某露天矿边坡稳定性分析

刘志军 ，周丹 ，鄂玉强 ，李昕蔚 ，王筱添 ，廖九波

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012；3.江钨控股集团 九江有色金属冶炼有限公司， 江西 九江市 332000)

0 引言

在露天矿山生产中，露天采场开采境界参数的合理选择对矿山企业的安全具有重要意义。因此，选择经济合理的剥采比尤为重要。在露天开采境界众多参数中，最终边坡角的影响最直接，而最终边坡角对边坡最大影响是其安全稳定性。因此，判断边坡参数设计是否合理的重要手段是进行边坡稳定性分析，优选出既能保证边坡安全又能取得更多经济效益的露天边坡参数[1]。

边坡稳定性影响因素主要包括构成边坡的岩土体力学参数、几何参数及外界作用力，岩土力学参数主要有容重、泊松比、弹性模量、内摩擦角、黏聚力等；几何参数包括台阶高度、坡度、边坡高度及最终边坡角；外界作用力主要为地震力和爆破震动[2]。

为取得准确的边坡稳定性分析数值，人们通常借助于高效的计算机软件。目前应用较多的边坡稳定性分析软件主要包括：理正、ABAQUS、Geo-Slope、Geo-Studio、FLAC、Midas_GTS 等，其中Geo-Slope软件在模拟孔隙水压力对边坡稳定性影响中具有广泛应用。

本文为判断某露天矿边坡设计是否合理，选择4个典型横剖面作为边坡分析对象，采用Auto CAD和Geo-Slope软件辅助建模，模拟边坡在不同环境条件下的失稳滑移过程，计算边坡安全系数并与规范值比较，最后对边坡安全维护提出相关建议。

1 露天边坡参数选取

1.1 露天采场概况

某露天矿岩体呈岩基状产出，岩性为细中粒黑云母二长花岗岩，白云母二长花岗岩，呈浅肉红-灰白色，细中粒花岗结构，块状构造。主要由条纹长石、钠-更长石、中长石、正长石、石英、黑云母组成。矿区范围内原始地形完整，整体稳定。

根据矿山岩石力学条件，经露天采场境界优化，设计露天采场边坡参数。台阶高度为15 m；终了台阶坡面角：未风化花岗岩矿取 70°，第四系、全风化及强风化层取40°；安全平台宽为4 m；清扫运输平台宽为8 m；每2个安全平台留一个清扫平台；运输道路净宽9 m，最终边坡角为52°。

经现场调研及室内岩石力学试验，得出该露天矿岩土边坡主要岩石力学性能参考值见表1。

表1 某露天矿边坡主要岩石力学性能指标

1.2 边坡剖面选取

根据现场踏勘与图件分析，选取露天采场4个典型剖面作为边坡稳定性分析模型，所选边坡剖面在平面上的位置见图1。同时考虑地下水作用，经进一步完善后的边坡模型见图2～图5。

图1 所选边坡平面位置

图2 1-1剖面

图3 2-2剖面

图4 3-3剖面

图5 4-4剖面

1.3 边坡安全系数取值

根据露天矿山采场边坡相关规范要求，按边坡组成要素相关参数的不同，可将边坡危害等级分为以下3个等级：I级边坡，综合评定危害很严重；Ⅱ级边坡，综合评定危害严重；Ⅲ级边坡，综合评定危害不严重。

经调研分析得出：该露天矿边坡如发生滑坡事故，可能危及露天采场运输系统，造成厂房设备损坏，致使生产中断，甚至造成人员伤亡，势必产生非常恶劣的社会影响。而此次设计的最大边坡高度为236 m，因此边坡安全等级为I级。

由《岩土工程勘察规范》可知，露天矿山永久边坡整体安全性最小安全系数应满足以下要求：当边坡同时受自重+地下水作用，其安全系数不小于1.20～1.25；当边坡同时受自重+地下水+地震力作用，其安全系数不小于 1.15～1.20。为增加数值模拟的可靠性，该露天矿边坡在不同作用条件下要求的最小安全系数均取大值。

