基于3DMine 的露天矿边坡稳定性分析研究

席 伟，张诏飞

（廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000）

露天矿开采过程中，边坡的稳定状态直接影响着矿区生产。边坡岩体的物理力学性质、地下水、爆破震动等因素都影响边坡稳定性。因此，根据露天矿边坡实际工程条件，研究影响边坡稳定性的因素，做出科学合理的防治灾害的措施，对矿区安全生产具有重大意义。

目前针对露天矿边坡稳定性的研究，除了传统的极限平衡方法，众多专家学者将数值模拟分析方法运用到边坡稳定性评价和矿区生产领域［1-6］。张晨洁等［7］基于3DMine 软件对矿区的开采境界边坡进行优化设计，降低了剥采比，提高了矿区开采效率。张廷凯等［8］基于3DMine 建立矿区断层模型，研究分析断层与矿体的空间关系及断层对矿区安全开采的影响。何旭等［9］通过3DMine 建立矿区地质模型，导入FLAC3D 分析边坡稳定性，通过数值模拟验证岩体物理力学参数的合理性。李浩等［10］基于3DMine的Morgenstern-Price 法计算矿山排土场的安全系数，为戈壁平地型排土场散体边坡安全提供参考。

上述研究表明：采用数值模拟研究边坡稳定性，是一种简便高效的分析方法，3DMine 软件被广泛运用到矿区生产建设中。

1 3DMine 软件的特点

3DMine 软件是我国第一款拥有自主知识产权、采用先进三维引擎技术、符合国际行业标准且全中文操作的三维矿业软件系统。软件的主要特点是将二维和三维界面技术的完美整合，使用AutoCAD 通用技术和操作风格，操作方便、快捷；支持选择集的概念，快速编辑和提取相关信息；集成国外同类软件的功能特点，步骤更为简单；交互直观的工程设计；被广泛运用固体矿产的地质勘探、矿山三维建模、地质储量计算和矿体的三维可视化，而在工程地质勘察项目中的应用成果相对较少［11］。

在边坡岩体稳定性评价中，3DMine 软件通过建立三维地质模型，将地质勘察工作中的地质、物探等各种平面、剖面图实现三维可视化，对地质勘察成果的分析与边坡剖面异常的展布情况有直观的显示。通过模拟多种工程地质环境，计算边坡异常展布剖面的安全系数，与设计许用安全系数做对比，查探边坡异常展布剖面的范围、危害程度，为边坡稳定防治提供理论参考。3DMine 软件大大减少了人工工作量，极大地提高了工作效率，在地质勘察工作中应用3DMine 三维软件，对整个地质勘察工作具有十分积极重要的作用［12］。

2 模型建立

刚果（金）SICOMINES 铜钴矿位于刚果（金）卢阿拉巴省科卢韦齐市，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。矿区中部分布D 坑、M 坑，2个露天开采矿坑；其中D 坑面积较大、开采量较高，D 坑西帮已形成高约232 m、边坡角约为36°～38°的现状边坡，如图1 所示。

图1 D 坑西帮边坡全貌

2.1 计算剖面设置

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。结合地质勘探资料及现场调查，基于3DMine 建立设计境界边坡的地质模型，通过布置7 个剖面分析边坡的稳定性。各剖面详细信息和位置如表1、图2、图3 所示，其坐标系统为CLARKE1866 坐标系。

表1 各计算剖面详细信息表

图2 建立的3DMine 实体工程地质模型

图3 各计算剖面位置图

2.2 计算参数的选用

D 坑西帮边坡岩体主要为RAT 岩组，结构类型分别为散体结构（RAT XI-1）、碎裂状结构（RAT XI-2）、层状和块状结构（RAT XI-3），如图4 所示；各岩组物理力学性质参数如表2 所示。

图4 岩组结构图

表2 各岩组物理力学性质参数

2.3 安全系数的选取

通过参考国内外矿山边坡的安全系数，结合D 坑西帮边坡实际情况，综合确定SICOMINES 铜钴矿D 坑西帮边坡工程在5 种工况条件下的设计许用安全系数［K］如表3 所示。

表3 各工况条件下设计许用安全系数

若剖面计算所得的安全系数：K＞［K］时属稳定；1＜K＜［K］时基本稳定，K＜1 时不稳定。

3 边坡稳定性分析

根据简化Bishop 法（圆弧形破坏）、Morgenstern-Price 法（折线复合型破坏）等极限平衡分析方法，计算SICOMINES 铜钴矿D 坑西帮设计境界边坡在5 种工况条件下的安全系数，分析边坡稳定性。

3.1 剖面的安全系数

通过计算7 个剖面在5 种工况条件下的安全系数（如表4～8 所示），与设计许用安全系数对比，查找危险剖面的潜滑面位置。

表4 工况1 设计境界边坡稳定性计算结果

表5 工况2 设计境界边坡稳定性计算结果

表6 工况3 设计境界边坡稳定性计算结果

表7 工况4 设计境界边坡稳定性计算结果

表8 工况5 设计境界边坡稳定性计算结果

由表4～8 可知：通过2 种极限平衡方法计算，综合判定D 坑西帮设计境界边坡DW-1～DW-7 剖面，在5 种工况下的边坡稳定性，除DW-3 剖面稳定性较差外，其他剖面均是稳定的。

3.2 剖面计算结果图

根据极限平衡方法计算结果，在5 种工况下，DW-3 剖面稳定性较差，通过模型图可直观显示滑移面位置，如图5～9 所示，为边坡治理提供方向。

图5 DW-3 剖面工况1 下M-P 法计算结果图

图6 DW-3 剖面工况2 下简化Bishop 法计算结果图

图7 DW-3 剖面工况3 下M-P 法计算结果图

图8 DW-3 剖面工况4 下简化Bishop 法计算结果图

图9 DW-3 剖面工况5 下M-P 法计算结果图

由图5～9 可知：在5 种工况下的DW-3 潜滑面位置基本一致，处于1 128 m 附近，潜在滑坡体约40万方。

4 结语

综上所述，基于3DMine 建立SICOMINES 铜钴矿D 坑西帮地质模型，通过设置7 个剖面对设计境界边坡的稳定性进行了极限平衡分析，运用简化Bishop 法和M-P 法计算剖面在5 种不同工况下的安全系数，与许用安全系数进行对比，综合确定DW-3 剖面存在危险滑移面，为矿区边坡滑坡灾害防治提供理论参考。