某露天石灰石矿边坡稳定分析与治理方案研究

邓德亮　陈福民　樊伟　任云龙

【摘  要】本文對某石灰石矿开采边坡的破坏条件进行分析，利用岩土力学分析软件建立采场边坡剖面三维数值模型。根据边坡地层分布情况采用模型进行分析计算，并求得边坡在自然工况、爆破工况、地震工况下的安全稳定性系数，优化最终边坡角及边坡治理方案，提高矿产资源的开采利用率经济效益。

【关键词】石灰石矿;边坡治理;稳定性分析

1.0前言

石灰石是钢铁生产的重要辅助原料基地之一，该石灰石矿已开采近34年。采用露天开采，公路开拓。矿山经过几十年的生产，受开采成本、资源条件、开采空间、用户需求等因素的影响，露天采场边坡台阶并段较多，产生高陡边坡现象。

虽然矿山已处于末期开采阶段，但采场高陡边坡面积较广，存在安全隐患，影响矿山今后安全生产，为保证矿山的安全生产需对采场高陡边坡进行治理。

2.0矿山地质

该矿区出露地层有寒武系、奥陶系和第四系，其中以寒武系地层为主，奥陶系分布在矿区的西南部，平行不整合在寒武系地层之上。第四系主要分布在沟谷中，不整合覆盖在寒武系、奥陶奥陶系地层之上。

区内有北东向断裂构造。但矿界内未发现大的断裂构造，在矿界外的北西侧见到F1、F2两条北东向的断层。其中F1断层：走向N40°E，倾向NW，倾角70°±，断裂宽2～4米，走向长达500m左右。水平断距80m。属压扭性质的断层。矿体走向310°～330°，倾向SW，倾角30°～36°，矿体走向长1100m，倾向延深240～600m，由四层矿体组成，从地表向深部矿体厚度有变薄趋势。

本矿区地质构造较简单，岩溶不甚发育，岩层以厚层状构造为主，岩石强度大，稳定性好，不易发生矿山工程地质问题，工程地质条件属简单类型。

3.0矿山现状

矿山于1987年开始开采，至今开采34年，其中1992～1999年间停采。目前200m水平水平以上已经靠界，70m至200m各水平工作平台已形成，阶段高度10m，生产规模120万t/a。采场的最高生产水平为190m水平，最低生产水平为70m。随着几十年开采的进行，采场局部产生了并段高陡边坡，高陡边坡共有三个区域，分别位于采场的西帮60m～160m水平、采场的东北帮勘探线800线～1000线之间的60m～200m水平、采场的东南端帮60m～200m水平。

4.0边坡现状及存在的问题

矿山采用露天开采，公路开拓。目前200m水平以上已经靠界，70m至200m各水平工作平台已形成，阶段高度10m，生产规模120万t/a。采场的最高生产水平为190m水平，最低生产水平为60m。采场长约900m，宽约550m，露天采场底部长约660m，宽约300m，采场200m至240m水平靠界后的平均边坡角38°。

目前，采场多并段现象严重，高陡边坡面积较广，存在安全隐患急需治理。主要有三个区域，具体的部位及特征如下。

区域（一）：位于采场的西帮100m～160m水平，形成总高约70m的边坡，顶部标高170m，底部标高100m。高陡边坡区位于标高170m至100m之间。上部有约1m厚的第四系冲、坡积地层，再以下主要为崮山组灰岩厚度约22m～30m，下部为张夏组鲕状灰岩地层

区域（二）：位于采场的东北帮，勘探线800线～1000线之间的80m～200m水平，边坡垂向高差120m，东西长度约200m，边坡角约45°。上部主要紫色鲕状灰岩，下部为灰色竹叶状灰岩。

区域（三）：位于采场的东南端帮120m～200m水平，边坡垂向高差80m，东西长度约250m，边坡角约58°。岩层主要为灰岩，与区域（一）相同。

目前，以上三个高陡边坡区域边坡无变形，清扫及安全平台由于上部台阶扩帮作业堆积了浮碴已不复存在，给采场下部生产和设备人员安全造成威胁。其中区域二为本次治理重点部位是本次稳定分析与治理方案研究主要内容。

5.0边坡隐患重点区域治理方案

5.1工程地质条件

矿体上盘围岩为鲕状灰岩和竹叶状灰岩，由微晶方解石和少量铁质、泥质组成。微密块状构造，质地坚硬，抗风化，不易破碎。矿体的下盘围岩主要为泥质灰岩和页岩，易风化，易形成山崖陡峭的负地形。

