基于连续介质模型的深凹露天矿边坡变形特征研究

姚高辉，肖云涛，刘建耀

（中色卢安夏铜业有限公司）

矿山开采主要包括露天开采和地下开采，随着矿产资源的逐渐消耗，虽然地下开采的矿山规模逐渐增加，但仍然有较多矿山为露天开采方式[1]。影响露天矿边坡稳定性的因素较多，例如爆破震动、地下水、节理裂隙和岩土体物理力学参数等，一旦边坡发生失稳，可能会导致矿山停产，造成巨大的生命财产，给矿山带来不可估量的损失[2，3]，因此，露天矿边坡的稳定性是矿山在开采过程中需要长期研究的重要课题之一[4，5]。

穆利亚希露天矿是中国有色集团在海外收购的重要矿山之一，其为深凹露天矿。在矿山的开采过程中，随着开采的逐渐进行，偶有塌方事故发生，特别是在雨季，由于地表水的影响，且深凹露天矿的台阶较高，极易出现边坡失稳，对矿山的安全生产极为不利。本研究以穆利亚希深凹露天矿边坡为研究对象，建立穆利亚希深凹露天矿边坡的三维数值计算模型，研究边坡的变形机理，为保证穆利亚希深凹露天矿的安全高效开采奠定理论基础。

1 边坡岩土体物理力学参数选择

5#剖面边坡高程为1080m～1280m，结合穆利亚希深凹露天矿的水文地质条件和工程地质条件，穆利亚希深凹露天矿边坡岩土层的岩性自上而下依次为粘土层、RL7风化泥质石英岩、过渡带、泥岩、RL7泥质石英岩共5个岩土层，且穆利亚希深凹露天矿岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 剖面5岩土体物理力学参数

2 边坡极限平衡分析

根据穆利亚希深凹露天矿现场实际情况，本研究对穆利亚希深凹露天矿边坡进行极限平衡分析，由于边坡含有丰富的节理和层理结构面，因此，采用圆弧滑动面和折线滑动面分别进行计算。

根据工程规范和经验类比法[6-8]，当不考虑地震力和爆破震动时，安全系数大于1.18，则认为边坡稳定；当考虑爆破震动因素影响时，安全系数大于1.15，则认为边坡处于稳定状态。

2.1 计算剖面模型

结合穆利亚希深凹露天矿的现场实际资料，本研究建立穆利亚希深凹露天矿5#剖面所对应边坡的数值计算模型如图1所示。

图1 剖面5计算模型

2.2 不考虑爆破震动分析结果

结合穆利亚希深凹露天矿工程地质条件和水文地质条件，在不考虑爆破震动和各向异性的情况下，采用简化Bishop法等极限平衡分析来进行计算，得到穆利亚希深凹露天矿5#剖面对应边坡的安全系数如表2所示，可以看出，边坡安全系数均小于1.18，则穆利亚希深凹露天矿5#剖面所对应的边坡处于不稳定状态。

表2 剖面5初步分析结果

2.3 考虑爆破震动分析结果

当考虑爆破震动时，结合工程类比法，对整个计算模型赋予0.02g的水平震动加速度，采用简化Bishop法、瑞典条分法和简化Janbu等方法计算穆利亚希深凹露天矿5#剖面边坡的安全系数如表3所示，可以看出，考虑爆破震动情况下，边坡的安全系数均小于1.15，表明边坡为不稳定状态。

表3 剖面5考虑爆破震动极限平衡分析结果

3 边坡变形机理分析

本节研究了在静荷载作用下边坡的变形机理，其中5#典型边坡模型采用分步开挖模拟方法，模拟分析了边坡开挖前初始地应力分布、现状边坡的变形特征以及开挖至设计边坡时的变形特征。

5#坑典型区段三维数值模拟，从数值模拟角度揭示了复杂地形对该区段边坡的变形影响规律。

3.1 边坡数值模型建立

本研究选取5#勘探线的边坡作为典型剖面的研究对象，其中5#勘探线所在边坡计算模型如图2所示，模型包括黏土层、风化泥质石英岩、过渡带、泥岩夹云母片岩及泥质石英岩，尺寸为350m×100m×200m。

图2 剖面5边坡模型

模型的边界条件为：底部为固定约束，模型的左侧和右侧均施加X方向的固定约束，即X方向的位移为0；前侧和后侧均施加Y方向的固定约束，即Y方向的位移为0。

3.2 初始地应力

对于剖面5所对应的边坡，当未对边坡进行开挖之前，即边坡处于初始应力状态，由于边坡岩体是由不同类型的岩体所组成，由于重力的存在，岩体的重力会生成初始应力场。初始地应力整体呈现出层状分布的状态，靠近地表的地应力较小，并初始地应力沿着深度的增加而逐渐增加，在模型的底部，其主应力大小为4.9Mpa。

3.3 现状边坡

如图3所示为剖面5开挖至现状边坡时的水平位移云图，其中最大水平位移发生1235m平台坡脚附近，为7mm左右，其他区域水平位移较小。

图3 剖面5开采到现状边坡水平位移云图

如图4所示为剖面5开采至现状边坡时的塑性区分布情况显示云图，在开挖过程中，边坡出现了拉伸破坏和剪切破坏，剪切塑性区主要分布在风化泥质石英岩层和泥质石英岩层之间顺坡软弱过渡带上。

图4 开采到现状边坡塑性区分布图

如图5所示为剖面5开采至现状时的最大剪应变增量，在风化泥质石英岩层和泥质石英岩层之间顺坡软弱过渡带上存在最大剪应变增量，仅为6mm左右，边坡整体剪应变增量较小。

图5 开采到现状边坡最大剪应变增量图

3.4 设计边坡

开采至现状边坡后，继续对边坡分步开挖，并计算至静力平衡。剖面5开采至设计边坡时的塑性区分布图如图6所示。1190m及1220m平台上发生大范围的剪切塑性破坏，这主要是由于该区域岩层为RL6地层的泥岩，与RL7地层的泥质石英岩存在软弱过渡带，抗剪强度较低。

图6 开采到设计边坡的塑性分布图

剖面5开采至设计边坡的最大剪应变增量图如图7所示。剖面5最大剪应变增量发生出现在1190m与1220m平台下的软弱过渡带上，最大剪应变增量达到6m，因此，边坡在该处的位移相对较大，可能会导致边坡发生失稳和破坏，在边坡运行期间，应加强对边坡的实时监测。

图7 开挖至设计边坡的最大剪应变增量图

4 结论

（1）采用极限平衡分析方法对穆利亚希深凹露天矿5#剖面所对应边坡进行计算，结果表明，不考虑各向异性和爆破震动情况下，边坡的安全系数均小于1.18；考虑爆破震动情况下，边坡的安全系数均小于1.15，表明穆利亚希深凹露天矿5#剖面所对应边坡处于不稳定状态。

（2）剖面5边坡的初始应力呈现出层状分布的特征；静荷载作用下，剖面5所对应的现状边坡变形相对较小，现状边坡相对稳定。

（3）开挖至设计边坡时，剖面5局部台阶水平位移及最大剪应变增量相对较大，边坡局部有可能发生失稳，后期应加强对剖面5对应边坡进行实时监测。