灰岩矿露天边坡稳定性分析及治理方案

谷 岩

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

某水泥灰岩矿已开采多年，目前山体边部矿体已被大量开采用于生产水泥或建筑石料。由于是整合矿山，整合前各矿山的多年不规范开采形成大量不规则掌子面，矿区内掌子面南北长约1 700 m，掌子面高80～150 m。

为保证生产安全，采用理论分析和数值模拟相

结合的方式对露天采场边坡现状进行稳定分析。

1 矿山边坡现状及分区

根据矿区地形地貌及地质条件将现有露天采场边坡划分为7个分区[1]，并根据《非煤露天矿边坡工程技术规范(GB51016-2014)》确定边坡危害等级划分，详见表1。

表1 露天采场边坡分区表

2 边坡稳定性分析

2.1 工程地质类比法

按工程地质类比法，对各边坡分区的安全性分析，见表2。

2.2 赤平投影法分析

通过对划定的各分区进行赤平投影分析，可知露天采场西侧的边坡结构面倾向和边坡倾向相反，倾角度数小于边坡倾角，边坡基本是稳定的。露天采场东侧边坡结构面倾向与边坡倾向基本一致，倾角度数小于边坡倾角，边坡存在沿软弱结构面滑动的可能性。F1和F2断层对各区边坡整体稳定性影响不大，但是在断层出露边坡坡面的部位会发生局部塌落现象，建议矿山应采取相应的安全措施。Ⅵ分区局部地段F2断层与边坡坡面倾向基本一致，倾角度数小于目前实际边坡倾角，边坡存在沿断层面滑动的可能性，建议矿山在生产中应按设计要求进行开采，留设安全平台，降低边坡角，并在允许的条件下将断层影响的滑体进行处理，以保证安全。以Ⅲ分区和Ⅶ分区为例，分析如下。

1)Ⅲ分区边坡为岩质挖方边坡，边坡临空面由上至下出露岩层及其产状为：

崮山组二段：薄层泥质条带灰岩，256°∠15°；

张夏组四段：含生物碎屑鲕粒灰岩。

经过分析，Ⅲ分区分布有一组优势结构面，产状256°∠15°。Ⅲ分区边坡产状10°∠71°，其赤平投影见图1。

表2 工程地质类比法安全性分析

图1 Ⅲ分区边坡、结构面赤平投影图

由图1可见，Ⅲ分区结构面倾向相对于边坡倾向相反，倾角度数小于边坡倾角，边坡是稳定的，坚硬岩层滑动的可能性很小。

2)Ⅶ分区边坡为岩质挖方边坡，边坡临空面由上至下出露岩层及其产状为：

凤山组：泥质条带灰岩及白云岩，262°∠13°；

长山组：竹叶状灰岩、泥质条带灰岩与钙质页岩互层，260°∠12°；

崮山组二段：薄层泥质条带灰岩；

崮山组一段：钙质页岩，页理发育，256°∠10°；

张夏组四段：含生物碎屑鲕粒灰岩，263°∠15°；

张夏组三段：薄层泥质灰岩、鲕粒灰岩及钙质页岩互层。

图2 Ⅶ分区边坡、结构面赤平投影图

结合Ⅶ分区各区域边坡产状及结构面产状，将结构面数据进行整合，倾角和倾向相近(25°以内)的优势结构面进行合并，得到一组Ⅶ分区各岩层中广泛分布的优势结构面，产状260°∠13°。

Ⅶ分区边坡产状91°∠55°，其赤平投影见图2。

由图2可见，Ⅶ分区结构面倾向相对于边坡倾向相反，倾角度数小于边坡倾角，边坡是稳定的，坚硬岩层滑动的可能性很小。

2.3 边坡稳定性计算

边坡稳定性分析主要有极限平衡法和数值计算法两种方法[2-5]。本次采用GeoStudio软件中的SLOPE/W模块(边坡稳定性分析软件)对该矿各分区露天边坡进行稳定性分析。

