江西某金属矿露天采区边坡稳定性分析

张丹丹，付 俊，石飞

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.云南上立矿业有限公司，云南 昆明 650299）

从上世纪开始各国就加大了露天开采的比重，快速发展的工业迫切需要更多的矿产资源，这促使了很多矿山从一开始的浅部开挖转向深部开采，开发利用深部的矿石资源。在上述大环境下，露天矿山发展迅速，开采规模日益增大，但是越来越多的露天矿事故引起了人们的重视，露天边坡受到开采过程中的扰动而出现潜在的危害，甚至产生滑移破坏，造成边坡失稳，进而给矿山的生产安全和经济效益带来很大的影响[1-5]。

为了深入研究边坡稳定性问题，国内有很多学者开展了大量工作，也取得了一些实质性的进展。李佳伦[6]为了研究边坡稳定性，通过Bishop法和正态分布3原则进行计算，得到黏聚力对边坡稳定性的影响是最大的。王思源[7]提出了改进的矢量和法，该方法同时考虑到边坡的剪切﹑张拉破坏，且在搜索边坡滑动面时采用强度折减法，为探究边坡稳定问题提供了一种新的思路。杨意德[8]利用FLAC3D对司家营研山铁矿边坡进行数值模拟，通过现场实际的协同监测数据验证数值模拟的结果，最终得到实际开挖时边坡呈现出向着临空面方向变形的趋势，现场的协同检测系统的检测结果验证了数值模拟。刘新盘[9]等通过使用Geo-Slope软件计算出现状边坡的安全系数值，并对其稳定性进行评价，优化了危险剖面的设计方案。耿剑统[10]等采用极限平衡法迭代计算结合相关理论研究边坡稳定性，依托上房沟钼矿采场实例提出了有效的边坡防治方案。陈蕾[11]采用MIDAS对表孔溢洪的洞口边坡进行稳定性分析，计算得到该边坡周边的支护设计方案合理可行，边坡稳定性较好，为类似工程的开发提供了一定的借鉴意义。程志超等[12]利用DIPS和FLAC3D对分析了边坡的破坏形式﹑模拟边坡稳定性，最终结果表明边坡稳定性较好。侯敏[13]将大峰露天矿边坡分为两种潜在的破坏形态：顺层滑坡﹑圆弧形滑坡，结合理论和数值模拟进行分析，并根据正交实验最终确定了最优边坡结构参数。苏振宁等[14]提出了三维的边坡稳定性分析方法，提出并证明滑动面上土体在任意滑动方向上的极限状态均等价于滑动面土体整体，再结合刚体极限平衡理论，定义局部安全系数。张标等[15]在岩体抗剪强度中引入了饱和度﹑单轴抗压强度分析其对边坡稳性的影响，得到饱和度在一定范围内对边坡岩体的抗剪强度和稳定性系数影响显著。

本文以江西某金属矿采区为研究对象，基于矿山收集的地质报告﹑现状地形图和地质剖面图建立三维地质模型，结合边坡工程地质分区及各分区的主要破坏模式，运用极限平衡法（Bishop法﹑Morgenstern-Price法）﹑强度折减法对现状边坡稳定性进行分析计算，以三维地质模型各分区主剖面图作为二维模型剖面分析基础，并且采用MIDAS/GTS软件进行三维数值模拟计算，分析采场边坡的稳定性，为矿山边坡的设计和生产安全提供了依据。

1 工程地质概况及边坡现状

1.1 工程地质

该金属矿露天采区根据成岩构造﹑岩性﹑结构特征及坚硬程度，区内岩土体工程地质类型按坚硬程度可分为松散软弱岩类﹑半坚硬岩类﹑坚硬岩类等三大类型；矿区第四系松散软弱岩类主要为残坡积层﹑冲洪积层。其中残坡积层岩性一般为碎石粉质粘土；冲洪积层主要分布在矿区东部南山河两岸呈带状分布，其余仅在山间﹑缓坡处零星分布，其主要成份为砾石﹑砂土等。风化松散软弱岩类，主要有强风化岩和中等风化的半坚硬岩石，其次有弱风化的强绢云母化﹑强绿泥石化或强糜棱岩化等千枚岩类。风化松散软弱岩类岩石松散软弱，较易透水含水，多数岩石易软化﹑散解，工程地质性质较差。半坚硬岩类主要为微弱风化的变质岩类及中等风化的坚硬岩，其次为新鲜的强绢云母化﹑强绿泥石化或强糜棱岩化等千枚岩类。该岩类工程地质性质中等，对边坡稳定性影响中等。坚硬岩类主要为强硅化绢云母化蚀变带及弱硅化蚀变带的岩矿体。

矿体和围岩均由蚀变千枚岩和花岗闪长斑岩组成。围岩与矿石的金属含量和蚀变强度有所区别，其它无多大差别。斑岩体与千枚岩接触带铜钼矿化和蚀变最强，矿岩硬度大，稳定性较强好。远离接触带稳固性逐渐减弱，矿体外侧围岩为矿化﹑蚀变较弱的千枚岩类，岩体中心为弱蚀变花岗闪长斑岩。

