含软弱夹层露天矿高边坡台阶宽度及台阶坡面角协同优化研究①

方庆红，胡 斌，2，盛建龙，2，李 京，马利遥

（1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081）

露天矿山边坡台阶宽度及台阶坡面角设计直接决定矿山边坡形态与稳定性，也决定边坡最终边帮角，对矿山安全生产及经济效益有重要影响［1］。目前在边坡优化方面，众多学者开展了相关研究并取得了丰富成果［2－7］。但已有研究要么主要针对矿山经济效益，而对边坡参数改变对边坡稳定性的影响欠缺考量；要么主要集中在露天边坡稳定性，研究最终边帮角对边坡的影响、确定最优最终边帮角，但无法得到具体的台阶宽度与台阶坡面角。

本文拟建立系统化台阶宽度及台阶坡面角协同优化循环流程图，以含软弱夹层的四川黄山石灰石矿山高边坡为例，设计不同台阶宽度及台阶坡面角优化方案，采用强度折减法计算得到各方案的边坡稳定性系数，确定最优台阶宽度及台阶坡面角取值。

1 协同优化原理

1.1 台阶宽度及台阶坡面角协同优化设计思路

综合分析和整理现场勘查笔记、工程地质资料、试验资料等，科学合理概化矿山地质情况，结合矿山开采实际情况，逐步优化边坡参数，综合考虑影响边坡稳定性的诸多因素，建立系统化台阶宽度及台阶坡面角协同优化循环流程图，如图1所示。

图1 协同优化循环流程

1.2 强度折减法

强度折减法和极限平衡法是2种常见的边坡稳定性系数计算方法，虽然2种方法所得到的稳定性系数物理意义不同，但2种方法均能反映边坡的稳定状态［8］。研究表明：强度折减法考虑了边坡体的应力，能对边坡进行变形稳定性分析，揭示边坡的变形破坏机制［9］，相对于极限平衡法，强度折减法的主要优势是不用预先定义滑动面，而是通过相关计算结果云图得到边坡的潜在滑动面，预测边坡变形的关键部位［10］。为了准确分析露天矿边坡稳定性，达到边坡优化的研究目的，本文采用FLAC3D进行数值模拟计算，采用强度折减法计算不同边坡形态下的稳定性系数。

2 工程实例

2.1 工程概况

四川黄山石灰石矿山矿区地势南高、北低，最高标高1 229 m，最低标高640 m，相对标高589 m。矿区主要开采矿层为二叠系下统栖霞组（P1q）和茅口组（P1m）水泥用灰岩，由于沉积间断，奥陶系与二叠系之间缺少了部分地层。含粉砂质泥质灰岩层理发育，构成软弱结构面，岩层呈微弧形单斜层状产出。受矿山断层F1及鱼洞口断层F2构造影响，于东部罗沟近峨眉山玄武岩一带略有倒转，向东倒转逐渐加剧，产状直立乃至倒转。该石灰石矿山边坡岩体位于矿区中部罗沟高程720 m以上，开挖边坡最高高程约895 m，残坡积物（Q4）主要分布在700 m标高以上平缓地带和低洼处，间夹少量灰岩、燧石碎块。受单斜层状软弱夹层影响，该软弱夹层力学强度低，发生滑坡主要滑动面为二叠系炭质泥页岩所形成的软弱夹层面。

2.2 计算模型和优化方案

2.2.1 计算模型

根据矿山开采及初步设计，该石灰石矿山边坡原设计参数见表1。其中每隔2个安全平台设置1个清扫平台。矿山与开采直接有关的地层为出露的二叠系下统茅口组，其岩性主要为石灰岩。其中含力学强度低的软弱夹层。选取典型剖面3-3′为例进行边坡台阶宽度及台阶坡面角协同优化计算，图2为剖面3-3′工程地质图。对剖面3-3′进行科学合理的概化，得到原设计计算模型如图3所示。

图2 典型剖面3-3′工程地质图

图3 原设计计算模型

表1 边坡初步设计相关参数

2.2.2 优化方案设计

在边坡原设计方案上，依据《现代采矿手册》［11］，始终保持清扫平台是安全平台的2～2.5倍，设计如表2的台阶宽度优化方案。经验类比国内外石灰石矿山开采设计，台阶坡面角60°～70°，以2°为步长，逐步增陡台阶坡面角，将台阶坡面角划分为6个角度值。用i，j分别表示台阶宽度优化设计方案和台阶坡面角的6个不同取值，则计算方案矩阵为Ci×j（i＝1，2，3，4，5；j＝1，2，3，4，5，6），共30种计算方案。

