露天矿岩体结构面对边坡稳定性影响特征研究

席 伟，张诏飞

(廊坊市中铁物探勘察有限公司， 河北 廊坊 065000)

SICOMINES铜钴矿位于刚果(金)卢阿拉巴省，矿区面积约11.5 km2，矿石储量达2.5亿t，铜品位3.47%，钴品位0.215%，是世界级的特大铜钴露天矿。王亚明[1-2]根据刚果(金)SICOMINES矿工程地质条件，对矿区进行地质分区，并评价各分区岩体质量。折书群[3]根据水文地质条件，对SICOMINES矿区采场提出坑水疏干措施。崔世新等[4-6]使用井下电视、声波电视、视电阻测井的方法为SICOMINES矿岩体工程地质和水文地质条件提供物探依据。陈兴海等[7-8]根据SICOMINES矿体、地层、构造、工程水文地质等条件分析矿床成因，并建立三维地质模型设计合理开采方案。采场边坡的安全稳定直接决定矿区生产效率和人员财产安全。上述研究主要涉及SICOMINES矿区岩体的工程地质、水文地质条件等方面，而关于岩体结构面的归纳分析、边坡破坏方式及滑坡治理预案的研究内容较少。因此，研究结构面对边坡稳定性的影响、分析边坡破坏机理、提出边坡地质灾害防治预案，对保障露天矿安全开采，弥补和更新矿区工程地质资料，具有重要的理论与实践意义。

1 矿区岩体概况

刚果(金)SICOMINES铜钴矿矿区揭露地层较为简单，主要为RAT岩组。矿区中部分布D坑、M坑，2个露天开采矿坑；其中D坑面积、开采量较高。

1.1 岩体特征

D坑西帮RAT岩组的主要矿物成分为白云石、长石及黏土矿物；随主要矿物成分的差异，发育为白云岩﹑砂岩﹑泥岩，随次要矿物的不同，表现为硅化白云岩﹑白云质砂岩﹑白云质泥岩等，局部表现为砾质结构的砾岩，见图1.

图1 岩组结构图

根据RQD和RMR岩体质量分级方法，结合RAT岩组结构特征，综合判定D坑西帮岩体质量等级，评价结果见表1.

表1 RAT岩组结构类型特征表

1.2 岩体边坡破坏模式

SICOMINES铜钴矿D坑西帮边坡，坡顶高程约1 420 m，坡底高程约1 200 m，边坡高度达220 m，属于高边坡。其中，高程1 260 m以上坡角约38°，1 260 m以下坡角约40°，总边坡角36°，倾向约NE77°.

将D坑西帮RAT岩组的优势结构面产状进行整理，见表2.

表2 RAT岩组优势结构面产状表

通过判断RAT-3岩组优势结构面产状与D坑西帮边坡坡面产状的组合关系，结合赤平投影方法(图2),分析不同优势结构面对边坡稳定性的影响(表3),判断边坡稳定性和边坡破坏模式。

图2 RAT-3优势结构面与边坡面的赤平投影分析图

表3 RAT-XI3岩组的赤平投影分析结果表

各RAT岩组均发育三组及以上优势结构面，满足“三组或多组产状各异的软弱结构面存在，且不与边坡面同向；可判定为圆弧形破坏模式”。RAT-3岩组优势结构面产状45°∠31°的走向与坡面走向夹角处于0～30°，属不稳定边坡，与坡面相切后可能形成平面破坏。综合判定D坑西帮岩体边坡破坏模式为平面型和圆弧形。

2 FLAC3D数值模拟

2.1 模型建立

D坑西帮边坡现状处于稳定状态，随着开采力度的加大，采场边坡逐渐变化，最终达到露天矿设计境界边坡。基于FLAC3D数值模拟软件，建立D坑西帮设计境界边坡的数值分析模型，见图3；布置合理的剖面，见图4；根据Mohr-Coulomb破坏准则，在模型中限制边界条件和自由面,研究设计境界边坡的稳定性。建模范围x=430 777～429 406 m(边坡东西走向)，y=306 836～308 012 m(边坡南北走向)，z=950 m至地表，单元2 158 921个，节点1 698 575个；RAT各岩组力学参数见表4.

图3 设计境界边坡的FLAC3D模型图

图4 计算模型剖面位置图

表4 各RAT岩组力学参数表

2.2 数值模拟分析结果

2.2.1 应力分析结果

模型整体最大主应力图(拉应力为正，压应力为负)，见图5.

由图5可知,受地形影响，模型的应力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；受岩性条件影响，在岩层交接部位、台阶坡面应力状态扰动较大；在台阶坡面附近、地表和岩层浅部存在拉应力区，在模型中部，RAT-1与RAT-2岩组穿插体岩体内，应力扰动比较大，且出现少量的应力集中现象。

图5 模型整体最大主应力云图

2.2.2 位移分析结果

模型整体位移等值线云图见图6. 从图6可知,模型边坡岩体的位移主要是向采坑临空面和自然下沉移动，边坡岩土体变形主要以开挖卸荷回弹变形为主，表现为坡脚处向上的垂直位移增加。

图6 模型整体位移图

2.2.3 塑性区分析结果

根据强度折减法计算，模型各剖面安全系数分别为1.187、1.145、1.187，小于许用安全系数1.20. 各剖面的塑性区分图见图7,8,9.

