铜山口铜矿露天边坡稳定性分析*

易露，张华

(大冶有色金属有限责任公司铜山口铜矿， 湖北 大冶市 435122)

0 引言

铜山口铜矿是大冶有色金属有限责任公司下属的一座年产量上百万吨的大型露天铜矿山，随着多年开采，露天坑越来越深，露天边坡也越来越高，面临的安全风险也随之增加[1]，有必要对其稳定性进行评价[2]。当前，对露天矿山边坡稳定性的研究较多，邓文建等[3]使用数值模拟的方法研究了降雨对边坡稳定性的影响；李学锋等[4]使用Rockfall数值软件分析了小型露天采石场高陡边坡滚石的危险性；张云鹏等[5]通过监测观测点爆破后的位移情况，使用极限平衡法分析了边坡在爆破影响下的安全性；吴朝松等[6]研究了研山铁矿东帮边坡在地下水长期作用下的稳定性。他们的研究往往是针对边坡某种工况下的安全性，因此不够全面。本文设定了包括自重、地下水、爆破和地震的4种组合工况，采用极限平衡法计算了铜山口铜矿露天边坡稳定性，并运用FLAC3D数值模拟对边坡进行建模，验证了数值计算的结果，证实铜山口铜矿露天坑边坡是稳定的。

1 工程概况

铜山口铜矿矿区面积约2.88 km2，东西方向，长度为1008 m，埋藏深度从-196 m至地表，矿体上表层覆盖较薄，露天开采是最佳开采方法。经过多年开采，已经形成了一个南高北低的巨大露天坑，最大边坡高度达180 m，地面以下深度达54 m。边坡台阶的高度为12 m，坡面角为65°～70°。边坡岩体主要为碳酸盐岩和岩浆岩，石炭、二叠、三叠系碳酸盐岩层是区内主要含水层，以岩溶裂隙水及裂隙岩溶水为主。根据露天坑实际情况，将其边坡按照方位分为东（N）、南（S）、西（W）、北（E）4个区，如图1所示，各分区的边坡中N区露采边坡较缓；W区、E区露采边坡较陡，边坡高度约150～180 m。

图1 露天坑边坡现状

2 边坡稳定性分析

铜山口铜矿露天边坡稳定性极限平衡分析采用的是垂直裂隙加圆弧型滑动模式，采用Slide 6.0软件自动计算拆分和搜索潜在滑面位置并计算潜在滑动面的安全系数。主要分为3个步骤：

（1）根据边坡实际情况，选择边坡的分析剖面；

（2）确定边坡坡面的工况条件和对应的安全系数；

（3）计算边坡坡面的安全系数，分析边坡坡面的稳定性。

2.1 选择边坡分析剖面

建立剖面是建立地质模型进行边坡稳定性研究的基础，铜山口露天边坡稳定性研究分析剖面的布置是按照工程地质分区进行。根据露天边坡的实际长度和条件，在N、E、S、W 4个不同边坡区域共布置剖面10条，其中：N区3条；E区2条；S区2条；W区3条，如图2中所示的N1～N3、E1～E2、S1～S2、W1～W3线剖面。部分剖面的断面如图3所示，剖面的边坡高度为43～218 m，剖面线的岩性依据铜山口铜矿所做的地质详查资料。

图2 分析剖面布置

图3 边坡部分剖面

2.2 边坡的工况

对10个剖面进行表1中所示的4种载荷组合下的受力情况分析，根据工程经验[7]确定安全系数的许用值[K]，在计算出的安全系数K＞许用值[K]时边坡稳定；1＜K＜[K]时边坡基本稳定，但是预留的安全系数不足，在发生极端天气时可能存在其他风险导致边坡失稳；在K＜1时，认为边坡处于不稳定状态，会随时失稳。

表1 4种工况下的许用安全系数[K]

2.3 剖面稳定性分析

对于划分的 10个边坡剖面，利用软件自动对边坡进行分层，选择极限平衡法对各个分层的安全系数进行计算，图4为是W1剖面的计算结果，图中工况 1，2，3，4条件下，表层边坡的安全系数依次是1.691，1.639，1.580和1.127。分别计算10个剖面的安全系数，见表2。

图4 W1剖面设计边坡受力4工况下安全系数稳定性分析

表2中10个剖面在4种工况下计算出来的极限安全系数都大于表1中设定的许用安全系数[K]，表明现状边坡整体是稳定的。此外，现状条件下，生产爆破对边坡稳定性的影响约为 5%，天然地震对边坡稳定性的影响约10%，即工况2，3较工况1的安全系数分别降低约5%～10%；生产爆破对边坡稳定性的影响约 5%，天然地震对边坡稳定性的影响约9%，即工况2，3较工况1的安全系数分别降低约5%～9%；降雨对边坡稳定性的影响为降低安全系数约3%～15%。

表2 边坡各剖面的安全系数计算结果

3 数值模拟

3.1 构造模型

将绘制的露天边坡结构图利用kubrix进行工程结构的网格划分，并导入FLAC3D中生成铜山口矿露天边坡数值分析模型[8]，采用中空单元模型和Mohr-Coulomb的2种本构模型建立边坡模型，矿区的东西方向共1008 m，模型范围x=887～1895 m；矿区的南北方向共1225 m，模型范围y=878～2103 m；模型范围z=-196 m至地表。模型划分单元2 791 008个，节点388 284个，模型部分剖面如图5所示。图5中不同的颜色表示不同的岩性，假定每一种岩土体都为各向同性的连续介质。

图5 整体模型和岩性

3.2 分析结果

图6为整体模型的应力和应变图，从图6可知，模型的应力大小受地形的影响，随深度的增加而增大，越接近坡面主应力值越小，其方向从坡体深部的垂直方向逐渐转为浅部的顺坡方向；受到岩性条件影响，在岩层交接部位、应力的扰动状态较大；在坡面附近、地表和岩层浅部存在一定的拉应力，其中东部高边坡面附近存在范围较大的连续拉应力区，最大拉应力值约为0.48 MPa。模型边坡岩体的位移主要是向采坑临空面移动，西北坑底附近岩体向上隆起，最大隆起高度有 10.2 cm；东部由于地势比较高，东部山坡最高标高为180 m，预留台阶比较窄，存在两三个台阶并段，东部位移最大达到0.25 m。坡面岩体附近的位移值不大，最大值只有几厘米，表明边坡稳定，无安全风险。

图6 模型应力和位移

4 结论

（1）采用极限平衡法分析评价铜山口铜矿开采现状边坡的10个剖面在4种工况下的稳定性。结果表明：计算的边坡稳定性安全系数都大于规定的许用安全系数 1.2，铜山口铜矿的现状边坡是稳定的。

（2）采用极限平衡法和FLAC3D数值模拟方法相结合来分析露天矿边坡稳定性，将理论和模拟相结合是一种合理可行的方法，为露天矿山提供更为可靠的边坡稳定性边坡评价及参数设计方案。

（3）边坡岩体的强度较高，整体边坡的高度为中边坡，分析安全系数较高，边坡稳定好。