上、下盘围岩与矿体呈平行整合接触。由矿石抗压强度可知，矿、岩体质地较坚硬，不易破碎。矿山已生产多年，在开采过程中未出现过地质灾害。

5.2高陡边坡形成原因分析

形成高陡边坡的因素主要包括地层岩性、地质构造等内因，矿山开采活动等外因，以及生产组织过程中没有完全按整改要求进行等主观原因。

5.2.1地层岩性

矿体上下盘围岩均为石灰岩，组成矿物为泥晶方解石及少量铁质和泥质。其中上盘围岩为紫色鲕状灰岩和灰色竹叶状灰岩，局部夹有薄层紫色页岩，矿体下盘围岩为紫色竹叶状灰岩、薄层状灰岩、鲕粒灰岩。上、下盘围岩与矿体呈整合接触。

5.2.2地下水

区内各含水层地下水均直接或间接接受大气降水补给，大气降水后，一部分水呈地表迳流汇入小溪形成地表水体，另一部分水则通过第四系松散岩类中的孔隙或直接沿基岩风化裂隙、构造裂隙下渗，分别形成孔隙水和裂隙水。而孔隙含水层与裂隙含水层在一定程度上并无绝对的隔水层。地下水主要排泄方式为矿山排水。

5.2.3矿山开采因素

采场生产作业密集，采剥下降速度快，岩石台阶坡面角整改坡度60°左右，爆破实际形成的台阶坡面较陡。随着露天开采台阶的不断增多，采坑深度增加，在爆破震动的影响下，安全平台局部滑塌形成高陡边坡。但岩体完整程度较完整，岩石质量、岩体完整性及稳定性较好，矿山已生产多年，未出现过地质灾害，边坡总体稳定性较好。

5.3重点区域治理方案

根据区域高陡边坡岩体结构特征和高陡边坡成因分析的结果，可采用削坡减载的方式，降低总体坡面角，进一步提高边坡整体的稳定性，同时清除安全平台上散体岩石，消除因散体岩石的滚落或滑塌产生的安全隐患。

本治理整改主要采用削坡减载降低边坡角并增加安全清扫平台的方式治理高陡边坡。

治理重点区域位于采场的东北帮，勘探线800线～1000线之间。顶部标高240m，底部标高120m，形成总高约120m的边坡，边坡角约为45°。

对80m～240m边坡进行削坡，从上至下分别形成220m、180m、160m、140m、120m、100m和80m台阶，治理后边坡角为35°～41°。

5.3.1边坡治理参数

（1）阶段高度：靠帮后并段20m;

（2）阶段最终坡面角度：60°;

（3）平台宽度：安全平台8m，清扫平台10m;两个安全平台设置一个清扫平台，在160m水平设置宽度为15m的挡碴平台;

（4）最终边坡角：35°～41°;

（5）边坡垂直高度：180m。

5.3.2高陡边坡治理后边坡稳定性分析

利用岩土力学分析软件建立边坡剖面B2-B2三维数值模型。

1）计算模型

剖面B2-B2数值计算模型长×宽×高=320×40m×190m，采用Mohr-Coulomb本构模型，网格以六面体为主，四面体为辅，共划分10449个节点，8520个网格。

2）边界条件

底部采用XYZ方向固定约束，两侧边界为X方向固定，坡面及坡体为自由面，施加荷载为岩体自重及其它相应的公路机车等效均不荷载。

3）评价条件

（1）研究范围内的岩体为均质、各向同性的弹塑性模型，岩体破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则;

（2）忽略时间因素的影响;

（3）忽略爆破震动的影响;

（4）未考虑大气降水和地震工况的影响。

4）计算结果

根据边坡地层分布情况對模型进行分析计算，初始化形变量，形成原始地应力场，在该应力场的基础上，输入相应的地层物理特性参数及边界条件，通过上述计算，剖面B2-B2的安全系数为1.70。同样通过对重点治理区域的其它5个边坡剖面进行计算，其安全系数的结果分别为1.69、1.76、1.72、1.33、1.43（略）。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）中的要求，矿山治理后边坡处于稳定状态。

6.0结论

某石灰石矿边坡经治理后，从稳定性分析计算结果看治理后的边坡是稳定的。其他部位安全性要好于上述剖面情况，说明采场边坡总体是安全的。该设计方案实施后可至少回收石灰石矿量60万吨以上，必将取得更大的经济和生态效益。

参考文献：

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[2]刘飞，张超.浅谈露天石灰石矿山开采中的安全措施[J].中国高新技术企业，2014，29.

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