2 露天采场边坡稳定性分析

2.1 边坡破坏类型

露天矿边坡稳定性分析是一项复杂的工程，其影响因素复杂多变，不同矿山具有不同的工程地质条件，且露天矿山边坡工程具有明显的时效性、可变形性和动态变化特点。因此露天矿边坡明显区别于其他工程地质边坡[3]，其岩质边坡是一个复杂的地质组合体，导致其变形破坏的因素和方式也复杂多样，但总体而言，在工程实际中最常见的边坡破坏类型主要有：平面滑动、圆弧滑动、楔形破坏、倾倒破坏以及溃屈破坏等[4]。由于该露天采场边坡岩石构造较为完整，因此在数值模拟过程中边坡破坏模式主要表现为圆弧滑动。

2.2 边坡稳定性分析方法

随着计算机技术的迅猛发展，边坡稳定性分析方法亦呈现出多样性，归结起来其计算原理都是一致的。目前，应用较多的计算方法主要包括：强度折减法、极限平衡法、毕肖普法、余推力法、有限元法及非连续介质力学等[5-6]。本次露天边坡稳定性分析采用极限平衡法，以安全系数作为评价指标。计算时采用边坡稳定性分析软件Geo-Slope进行计算，根据边坡各岩层的不同内摩擦角与黏聚力，模拟边坡潜在滑移面在不同条件下的破坏过程，计算出边坡稳定性安全系数[7-8]。

2.3 边坡稳定性分析结果

影响边坡稳定的因素包括边坡形态（主要包括边坡形状、边坡高度、服务年限及风化层划分）、岩体自身物理力学性质、地下水、爆破振动。为便于分析，本次数值模拟仅考虑边坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用下的稳定性情况。根据中国地震带划分，本露天矿所在地抗震烈度为6°，设计地震加速度值为0.05g。经计算，得出边坡稳定性计算成果见表2。

表2 露天边坡稳定性计算结果

由表2可知，4个典型边坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力条件下的安全稳定系数都大于其规范值1.25和1.20，且安全系数均在一级重要工程取值范围内。表明该露天矿边坡稳定安全储备足够，边坡处于稳定状态，露天采场边坡稳定计算滑动过程见图6～图13。

图6 1-1纵剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水）

图7 1-1横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水+地震力）

图8 2-2横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水）

图9 2-2横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水+地震力）

图10 3-3横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水）

图11 3-3横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水+地震力）

图12 4-4横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水）

图13 4-4横剖面边坡稳定计算示意（自重+地下水+地震力）

3 结论与建议

3.1 结论

本文为分析某露天矿边坡设计参数是否合理，经现场踏勘选取4个典型边坡，用Geo-Slope软件建立边坡模型，并为边坡选取合适的岩石力学参数，基于极限平衡原理采用Morgenstern-Price方法，分析边坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用条件下潜滑面的安全稳定性，经分析计算得出以下主要结论：

（1）4个边坡在自重+地下水作用下的安全系数分别为 1.54，1.51，1.69，1.64，均大于规范值1.25；在自重+地下水+地震力作用下的安全系数分别为1.44，1.40，1.56，1.54，均大于规范值1.20，由此表明该露天矿边坡设计参数是合理的；

（2）露天采场边坡潜滑面滑移破坏主要集中在边坡中部，不同边坡形状对安全系数具有一定影响，同一边坡在地震力作用下其安全系数会有所降低。

3.2 建议

基于上述结论，结合矿山实际提出以下边坡维护治理建议：

（1）矿山在正常生产中应加强进行岩石力学试验、工程地质调查及水文地质调查等相关研究工作；

（2）加强对边坡稳定性管理措施，及时对已产生裂隙或错动的边坡岩体进行加固处理，根据现场实际情况，可采取预应力锚索锚固、钢筋网+喷射砼或土工格栅等支护措施；同时建议矿山每隔3～5年开展专门的边坡应力、应变监测工作，确保矿山生产安全；

（3）为减小爆破振动对露天边坡稳定性影响，在实施露天台阶爆破时应采取预裂爆破技术，减少爆破振动对边坡的扰动破坏；

（4）加强边坡防排水治理措施，台阶边坡做好截洪沟、排水沟，及时排放大气降水及地下水，以保证边坡的稳定性。