露天矿扩界工程露天坑及排土场边坡协同稳定性分析

张长锁 刘建博

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

露天采场和排土场是露天矿山开采过程中不可或缺的组成部分，其稳定性直接关系到矿山安全生产、周边环境以及人民生命财产安全，因此，众多学者针对露天采场和排土场稳定性进行了大量研究。如陈峰等[1]利用极限平衡理论计算了排土场的极限堆置高度，并通过FLAC3D软件进行了验证。魏朝爽等[2]通过FLAC3D非线性数值模拟分析了堆排高度对排土场稳定性的影响。黄建君等[3]进行了排土场堆排设计，并使用FLAC2D和极限平衡法评估了在不同工况下的稳定性。蓝秋华[4]利用赤平投影法和极限平衡法分析了采场边坡的稳定性。董贺伟[5]使用GeoStudio软件的SLOPE/W模块计算了某铁矿边坡在不同工况下的安全系数，并比较了不同计算方法的适用性和优缺点。洪儒宝等[6]以某露天大型钼矿为研究对象，总结提出矿山边坡破坏模式，考虑岩体非均匀性和各向异性，运用平面滑动、楔形体、圆弧形和倾倒破坏四种方法建立地质模型，进行稳定性分析，并提出防治措施。孟中华等[7]采用极限平衡法对某铜钼矿边坡稳定性进行了计算分析，确定了现状边坡稳定状态，为矿山采场今后的决策提供了依据。目前研究大多针对单一排土场或露天采场边坡稳定性，而露天矿在开采过程中，经常会因为场地的限制和排土的需求，将排土场设置在露天采场的周边，从而形成露天采场-排土场联合边坡，其稳定性直接关系到矿山的生产安全，因此，有必要针对露天采场-排土场联合边坡进行稳定性研究，确保矿山安全开采。

某露天金矿按照已有开采设计，露天采场已基本采至设计最终境界，排土场也达到设计库容，矿山即将闭坑。为延长服务期限，近年来对该矿山进行了资源的补充勘探，并于露天采场上盘和深部发现接续资源，计划对此部分资源进行扩界开采。矿山扩界开采设计时，因现有排土场容量已经饱和且征地较为困难，为节省征地费用，设计对现有排土场增高扩容，考虑设计方案的安全性，有必要对扩界后的采场边坡和增高后的排土场边坡稳定性进行分析。因排土场距离露天采场较近，边坡稳定性分析典型剖面选择最容易发生失稳的露天采场-排土场联合剖面。本文结合本矿山实际情况，采用极限平衡法，选取典型剖面对露天采场边坡顶部地表有无堆排废石时的稳定性进行对比分析，对露天采场排土场联合边坡排土场边坡稳定性进行分析，为矿山的扩界工程设计提供理论依据。

1 工程概况

1.1 矿山现状

矿山位于内蒙古北部低山丘陵区，地形较为平坦，总体地势东偏北高、西北和东南渐低，海拔高程一般在1 005～1 044 m，切割深度小于20 m，相对高差39 m。地层岩性为绢云母石英片岩、绿泥石英片岩、黑云母花岗岩，地形低洼处沉积新近系上新统泥岩夹砂砾岩及薄层第四系残坡积物，丘陵顶部基岩裸露。

矿山生产规模为250万t/a，已正常生产9a，目前形成狭长型露天采坑1个，采坑地表长1 960 m、宽450 m、封闭圈标高994 m。有两个坑底，北坑底标高921 m，已达到设计坑底标高。最终边坡角约42°；南坑底标高932 m，已经接近设计开采最终标高，最终边坡角约43°。

排土场位于露天采场东北侧，紧邻露天采场，占地面积87.7万m2，废石堆场高度50 m(1 030～1 080 m)，堆存废石2 890万m3，设计库容已经饱和。

1.2 扩界设计方案

为了充分回收露天境界上盘和坑底新探获资源，设计对现状露天采场上盘进行扩界，扩界后露天采场坑底标高832 m，上口尺寸：南北长2 000 m，东西宽515 m；下口尺寸：120 m×35 m。边坡最高标高1 044.5 m，最大边坡高度197 m；采场封闭圈标高994 m，大部分为凹陷露天开采。

为减少征地费用，设计在现排土场基础上进行加高扩容，排土场顶部标高由1 080 m增高至1 120 m，新增容积1 025万m3，满足露天采场扩界排土容量需求。

1.3 联合边坡描述

露天采场设计台阶高度9 m，局部并段为18 m，台阶坡面角65°，每隔2～3个台阶设清扫平台，清扫平台宽度为8 m，安全平台宽度为3～6 m。坡顶标高1 029 m，坡底标高868 m，最终边坡角38°，运输道路宽度12.5 m，坡度8%。