1.2 边坡现状

（1）已有边坡

该金属矿露天采区主要存在官帽山﹑5#山头山﹑马行山﹑南平山﹑张家山5个边坡，已经形成+425m﹑+410m﹑+395m﹑+380m﹑+365m﹑+350m﹑+335m﹑+320m﹑+305m﹑+275m﹑+260m﹑+245m﹑+230m﹑+215m﹑+200m﹑+175m﹑+155m﹑+140m﹑+110m台 阶，各 台阶高度一般为15m，台阶坡面角50～64°，台阶宽度15～127m，最终边坡角20°～30°，正在生产作业的平台有+410m﹑+395m﹑+185m﹑+125m和+170m台阶，其中+110m为目前最低开采标高。

（2）边坡靠帮情况

各边坡靠帮台阶如下，官帽山边坡：+440m～+575m；3#山头山：+440m～+575m；5#山头山：+230m～+395m；马形山边坡：+170m～+350m；南平山边坡：+170m～+410m；张家山边坡：410m～+605m；现状地形图如图1所示。

图1 边坡现状分布图

1.3 边坡破坏模式

（1）平面破坏

当地质不连续面（如层面﹑节理）的走向平行于坡面并倾向露天坑，且倾角大于岩体内摩擦角时，边坡易产生平面滑动破坏。在岩石边坡中平面破坏比较少见，通常情况下把平面破坏当作比较普遍的楔体破坏的一种特殊情况来进行分析。

（2）楔体破坏

当两个不连续面的走向斜交坡面，且其交线在坡面上出露时，如果此交线的倾角大于摩擦角，则被这两不连续面所切割成的岩石楔体将沿交线下滑，形成边坡的楔体破坏。

（3）圆弧破坏

当岩质边坡中岩体软松散﹑岩体节理异常发育或已经破碎（如在废石堆中），边坡破坏也将由一个单一的不连续面来确定，破坏面通常为圆弧形。

（4）倾倒破坏

当边坡逆层节理异常发育，且接近铅垂方向时，在自重及地震荷载作用下，边坡容易产生向前方倾倒的破坏现象。

（5）溃屈破坏

顺层边坡当层状结构面比较密集，岩层较薄时，开挖到一定高度后，坡脚处应力集中，在坡脚产生岩层发生弯曲隆起变形，进而发展为坡脚岩层断裂，上部边坡出现滑动破坏，该类边坡破坏为溃屈破坏。

（6）复合滑坡破坏

复合型滑坡是由上述两种或两种以上形式组合而成的滑坡。由于岩土体的工程地质条件的复杂性，受影响条件多，所以在实际工程中的滑坡大多属于复合型滑坡。

2 三维地质模型建立及剖面选择

2.1 三维地质模型建立

基于该矿区最新实测的采区现状图创建了采区的开采现状地形模型，并对其进行高程色彩赋值。在DIMINE软件平台构建原始地形模型的方法为：（1）在Auto CAD中将原始地形地质图调整至真实的坐标位置；（2）将Auto CAD软件中“.dxf”格式的等高线文件导入DIMINE中，通过高程赋值的方法赋予每一条等高线正确的高程值；（3）通过DTM创建功能将赋值后的等高线生成三维地表模型，并根据实际地形裁剪边界多余部分，形成最终地形模型。

本采区现状地表模型基于北京54平面坐标系统构建，其平面范围为X=3207800～3211798﹑Y=39571800～39575900，由图2可看出，经开采后的现状地表模型高程范围约在+95m～+620m之间。

图2 露天采区地表模型（三维视图）

2.2 剖面选择

根据采区开采现状，将区内现状边坡构成划分为5个边坡区域。在对采区综合分区的基础上，结合边坡实际情况，在各分区分别布设1～2个典型剖面进行稳定性分析，典型剖面示意图如图3所示。

图3 典型剖面示意图

以三维地质模型各分区主剖面图作为本次二维模型剖面分析基础，由于不同蚀变程度的岩石力学参数变化不大，因此考虑将其统一概化为同一种岩性进行计算分析，经过剖面概化后，边坡主要岩性为千枚岩，边坡底部区域存在部分斑岩，以此进行各分区剖面稳定性分析，典型计算剖面概化示意图见图4。

图4 典型计算剖面概化示意图（南平山边坡4-1剖面）

根据现场调查以及以往相关资料分析，各区选取1～2个典型代表剖面进行分析。此外，根据现场调查及矿山资料，马形山边坡区域已经进行边坡加固治理，该部分区域计算时加入锚杆单元进行模拟。矿区所处区域地震基本烈度为小于Ⅵ级，根据相关规范不要求进行地震工况模拟分析。

综上，根据规范要求，本次稳定性分析共设定2种荷载组合：荷载组合I为自重与地下水；荷载组合II为自重﹑地下水与爆破振动力，安全系数计算结果取三种计算方法（Bishop法﹑Morgenstern-Price法﹑强度折减法）中的最小值。

