国内某矿山露天采场边坡稳定性分析

蓝秋华

（新疆金宝矿业有限责任公司）

岩石边坡稳定性研究是露天矿边坡工程中的核心问题，对于一座大型露天矿山，由于工程地质、水文地质条件复杂以及矿坑开拓运输方式不同，使矿坑各部位的稳定边坡角值也各不相同［1-3］。国内某矿山采场范围大、边坡走向长度长、开采深度大，加之矿区断层较多、节理发育，整个矿山的边坡结构复杂［4-6］。本研究通过对国内某矿山露天采场边坡岩体结构面特征、力学特性以及可能产生变形破坏的部位、模式与范围进行分析，为确保采场安全生产提供参考。

1 矿山概况

1.1 地形地貌

某矿山位于阿尔泰山脉中部西南边缘山前地带，为中低山地形，海拔1 000～1 400 m，相对高差50～400 m。地形变化大，切割深度50～100 m，多发育“V”形谷，属构造剥蚀侵蚀型低中山地貌，总体趋势为北高南低［7］。

1.2 矿区地质构造

矿区处于克兰复式向斜与巴拉额尔齐斯复式背斜的接合部位，褶皱和断裂均较发育。矿区构造总体格架呈NW—SE向展布的复式向斜和断裂组合带，与区域构造线基本一致。 矿区主要褶皱为铁木下尔滚向斜，为麦兹复向斜北东翼的次级褶皱。该向斜位于蒙克木背斜的北东侧，为紧闭线性褶皱。向斜北西起于可依洛甫沟一带，南东到巴利尔斯河以东，长度大于15 km，轴迹走向295°～305°，北西部稍向北弯曲尖灭。区内断层为F3断层，处于铁木下尔衮向斜两翼，向南东分为2 个分枝，分别为蒙库铁矿床含矿层位的北东边界和南西边界，延伸10 多千米出图，走向290°～300°；北分枝向南西陡倾斜，南分枝向北东陡倾斜，倾角大于82°，近于直立。

1.3 地层结构

该区位于铁木下尔衮向斜南翼，地层主要分布在下泥盆统康布铁堡组下亚组第二岩性段的变质岩层中，产状（335°～32°）∠48°～79°。边坡为层状岩体边坡中的同倾斜向边坡，破坏模式为楔体形，岩性上可分为片麻岩、变粒岩等，为较坚硬岩—坚硬岩，发育2组节理，岩体较完整，呈块状结构，整体性强度较高，结构面互相牵引，岩体基本稳定，局部存在不稳定的结构体滑动。层状较坚硬碎屑岩组分布于矿区大部分地区，岩性为下泥盆统康布铁堡组下亚组第二岩性段的含斑中粒角闪斜长片麻岩、条带状角闪斜长片麻岩、磁铁变粒岩、磁铁钙铁辉石变粒岩、石榴钙铁辉石岩、黑云母片岩、斜长角闪岩、大理岩。岩体呈块状构造，岩石风化程度不高，厚度不大，以微风化为主。地表岩体较完整，边坡内部岩体较完整—完整。由地表向深部岩体完整程度逐渐增大，除了发育有构造破碎带以外，岩体完整程度均较高。岩石单轴饱和抗压强度为51.1～113 MPa，除了边坡内部部分因构造破碎带造成的岩体较破碎外，其余均为较完整的较坚硬岩体。该岩组工程地质条件较好。

1.4 边坡等级划分

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）［8］相关规定，边坡高度大于500 m 即为超高边坡，根据国内某矿山露天采场终了设计境界图，终了边坡高度最高约912 m，为超高边坡，其边坡工程安全等级划分见表1；露天采场边坡受到的荷载类型包括I、II 和III 组合荷载，其许用安全系数应满足表2的要求。

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注：荷载组合I为自重+地下水；荷载组合II为自重水+地下水+爆破动力；荷载组合III为自重+地下水+地震力。