图7 模型剖面1塑性区分布图

图8 模型剖面2塑性区分布图

图9 模型剖面3塑性区分布图

从图7,8,9可知,各模型剖面的塑性破坏区集中在两个区域，第一个区域为上部边坡的松散岩组及碎裂岩组区域，第二个区域为下部边坡的软弱结构面附近区域。区域岩体质量差，抗剪强度低,导致区域破坏形式均以剪切破坏为主，并伴随少量的拉伸破坏。

3 滑坡治理方案

针对模型两个区域潜在的滑坡体，提出相应滑坡治理措施。

第一个区域上部松散岩组及碎裂岩组，边坡现状已维持30年以上，通过边坡雷达对D坑西帮边坡进行实时监测，见图10，结果显示边坡无显著位移趋势，判定为基本稳定状态，且下方有宽大台阶。因此，边坡治理措施以定期处理浮石进行维护为主。

图10 部分边坡雷达监测位移点云图

第二个区域剖面3的中下部台阶坡脚处是最危险的滑面，其范围约160 m. 拟采用压脚法进行治理，实施对象主要是软弱破碎带上方的滑体及中上部台阶边坡，治理目标是保证边坡稳定性的前提下，减少压矿，节约成本。

3.1 优化方案1

为避免或尽量少的压覆RAT-3岩组内的矿石，但又要保证西帮稳定性最差的剖面3的稳定性，提出局部边坡调整优化方案1.

1) 1 125～1 185 m标高按台阶高度7.5 m，台阶坡面角为60°布置。

2) 1 185～1 215 m(即目前台阶标高)，维持原设计不变。

3) 各台阶的宽度依矿体的赋存条件大小不等，为8.0～23 m.

该边坡调整优化方案1，对剖面3优化示意图见图11，局部边坡调整后各工况条件下的边坡稳定性安全系数的分析计算结果见表5，工况3条件下剖面3的计算结果见图12，13.

图11 优化方案1的剖面3边坡调整示意图

表5 剖面3的边坡稳定性安全系数的计算结果表

图12 优化方案1简化Bishop法计算结果图

图13 优化方案1 M-P法计算结果图

由计算分析结果可知，剖面3按该方案进行局部调整治理施工后，边坡安全系数可达到许用值。该方案对1 090～1 125 m间RAT-3岩组内的矿石有少量的压矿。

3.2 优化方案2

根据矿山现场台阶预裂钻孔倾角的大小(80°)，以及对台阶坡面角的技术要求(一般较坚硬～坚硬岩石台阶坡面角为60°～75°),在原设计的基础上，改变台阶坡面角为70°，提出局部边坡调整优化方案2.

1) 对现状1 215～1 185 m台阶，维持原境界设计不变，即台阶高15 m，坡面角60°.

2) 1 125～1 185 m标高按台阶高度7.5 m，台阶坡面角为70°布置。

3) 各台阶的宽度依矿体的赋存条件大小不等，为9.7～24.3 m.

该方案对剖面3优化示意图见图14，局部边坡调整后各工况条件下的边坡稳定性安全系数计算结果见表6，工况3条件下剖面3的计算结果图见图15，16.

图14 优化方案2的剖面3边坡调整示意图

表6 剖面3优化方案2的边坡稳定性计算结果表

图15 优化方案2简化Bishop法计算结果图

图16 优化方案2 M-P法计算结果图

由计算分析结果可知，剖面3按该方案进行局部调整后边坡安全系数可达到许用安全系数，边坡稳定。该方案对1 080～1 125 m间RAT-3岩组内的矿石有少量的压矿。

3.3 优化方案对比

根据三维模型计算分析得出SICOMINES铜钴矿D坑西帮边坡的剪性塑性区东西跨度约为160 m. 在此基础上对压脚的2种优化方案进行经济技术对比，结果见表7.

表7 治理方案技术经济对比分析结果表

经以上经济技术对比，从满足边坡多工况下许用安全系数及压矿量与施工方便等角度，推荐采用压脚优化方案2对SICOMINES铜钴矿D坑西帮边坡进行治理。

4 结 论

根据刚果(金)SCIMONES铜钴矿D坑西帮边坡工程地质勘察成果，结合FLAC3D数值模拟，对D坑西帮边坡稳定性进行研究，分析边坡破坏机理，对潜在的滑坡体提出治理方案，对边坡稳定和矿区建设具有一定参考意义。

1) D坑西帮岩体质量等级为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，岩组结构面与边坡坡面的组合关系导致边坡破坏模式为平面型和圆弧形。

2) 基于FLAC3D建立D坑西帮设计境界边坡的数值模型，从模型的应力、位移、塑性分区、安全系数变化等方面分析得知：设计境界边坡整体稳定，但局部存在贯通的剪切塑性区，有失稳的可能；破坏形式为剪切破坏和拉伸破坏。

3) 潜在滑坡体主要位于边坡上部松散岩体和剖面3下部岩体软弱结构面附近区域，是滑坡防治重点监测区域。

4) 为治理边坡潜在的滑坡体，通过定期处理浮石的方法对边坡上部松散岩体进行治理。通过使用优化后压脚方案对剖面3下部岩体进行治理。