由于本次计算边坡主要岩性均为千枚岩，斑岩含量较少，因此在计算建模时将斑岩进行概化处理，岩性均为千枚岩。

3 现状边坡稳定性分析

3.1 三维数值模拟分析

3.1.1 模型建立

本次三维数值模拟分析采用MIDAS/GTS，该软件适用于三维边坡稳定性分析，提供了16种岩土体本构模型，且用户还可以自定义本构模型。因此，在岩土领域得到了广泛应用。在建模计算过程中做以下假定：

（1）不考虑离主要研究对象较远的小矿体和细小结构面的影响；

（2）每一种岩体都视为各向同性的连续介质；

（3）在计算中地应力仅考虑自重应力的作用，忽略地震波﹑爆炸冲击波﹑构造应力等因素对岩体稳定性的影响。

通过对采区地表﹑矿体及地层界线数据的提取和分析，建立了矿区数值计算模型。模型范围：x方向范围：-748～3038.83；y方向范围：-818.75～2472.88；z方向范围：-380～600。模型x方向长3786.83m，y方向长3291.63m，模型单元总数约554925个。模型建立的具体步骤如下所示。

地表标高等值线，并赋等值线实际标高，运用Midas-GTS地表生成器生成地面，根据矿山露天开采台阶模型建立，对地表模型进行布尔运算，生成露天矿山境界实体模型，见图5。将建好的三维模型进行网格划分，网格由外至内逐渐精细，三维模型包含节点数为266947个，单元体个数为554925个，边坡几何模型如图6。

图5 露天采区建模实体图

图6 采区数值计算网格

3.1.2 计算结果

对各采区边坡区域进行应力场及塑性区分布分析。根据初步分析结果，验证边坡现状二维稳定性分析计算结果如图7，完成采区三维数值模拟分析。

由应力云图可见，各边坡最大应力值分布趋势大致相同；由最小应云图可见，各边坡以负值为主，小部分呈现正值，说明边坡主要表现为压应力，拉应力影响较低。由剪应力云图可见，剪切应力主要集中在官帽山边坡区域﹑马形山边坡区域以及底部台阶区域。由潜在滑动面及潜在破坏区云图可见，南平山边坡及张家山边坡均出现潜在滑移区域，说明采区重点关注区域位于张家山边坡区域。

3.2 整体稳定性分析

由上述三维模拟可知，张家山边坡区域存在潜在滑移区域，因此采用3种计算方法对张家山边坡进行2种荷载组合条件的边坡稳定性分析，分析结果如下图8～9所示：

图9 5-1剖面荷载组合II计算结果图

（1）荷载组合I

（2）荷载组合II

安全系数计算结果如表1所示：

表1 安全系数计算结果

根据计算结果分析，5-1剖面（张家山边坡）在荷载组合I﹑荷载组合II工况下安全系数值均大于规范要求值，边坡发生破坏概率较低，但5-1剖面（张家山边坡）安全储备不足。

3.3 局部边坡稳定性分析

在整体边坡稳定性分析的基础上，采用局部边坡稳定性分析，对张家山边坡（5-1剖面+185m～+365m﹑+395m～+590m），具体分析结果如下图10～11所示：

图10 计算结果图

图11 计算结果图

（1）荷载组合I

（2）荷载组合II

安全系数计算结果如表2所示：

表2 安全系数计算结果

根据区域边坡计算结果分析，在自然条件（荷载组合I）以及爆破条件（荷载组合II）下，V区（张家山边坡）安全系数值虽然满足规范要求，但安全储备不高，有平面破坏及楔形体破坏的可能。

4 边坡防治措施

（1）Ⅴ区张家山边坡主要岩性为千枚岩，5-1剖面最低安全系数为1.18，基本满足规范要求，整体较稳定。个别台阶岩体相对破碎，受到局部断层影响，台阶存在楔形体破坏﹑平面破坏的可能，故日常生产过程中要加强该区域的检测，直到消除隐患。

（2）在矿山深部岩层揭露及下部台阶靠帮后，及时开展工程地质调查及相关岩石力学研究，为今后的安全生产提供更为科学的依据。

（3）根据本次研究及按相关规定采取科学的边坡监测预警措施，在重点区域布设监测设备，监测生产过程中边坡岩体的变化趋势，确保后续开采的生产安全。

5 结论

本文以江西某金属矿露天采区边坡为例，通过采用Bishop法﹑Morgenstern-Price法﹑强度折减法和三维数值模拟的研究方法，分别计算在自重及爆破两种载荷组合下边坡的安全系数，结论如下：

（1）利用MIDAS/GTS模拟江西某金属矿露天采区边坡，由最大主应力图﹑潜在滑动面及潜在破坏区云图可见，张家山边坡存在潜在滑移﹑平面破坏的可能。

（2）通过采用不同稳定性计算方法，计算出自重及爆破荷载作用下两种工况的安全性，结果表明，边坡在两种工况下均处于稳定状态。

（3）本研究存在不足之处，在对边坡进行三维数值模拟分析时没有考虑断层或结构面影响，在进行分析时，将边坡岩体简化为同一岩性。因此，后续需要根据具体地质勘探对边坡岩体根据地质构造进行细化分析。