面产状的优势方位，对整个矿区已揭露区域结构面进行系统调查，为银山矿区边坡岩体质量评价和工程地质分区提供基础参数。

银山矿露天采场边坡工程地质分区不但要反映地层和构造，还要根据边坡工程的特点，反映矿区各边坡不同部位的稳定性［2］。根据边坡工程周围的地形地貌、地层岩性、边坡产状等信息，结合采场出露边坡的现状节理裂隙调查、岩体完整性调查、历史详勘钻孔的RQD值等定量和定性评价指标，建立矿岩体与露天坑关系的工程地质模型，统计优势结构面与露天边坡关系，对银山矿露天采场进行了工程地质分区。分区处理过程中，兼顾考虑了断层节理、水文地质情况等工程因素和地质因素。最终，银山矿露天采场分为5个地质特征区，分区见图1所示。

2 工程地质分区及特征描述

1区位于采场南帮，岩性以千枚岩为主，坡脚部分区域为英安斑岩和小部分石英斑岩。边坡面平顺，呈东西走向，已形成最大边坡高度超过300m的高边坡。边坡面局部出露有原井下采空区和巷道，同时受多组断层和优势结构面影响，局部边坡发生过滑坡、崩落、塌陷等地质灾害。坡体内发育2条规模较大层间断层，断层1出露长度约120m，倾向约290°～320°，倾角约45°～55°。下部与节理8（300°∠60°，出露迹长约40m）形成楔形体，造成了该处发生岩质滑坡。断层2出露长度约105m，倾向约 280°～300°，倾角约 60°～70°，下部出现厚度约2-3米的夹泥段。边坡千枚岩片理发育，主要发育有2组节理：一组倾向约295°～320°，倾角约50°～60°；另一组倾向约 355°～015°，倾角约50°～60°。

2区位于采场北东帮，岩性以千枚岩为主，坡脚部分区域为英安斑岩，且含小部分石英斑岩。局部风化严重，坡顶附近有较厚坡积层，厚度达30～40m，岩体较破碎，已形成最大边坡高度近300m的高边坡，该区边坡面平顺，呈南北走向［3］。千枚岩片理发育，呈现一组倾斜节理，解算产状为139°∠40°。构造裂隙较发育，岩体较破碎。局部边坡发生过楔形体滑坡等地质灾害。

3区位于采场北帮，岩性以千枚岩为主，边坡面平顺，呈东西走向。边坡面局部出露有原采空区，局部边坡发生过崩落、塌陷等地质灾害。北边坡点云解算区域主要出露千枚岩，呈现千枚状构造，发育片理的产状与坡面产状相近。该区域主要解算该千枚岩片理产状：166°∠85°。坡顶附近有较厚坡积层，厚度30～40m，岩体较破碎。构造裂隙较发育。

4区位于采场西北帮，岩性以千枚岩为主，坡脚部分区域为英安斑岩。边坡面呈凹形，近东西走向［4］。该区域主要解算该千枚岩片理产状：146°∠70°，千枚岩片理发育程度不高，构造裂隙不甚发育。但有局部边坡发生过第四系风化带岩体滑坡等地质灾害。

5区位于采场西帮，岩性以千枚岩为主，与西北边坡相邻部分区域出露英安斑岩，边坡面平顺，呈南北走向，岩体完整性相对较好。片理发育程度一般。片理间距0.5～1mm，部分片理间夹石英脉或黄铁矿脉。千枚岩与英安斑岩中构造裂隙较发育。地质分区结合现场地质调查的结果进行，是计算边坡稳定性的前提和基础。对不同地质区段的岩体质量进行定量分析和评价，为边坡稳定性计算提供更为充分的依据。

3 露天边坡稳定性极限平衡分析

3.1 分区剖面选择

根据本次分区的实际情况，通过计算选取每个分区安全系数最小的一条代表性剖面参与最终的极限平衡计算。本次研究在现状图上共设置了5个计算剖面，分别是：1区的A-A，2区的B-B，3区的C-C，4区的D-D，5区的E-E。具体剖面线如图1所示。

图1 边坡分区计算剖面线

3.2 边坡稳定性计算荷载组合及计算方法

针对银山露天矿的具体条件，分析了本次边坡分析的荷载组合如下：

荷载组合Ⅰ：坡体自重；

荷载组合Ⅱ：坡体自重+爆破振动力。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）建议采用简化Bishop法进行计算。通过多种方法的比较，证明该方法有很高的准确性，已得到业内的公认。基于以上两种荷载组合，本次主要依据简化Bishop法的安全系数计算结果与规范规定的安全系数要求进行对比，初步确定各分区的边坡角。