本研究重点分析在荷载组合I 和荷载组合III 下的边坡稳定性情况。根据相关设计，矿区露天矿边坡高度最高将达到912 m，根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）［8］，本区边坡为高边坡，边坡工程安全等级为Ⅰ级。因此，根据表2要求，确定本次边坡稳定性计算允许安全系数为：在荷载组合I 下边坡最小安全系数下限为1.20，在荷载组合III 下边坡最小安全系数下限为1.15。影响边坡稳定性的动力学指标主要有爆破振动和地震，矿区基本烈度属于8度区，稳定性计算中取综合地震动影响系数0.05。本研究通过分析剖面稳定性计算，发现该矿露天边坡生产的爆破振动力小于天然地震力，加之爆破与天然地震同时发生的概率极小，因此在总体爆破稳定性计算时，将其计入天然地震力。

2 岩体结构特征

铁木下尔衮向斜是矿区的主要控矿构造，向斜轴面总体倾向NE，倾角为18°～85°。本区位于向斜南翼靠近构造的核心位置，地层明显受该向斜构造控制，近顺层状产出，呈不规则的似层状、透镜状。坡面上岩层产状为（335°～32°）∠（48°～79°）。由于现场开采条件所限，本次仅对边坡进行了1条详测线测量，对详细测线实地测量获取的产状信息通过相关软件绘制等密图，进而确定优势结构面。进一步用专业分析软件对三维激光成果进行分析，结果见图1、图2。分析发现：优势结构面类型与等密度图分析结果一致。

3 稳定性计算

3.1 边界条件设置

本研究边坡稳定性计算时，将采坑降落漏斗外边缘处的水头概化为定水头边界，上游定水头边界从边坡顶部往外延伸，其延伸范围一般取采场边坡高度（从坑底算起）的0.5～2.5 倍［9］。同时，根据矿区地质勘察及水工环地质勘察钻孔实测的地下水位值，综合确定上游边界水头值。下游边界根据采场作业要求，坑底不能积水，故一般均选取坑底标高为定水头边界，故取其压力水头值为零。在此基础上，本研究应用极限平衡法进行稳定性分析计算。

3.2 极限平衡分析

根据反演计算所获取的强度参数，本研究利用Geo-studio 软件进行稳定性计算，采用极限平衡法［10-11］分析边坡稳定性，结果见表3。

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由表3 可知：1-1#剖面在荷载组合Ⅰ、Ⅲ工况下安全系数为1.660、1.557（简化Bishop 法），边坡整体稳定性在各工况下满足规范允许要求，安全储备充足，边坡处于稳定状态。

3.3 局部稳定性分析

根据现场踏勘可以发现，露天矿西侧存在影响边坡稳定性的一块滑体KT01，受2 组结构面控制，呈楔形破坏形成。本研究对该块体进行局部稳定性分析计算，确定模型为楔形体（图3），稳定性计算结果见表4。

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通过对结构面KT01 进行稳定性分析，边坡局部稳定性在各工况Ⅰ、Ⅲ满足规范允许要求，边坡局部处于稳定状态。

4 边坡破坏模式分析

现场勘察结果显示：滑动面顺倾层理在边坡中部切断出露，边坡东侧一层层叠层状压制约束，导致1 080 m平台裂缝东西偏南平行等间距排列。南帮东侧更明显看出这种层理赋存特征，边坡面走向完全一致、崩塌少、规模小，表明从三维角度分析顺倾边坡发生滑移式崩塌的前提是单侧或两侧存在解除约束的小断层等。节理面与边坡小角度斜交，局部台阶构成平面破坏，从而造成岩体坡脚局部破坏，下部滑体在快速卸荷、爆破作用下损伤强度进一步衰减，为顺层屈曲破坏创造了条件。随着BT01 坡脚屈曲破坏，造成上部顺层结构体进一步牵引变形，形成多级牵引滑动（图4）。矿区大部分崩塌以坡脚溃屈破坏为主。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。

5 结 论

结合国内某露天矿山，利用三维激光扫描成果及赤平投影法、反演分析方法，讨论了采场边坡岩体的结构面特征、力学特性以及边坡破坏模式，得出如下结论：

（1）根据三维激光扫描结果，确定了岩体优势结构面，揭示了某露天采场边坡岩体的结构面特征以及破坏模式，即坡脚局部破坏，下部滑体在快速卸荷、坡脚发生溃屈破坏，局部边坡受结构面控制，出现楔形破坏。

（2）边坡岩体质量良好，节理发育少，岩体较完整，呈现为微风化状态，岩体质量良好，物理力学性质较好；边坡总体与局部呈稳定状态，满足规范允许要求。