某露天矿山台阶边坡结构参数优化分析

申其鸿

（铜陵有色金属集团控股有限公司）

进入21 世纪以来，矿产资源的长期高强度大规模开采，引发的采动灾害频繁发生，其中，高陡边坡失稳是露天矿山主要灾害之一，是露天矿山领域的重要研究课题［1］。露天矿采场边坡依据其构成要素与规模大小，划分为总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡3 个层次［2］，其稳定性要求不同。露天矿山边坡受生产影响，始终处于动态变化之中，如何在保证整体稳定的基础上，最大程度地减少剥离量，是矿山边坡考虑的重点。因此，露天矿除去关键部位（运输道路、工业场地）边坡稳定性满足规范要求外，其余台阶边坡保持基本稳定即可，为减少剥离提供了可优化的空间。

1 边坡概述

（1）边坡设计参数。边坡设计总高度为576 m，最终边坡角为44°，安全平台宽度为8 m，清扫平台宽度为20 m，台阶高度为12 m，台阶坡面角为65°，并段台阶高度为24 m。

（2）边坡岩土体及岩体结构。组成边坡的主要岩土体为第四系，硅化—伊利石化—绿泥石化二长花岗岩、硅化—黄铁矿化二长花岗岩，局部钾长石化花岗岩。岩体结构类型主要为块状—整体状、局部碎裂结构、散体结构，风化程度由强风化到微风化。

（3）节理裂隙。节理面大多比较平直，稍粗糙—光滑，基本无充填，沿裂隙面少数夹泥，裂隙多呈微张—弱张开状，张开度为1～5 mm，节理发育间距为0.3～2 m，节理迹长多在4～16 m，节理密度为0.5～3条/m。

（4）边坡结构面。为获取边坡结构面信息，利用3GSM不接触测量技术［3-4］，对该矿边坡岩体结构面进行统计分析，根据结构面统计结果，选取优势结构面，利用赤平投影图，判断结构面与边坡几何关系，见图1、图2、表1、表2。

由图1、表1 可知：5、6 结构面可能导致边坡平面破坏，5～6结构面间可能导致楔形体破坏。

由图2、表2 可知：3、4、6 结构面可能导致边坡平面破坏，3～4、4～6结构面间可能导致楔形体破坏。

（5）边坡破坏模式。根据赤平投影结果，边坡具备产生平面破坏、楔形体破坏的几何条件较为充分，另外，该边坡地质结构类型为碎裂岩体—块状岩体边坡，根据规范［5］，边坡破坏模式为圆弧型、复合型、平面型、楔体型。

2 边坡稳定性分析基本原理

2.1 平面滑动破坏

根据岩质边坡单平面滑动模型，已知坡角i，坡高H，潜在滑动面角度β，则该边坡的稳定性系数Fs为

式中，ρ为滑体平均密度，t/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；i为坡角，（°）；H为坡高，m；β为潜在滑动面角度，（°）；C为结构面黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，（°）。

2.2 圆弧滑动破坏

Bishop 法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的边坡稳定性分析方法，边坡稳定性系数如下。

式中，mi=；ui为作用在分块滑面上的孔隙水压力，MPa；bi为岩土条分块宽度，m；αi为分块滑面相对于水平面的夹角，（°）；Ci为滑体分块滑动面上的黏聚力，MPa；φi为滑面岩土的内摩擦角，（°）；i为分析条块序数（i=1,2,…,n），n为分块数；Wi为分块的重力，kN；Qi为作用在条块上的垂直外荷载，kN；QAi为作用在分条上的水平地震力，kN，QAi=Kc⋅Wi，Kc为地震影响系数。

2.3 楔形体滑动破坏

楔形体破坏边坡的稳定性系数如下。

3 台阶边坡结构参数优化分析

3.1 台阶坡面角优化

3.1.1 上部强风化岩台阶坡面角优化

现状2处边坡顶部首先产生拉裂缝，最后沿坡脚附近剪出，发生圆弧形滑动破坏，后缘破坏宽度分别达4 m 和3.2 m。据此破坏特征，建立岩土力学参数反演模型，如图3所示。

现状边坡破坏之前边坡坡面角为65°，台阶高度为12 m。以安全系数Fs取值0.99～1.01 为目标，进行力学参数反演，结果如图4所示。

以强风化岩边坡黏聚力25 kPa、内摩擦角27°为参数优化台阶坡面角，为实现经济目标，确定安全系数1.05＜FS＜1.10。当台阶坡面角为45°时，安全系数为1.056，其经济效益最好。计算结果见图5。

3.1.2 基于统计法台阶坡面角优化

为了优化台阶坡面角，对某矿边坡台阶坡面角与岩体结构对应关系进行了大量统计，其结果见表3。

统计法获得的台阶坡面角为稳定的坡面角，因此，可选择块状—整体边坡台阶坡面角为65°，碎裂—块状边坡台阶坡面角为55°。

3.2 台阶高度优化

根据现场调查结果，块状—整体边坡结构面无填充、结合一般，碎裂—块状边坡结构面结合差，边坡岩体结构面抗剪强度标准值见表4。

根据图1、图2，表1、表2，可知不同类型边坡结构面滑动角度，已知台阶坡面角，根据表4 选取结构面内摩擦角、黏聚力，确定安全系数1.05＜FS＜1.10，依据平面滑动计算公式可得到不同岩体结构台阶边坡的极限高度，见表5。

由表5可知，碎裂—块状岩体结构边坡台阶高度优化为48 m，即为2个并段台阶高度；块状—整体岩体结构边坡台阶高度优化为72 m，即为3个并段台阶高度。

该矿山边坡具备发生楔形体破坏的几何条件，为验证平面滑动台阶极限高度取值合理性，应用楔形体稳定性进行验证，其结果见表6。

由表6 安全系数可知，表5 不同岩体结构台阶高度优化取值合理。

4 结论

本研究基于统计法、反演分析法、极限平衡法，优化了不同岩体结构类型的台阶边坡结构参数，得到如下结论。

（1）强风化岩体边坡台阶坡面角优化为45°，台阶优化高度为单台阶高度。

（2）碎裂—块状岩体结构边坡坡面角优化为55°，台阶优化高度为2个并段台阶高度。

（3）块状—整体岩体结构边坡坡面角优化为65°，台阶优化高度为3个并段台阶高度。