在荷载组合Ⅱ中考虑了爆破振动力参与边坡稳定性计算。边坡振动力的计算主要依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）的相关规定。边坡稳定计算时，考虑爆破振动力，各条块的水平爆破振动力可按下列公式计算：

式中：

Fi’为第i条块爆破振动力的水平向等效静力，kN；ai为第i条块爆破振动质点水平向最大加速度，m/s2；βi为第i条块爆破振动力系数，可取βi=0.1～0.3；Wi为第i条块的重量，kN；g为重力加速度，m/s2；f为爆破振动频率，H z；Vi为第i条块重心处质点水平向振动速度，m/s；Q为爆破装药量，齐发爆破时取总装药量,分段延时爆破时取最大一段的装药量，kg；Ri为爆破区药量分布的几何中心至观测点或建筑物、防护目标的距离，m；K、α为与采场地质条件、岩体性质、爆破条件等有关的系数，由振动检测和测试数据获取。

在进行边坡稳定性软件计算考虑爆破振动力影响时，须确定爆破振动力水平影响系数 ξ：

根据爆破震动测试结果计算，各个分区的平均爆破振动力水平影响系数 在0.01～0.03之间，取最大值0.03参与爆破振动力作用下的边坡稳定性计算［5］。

3.3 基于极限平衡计算的边坡稳定性分析

在进行分区并选取代表性剖面基础上，通过Rocscience Slide6.0软件采用简化Bishop法对各分区的边坡稳定性进行，典型剖面安全系数计算结果如图2和表1所示。

图2 1区A-A剖面现状边坡稳定性分析（示例）图

各分区计算剖面在荷载组合Ⅰ和荷载组合Ⅱ条件下的边坡安全系数计算结果见表1。

综合上述极限平衡计算结果可以看出。

（1）现状边坡各个分区在荷载组合Ⅰ（仅考虑自重应力时）条件下都满足规范规定的安全系数1.20要求（综合《有色金属采矿设计规范》（GB50771-2012）和《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014），选取安全系数1.20作为设计稳定安全系数），整体边坡较稳定。

表1 边坡分区不同荷载组合安全系数计算值

（2）现状边坡各个分区在荷载组合Ⅱ（计入爆破振动力作用）条件下安全系数普遍比荷载组合Ⅰ低0.065左右，各分区也都能满足规范要求。

（3）二期设计边坡分区2、3、4、5在荷载组合Ⅰ都满足规范规定的安全系数1.20要求，整体边坡较稳定。在全矿5个分区中，分区1的安全系数不能满足1.20的要求，因该区域最终边坡角或边坡高度均较大且该区域部分边坡下赋存断层和采空区，存在一定失稳风险。

（4）二期设计边坡在计入爆破振动力作用后的荷载组合Ⅱ安全系数普遍比荷载组合Ⅰ低 0.05左右，除分区1存在不稳定风险外，分区2也接近规范规定的安全系数临界值，存在一定失稳风险。

4 结论

通过针对银山露天矿的各个工程地质分区，对各分区边坡失稳破坏模式进行了定性分析，然后选取典型剖面相继进行了极限平衡分析，得出以下结论：

（1）露天边坡稳定性受岩性条件、岩体结构、水文地质条件、边坡形态、地震和爆破等多种因素控制。根据失稳模式分析，在1区、2区存在发生楔形体失稳破坏的可能，3区内存在发生沿结构面平面滑动的可能。由于结构面延伸尺寸有限，而各个分区的边坡规模较大，边坡的整体破坏通常按近似圆弧滑面考虑［6］。

（2）通过极限平衡分析，现状边坡各个分区在荷载组合Ⅰ（仅考虑自重应力作用）和荷载组合Ⅱ（计入爆破振动力作用）都满足规范规定的安全系数1.20要求，整体边坡较稳定。

（3）通过极限平衡分析，二期设计边坡分区3、4、5在荷载组合Ⅰ和荷载组合Ⅱ都满足规范规定的安全系数1.20要求，整体边坡较稳定；分区1在荷载组合Ⅰ和荷载组合Ⅱ及分区2在荷载组合Ⅱ时，均接近规范规定的安全系数临界值，存在一定失稳风险，应加强参数优化和安全监测工作；在计入爆破振动力作用后，分区4也接近规范规定的安全系数临界值，存在一定失稳风险，应对临近最终帮时采取控制爆破措施。

（4）银山露天矿南部边坡底部受到断层和原地下采空区的影响，边坡岩体结构破碎、易出现楔形体破坏和局部崩塌，在今后生产中，尤其是开采到中下部区域时，须密切关注边坡动态，加强日常巡视工作和边坡监测工作，发现安全隐患及时采取加固措施。