表2 台阶宽度优化设计方案

3 边坡稳定性分析

根据矿山边坡工程地质条件，分别建立不同方案下剖面3-3′的数值模型，运用FLAC3D及强度折减法对不同方案下的矿山边坡稳定性进行计算分析。

3.1 FLAC3D数值网络模型及边界条件

为消除边界效应及尺寸效应的影响，剖面3-3′划定计算区域取X轴计算范围为0～393 m，Z轴数值向上，取计算范围为0～210 m。网格剖分时，对于软弱夹层采用较密集的单元。模型其余部分采用合理的网格划分技术进行过渡。列举C11数值网络模型如图4所示。根据工程地质条件、岩石力学试验结果和现场勘察报告，岩体力学参数见表3。数值网格模型的计算域底部采用固定约束，垂直于X、Z轴向的左右端面均采用法向约束，山顶及开采临空面均取自由边界。

图4 C11数值网络模型

表3 某石灰石矿岩体物理力学参数［9］

3.2 边坡稳定性系数计算

基于数值模拟软件FLAC3D，采用强度折减法对各个方案进行计算。以C11为例，采用Mohr-Coulomb准则，对有无软弱夹层两种模型进行强度折减计算。图5、图6分别为稳定性系数、剪切应变增量及速度矢量结果和水平位移及位移矢量结果。

由图5及图6可知，不考虑软弱夹层时，剪切应变增量从坡顶至坡脚贯通，计算得到的边坡稳定性系数F＝3.23，水平方向最大位移2.2 mm，主要出现在边坡中下部位；考虑软弱夹层时，剪切应变增量沿着软弱夹层至640平台贯通，此区域即为边坡潜在滑动面，且速度矢量沿潜在滑动面朝向坡外，与该矿山边坡实际情况相吻合。计算得到的边坡稳定性系数F′＝1.78，水平方向最大位移2.6 mm。证明软弱夹层大大降低了边坡稳定性，且易成为边坡潜在滑动面，对边坡稳定性影响巨大。

图5 C11稳定性系数、剪切应变增量及速度矢量结果

图6 C11水平位移及位移矢量结果

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）［12］，确定边坡工程安全等级为I级，考虑开采过程中机械与爆破振动对边坡稳定性的影响，为确保矿山边坡安全，边坡工程设计安全系数取1.25。而现有边坡稳定性系数F′＝1.78，远远大于1.25，因此存在优化设计空间，为满足矿山既安全又经济生产，对边坡现状进行优化是十分必要的。

通过对所有方案Ci×j进行计算，得出各方案边坡稳定性系数计算结果如图7所示。由于方案C46、C55、C56开挖至软弱夹层，形成潜在滑动面剪出口，致使边坡必然以软弱夹层为滑动面产生滑坡，因此舍弃这3种方案。

图7 各方案边坡稳定性系数

由图7可知，当台阶宽度确定时，随着台阶坡面角逐渐增大，边坡稳定性系数逐渐减小，如安全平台5 m、清扫平台10 m时，台阶坡面角从60°逐渐增大至70°，边坡稳定性系数由1.62减至1.11；当边坡台阶坡面角一定时，随着台阶宽度减小，边坡稳定性系数减小，如台阶坡面角64°时，台阶宽度总共减小6 m，边坡稳定性系数由1.64减至1.25。

在确保矿山安全前提下，以“多采矿”为原则，取工程设计的安全系数1.25为临界值，筛选出边坡稳定性系数满足安全系数的组合设计为C26、C35、C53方案，其CAD设计开采面积分别为8 141.82 m2、7 910.76 m2和8 806.27 m2。因此最终确定最优设计方案为安全平台4 m、清扫平台8 m、台阶坡面角64°。

4 结 论

1）建立了系统化边坡台阶宽度及台阶坡面角协同优化循环流程图，更直观清晰地展示了矿山边坡台阶宽度及台阶坡面角协同优化的整个过程，可直接获得最优台阶宽度及台阶坡面角的组合取值，对矿山开采初步设计或优化设计有很好的指导作用。

2）边坡稳定性系数与台阶宽度成正比关系，与台阶坡面角成反比关系。随着台阶宽度减小、台阶坡面角增大，边坡稳定性系数降低。

3）软弱夹层大大降低了边坡稳定性，且易成为边坡的潜在滑动面。在矿山开采过程中应实时监测，防止边坡以软弱夹层为滑动面产生滑坡灾害。

4）该露天矿优化后的组合取值为安全平台宽度4 m、清扫平台8 m、台阶坡面角64°。相比现开采设计，安全平台宽度减小了2 m，清扫平台宽度减小了4 m，台阶坡面角增陡了4°。