考虑地震作用下的边坡稳定性计算及边坡角优化方案

刘清福 孙言飞 林元鑫 高 忠

(紫金矿业集团股份有限公司,福建 上杭 364200)

0 引言

露天矿边坡角的设计，对露天矿的生产安全与经济效益产生很大的影响[1]。根据调查显示，大型金属露天矿每增加1°，可以节约剥离成本1亿以上，但会带来相应滑坡的风险。因此，边坡角最优设计应在保证边坡稳定性的前提下提高矿山经济效益的最大化[2,3]。对于多震地区来说，研究地震荷载作用下的最终边坡角对露天矿开采具有重要意义[4]。

目前已有大量的学者对地震作用下的边坡稳定性进行了研究。通过对地震边坡的失稳机制进行了详细探讨，归纳总结了地震作用下边坡稳定性的影响因素[5]；利用有限元软件对地震动力作用下影响坝体边坡最危险滑裂面位置及稳定性的动力影响因素进行了详细探讨[6]；基于拟静力法研究不同参数对地震作用系数的影响，发现坡高和坡角是影响地震作用下边坡稳定性的2个主要因素[7]；采用最小平均系数法研究地震荷载作用对边坡安全系数的影响，对工程案例计算提供了有意义的参考[8]。

矿山乌拉根铅锌矿位于克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县黑孜苇乡，目前设计生产能力为300万t/a。该矿区为急倾斜层状岩体，岩石抗压强度较低，工程地质条件为中等～复杂。该矿上所属区域为地震多发地，为提高边坡稳定性，保证矿山可持续发展，在充分考虑地震偶发性的工况前提下对边坡角优化展开进一步的研究。

1 工程地质概况及分区

乌拉根锌矿矿区属乌拉根向斜的东部，该向斜整体呈东端闭合(转折端)、向西开放的宽缓褶皱，西端宽度约3 000 m。优化设计境界位于向斜南翼、地层总体走向62°，倾向北，倾角48°～68°。将采场边坡划分为Ⅰ～Ⅳ四个工程地质分区，每个分区又根据岩性及风化程度不同划分为不同的亚区，如表1所示。

表1 工程地质分区

2 矿区地震数据统计分析

乌拉根锌矿位于乌恰县，属于全国地震烈度最高区域，年平均地震次数达到44次，绝大多数地震里氏震级为3～6级，震源深度0～60 km。采用MC. Guire在1976年提出的经验公式求得地震最大加速度，发现地震最大加速度主要集中在0～0.03 g。最高地震记录为发生于2008年10月5日，为7.1级，地震最大加速度为0.08 g，见表2。乌拉根铅锌矿正常服务年限21年，若当地震动加速度>0.045 g，则服务年限内地震发生的概率为59.03%，若当地震动加速度>0.055 g，则服务年限内地震发生的概率为37.02%，由此可见存在较大的地震风险。

表2 1970～2017年天山子网地震监测数据分析表

(1)

式中：M—地震级别；R—距震源的距离，km。

3 边坡稳定性计算及结构参数优化

3.1 计算工矿及安全系数选取

边坡安全系数是衡量边坡稳定性的生要指标，它与边坡稳定性研究的各项工作内容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各项定量参数的取用和定性分析评价、矿山服务年限、边坡区段的重要性等因素有关。在边坡极限平衡稳定性分析中，安全系数K=1时，边坡处于极限平衡状态。理论上，只要K稍大于1，边坡就是稳定的；反之边坡就失稳。但由于影响边坡稳定的内外因素很多，在具体稳定性分析计算时，常进行强度储备，将安全系数取K>1。对矿山边坡来说，一般情况下取K=1.2～1.3。