根据相似矿山同类岩石的物理力学参数，参考《工程岩体分级标准》对该矿的各类岩石进行岩体基本质量分级，并参照上述的折减经验，选取了该矿各类岩体及地表风化层的岩体物理力学参数。各类岩体物理力学参数，见表3。

表3 岩体物理力学参数表

根据矿山的工程地质及边坡现状等情况，将矿山分为7个分区，在划分的各分区选择最具代表性的边坡剖面分别建立分析模型，对各分区的边坡整体稳定性进行分析，见表4。

表4 各分区整体边坡稳定性安全系数计算结果表

通过对各分区选取的最危险边坡的稳定性进行验算。正常工况下，两种计算方法验算的各分区边坡稳定性计算结果中的安全系数均大于1.15；地震工况下，两种计算方法验算的各分区边坡稳定性计算结果中的安全系数均大于1.10。因此各分区露天整体边坡安全系数基本符合《非煤露天矿山边坡工程技术规范》的要求，边坡发生大规模整体滑坡的可能性较小。

本次分析对该矿7个分区中选择的具有代表性的各边坡坡顶风化层的稳定性进行分析计算(各分区边坡的风化层厚度见表5)，采用Morgenstern-Price计算方法对建立的各分区边坡模型进行了正常工况下坡顶风化层的稳定性安全系数计算，见表6。

表5 各分区边坡的风化层厚度

表6 边坡坡顶风化层稳定性安全系数计算结果表

通过现场了解可知该矿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区边坡地表岩层风化严重，通过分析计算，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分区边坡坡顶风化层稳定性系数偏低，存在局部滑塌的可能。

另外，由于该矿大部分边坡高度较高，坡度较陡，且未留设安全平台，局部边坡受节理、破碎等结构面的影响，会产生边坡的局部滑塌，对矿山生产造成极大的危害，建议矿山对已有露天边坡坡顶的风化层、局部破碎及结构面发育等危险地段进行削坡处理或采取相应的安全措施，以满足安全生产的要求。

3 边坡处理建议

1)Ⅰ分区边坡高度小，但风化程度高，建议在Ⅰ分区边坡底部10 m外设置警戒线或土堆并树立警示标志，防止人员误入。

2)Ⅱ分区有两处边坡较破碎，建议在较破碎的边坡底部15 m外设置警戒线或土堆并树立警示标志，防止人员误入。上山公路从Ⅱ分区南部通过，该处边坡应注意维护，及时处理危石并增加注意落石等警示标志。

3)Ⅲ分区已经基本开采完毕，建议矿山将通往三分区的道路封堵，并增加警示标志，防止人员误入。

4)Ⅳ分区边坡较高，但岩石较好，风化程度低，建议矿山在Ⅳ分区边坡底部35 m外设置土堆，并增加警示标志，防止人员误入。

5)Ⅴ分区岩石较好，风化程度低，整体稳定性和局部稳定性较好。矿山的上山公路从Ⅴ分区通过，为防止落石伤害，建议矿山在大风、下雨天气停止运输。暴雨后要指派安全员对Ⅴ分区的边坡进行检查，确认安全后再恢复运输。

6)Ⅵ、Ⅶ分区为旧采面，边坡稳定性较好。为防止落石伤害，建议矿山将通往Ⅵ、Ⅶ分区坡底的道路封堵，并增加警示标志，防止人员误入。

4 结语

本次边坡稳定性分析通过现场实地观察和了解，在充分分析边坡现状和工程地质条件的基础上，采用定性分析和定量分析两种方法对矿山的7个分区的边坡进行了稳定性分析。分析结果表明在现有工程地质和水文地质条件下，矿山严格按照设计标准、安全规程等进行露天开采，露天采场边坡整体稳定性良好，正常工况各分区边坡的安全系数均符合《非煤露天矿山边坡工程技术规范》的要求。露天采场边坡最容易发生的变形破坏形式是强风化带的崩塌和剥离，矿山在降雨和强风天气应暂停运输作业。大雨过后应对边坡的安全进行全面排查，重点对强风化带进行检查，确认安全后再恢复生产。