乌拉根锌矿设计最终边坡最大高度超过500 m，根据GB51016-2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》划分标准，乌拉根锌矿露天边坡属超高边坡，边坡危害等级为Ⅱ级，边坡安全等级划分为Ⅰ级。同时对比国内外矿山安全系数，综合选取乌拉根锌矿边坡工程设计安全系数为自重+地下水工况下不小于1.20，自重+地下水+爆破振动力不小于1.18，自重+地下水+地震力下不小于1.15。在计算地震作用对边坡的影响时，采用的地震最大加速度为0.08 g。不同计算工矿如表3所示。

表3 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数

3.2 边坡稳定性计算

根据乌拉根矿区目前的开采情况及整个矿体的赋存情况及其围岩分布状态，将其划分为灰岩、泥岩、砂岩、长石砂岩以及石膏5个岩组。前期对这5个岩组开展了大量岩石力学方面的研究，并进行了详细的工程地质调查。根据经验公式[9,10]以及工程类比的方法确定了计算所需的岩体力学参数，如表4所示。利用Slide软件计算当前边坡不同工况条件下的边坡稳定性系数，计算结果如表5所示。其中剖面A、B属于Ⅰ-1区，剖面C、D、E属于Ⅰ-2区，剖面F属于Ⅱ区，剖面G、H属于Ⅲ-1区，剖面I属于Ⅲ-2区，剖面J属于Ⅲ-3区，剖面K属于Ⅳ区。

表4 岩体介质的力学参数

表5 不同计算工况下的安全系数

计算结果表明：在工况1和2条件下，除J剖面不满足1.2的安全系数要求外，其余各剖面均满足要求且存在较高的安全储备，边坡稳定性状况良好。在工况三条件下，受矿区高地震烈度影响，各计算剖面边坡安全系数较工况一、工况二均大幅下降。其中A、B、E、I、K剖面安全系数大于允许值1.15，且具有一定的安全储备，存在进一步提升边坡角的空间；D、F、G剖面边坡安全系数正好满足要求，可维持原有边坡角设计不变；C、H、J剖面安全系数不满足要求，存在较大的滑坡风险，需适当降低边坡角以提高边坡稳定性。

3.3 最终优化结果

为进一步确定各段最终边坡角最优参数，并分析其合理性，对不同整体边坡角边坡稳定性进行分析研究。边坡稳定性分析结果表明，由于矿区位于地震多发地，地震动峰值加速度较大，工况三条件下安全系数远低于其余两种工况，因此在对边坡参数优化过程时，仅对工况三进行分析。优化得到的边坡角度如表6所示。

表6 各剖面优化角度

通过对4个地质分区共11个边坡剖面进行计算分析，并综合分析矿山服务年限及矿区地震风险，得出了边坡各剖面最优边坡角结构参数，并根据工程地质分区，推荐各分区边坡结构参数表7所示。

表7 各区域边坡结构参数

续表

经过优化后，Ⅰ-1区域增加1.3°，Ⅲ-2区域增加2.4°，Ⅳ区域增加1.6°，I-2、Ⅱ区域角度不变，Ⅲ-1降低1.5°，Ⅲ-3区域降低2.7°。各分区帮坡角同时优化后，矿石量增加285万t，岩石量减少334万t。

4 结语

在充分考虑地震偶发性的前提下，通过收集相关资料及现场调查，进行了边坡稳定性计算，并优化边坡角及边坡结构参数，主要研究结论如下：

1)对乌洽地区近几十年地震数据进行了详细的统计分析，确定了乌拉根铅锌矿在不同年限下发生地震的概率，并通过分析确定了本次计算所选取的地震加速度值，为0.8 g。

2)在当前边坡条件下，各区域在工况1和2条件下，边坡稳定性良好，具有较高的安全储备；在工况3条件下：A、B、E、I、K剖面存在进一步提升边坡角的空间；D、F、G剖面维持原有边坡角设计不变；C、H、J剖面存在较大的滑坡风险，需适当降低边坡角以提高边坡稳定性。

3)在考虑地震工况条件下，确定各个区域的最终边坡角最优参数。各区域帮坡角同时优化后，矿石量增加285万t，岩石量减少334万t。