排土场堆置台阶高度10 m，边坡总高度104 m(1 016～1 120 m)，现有平台宽度6 m，增高扩容平台宽度15 m，台阶坡面角25°，最终边坡角18°。

根据《有色金属矿山排土场设计标准》(GB50421—2018)规定，排土场与采场之间已预留出足够安全距离，排土场坡脚距离露天开采境界75 m。根据图2所示，扩界后形成了露天采场-排土场联合边坡，本次分析剖面位置为图2中A-A′，剖面如图3所示。

2 露天采场-排土场联合边坡稳定性分析

2.1 露天采场、排土场边坡物理力学性质

岩石物理力学性质是进行边坡稳定性分析的关键，根据矿山进行的岩石力学试验结果，结合矿区的实际情况、工程地质条件，采用H-B准则参数过渡方法、费辛柯法、Georgi法、岩体质量分类法、经验折减法，综合确定矿区边坡的岩土体物理力学参数，见表1。

表1 边坡计算所用岩石物理力学参数

排土场坡体是由土沙和岩石混合物料堆排而成，分车排弃的土沙和岩石，在顺台阶坡面上分层不明显，松散体又经压实已产生凝聚力。根据《岩土勘查报告》，并参照类似矿山岩土物理力学参数，针对排土场边坡进行稳定性分析计算的岩土物理力学参数选择，见表1。

2.2 边坡安全系数确定及判别标准

2.2.1 露天采场边坡安全系数

《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)中指出，根据发生或可能发生滑坡崩塌所造成灾害(人身伤亡和经济损失)的严重程度，将露天矿边坡按表2划分为三种危害等级；根据露天矿边坡工程设计边坡高度和边坡灾害等级按表3划分边坡工程安全等级。最终在确定边坡安全等级后，不同等级边坡在不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数应满足表4。

表2 边坡危害等级

表3 边坡工程安全等级划分

表4 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数

经过上述综合分析，结合矿区实际情况，考虑该边坡下方设备与人员的安全，根据表2边坡危害等级划分，此处的边坡危害等级为Ⅰ级。矿区内最终边坡高度为120～200 m，根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》中表3边坡工程安全等级划分的规定，此处的边坡工程安全等级定为Ⅰ级。

结合表4和矿山实际情况，确定矿区边坡稳定性分析的安全系数取值分别为：

荷载组合Ⅰ：[K]=1.20

荷载组合Ⅱ：[K]=1.18

荷载组合Ⅲ：[K]=1.15

2.2.2 排土场边坡安全系数

《有色金属矿山排土场设计标准》(GB 50421—2018)中根据单个排土场容积和堆置高度按照表5对排土场等级划分为四级，本次设计排土场等级为二级。排土场边坡稳定性系数K按表6选取。

表5 排土场等级分级

表6 排土场整体安全稳定性标准

排土场主要为人工堆积的散体结构，边坡无结构面发育，受雨水、地震影响较大，根据排土场等级及边坡的工程地质、水文地质等情况，确定的许用安全系数[K]：

正常工况：[K]=1.20；

地震或降雨工况：[K]=1.15

2.3 计算方法

极限平衡法通过分析岩土体在破坏时刻的力的平衡条件来求解稳定性系数。破坏准则使用莫尔-库仑破坏准则，即：

τf=c′+σ′tanφ′=c′+(σ-μ)tanφ′

(1)

式中：τf-破坏面上的剪应力；c′-岩土体的有效粘聚力；σ′、σ-破坏面法向上的有效应力和总应力；φ′-岩土体的有效内摩擦角；μ-孔隙水压力。

大部分极限平衡分析方法采用垂直条块划分方案(图4)，每一条块均作为刚体。由于问题的静不定性，极限平衡法需要引入一些简化假定，使问题变得静定可解。不同极限平衡分析方法之间的主要差别在于条块之间作用力的处理方法或假定不同，以及由此导致的平衡条件数的不同。条间力假定分为三种类型：

1)不考虑条块间作用力或仅考虑其中的一个。

2)假定条块间力的作用方向或规定其垂直分量和水平分量的比值。

3)假定条块间力的作用位置。

本次对联合边坡中露天采场边坡采用简化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法进行稳定性分析，对联合边坡中排土场边坡采用不平衡推力法进行分析。简化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法是工程中分析岩质边坡稳定问题常用的两种极限平衡方法，土质边坡最常见的破坏形式为圆弧形滑动，而采用不平衡推力法分析圆弧形滑动时，精度较高，因此采用不平衡推力法对排土场边坡进行稳定性分析。

Slide是一款专门用于二维边坡稳定性分析的软件，它基于极限平衡方法(Limit Equilibrium Method，LEM)来评估土质或岩质边坡的稳定性，因此本研究借助岩土边坡分析软件Slide对露天采场-排土场联合边坡进行稳定性计算分析。

2.4 计算结果

2.4.1 露天采场-排土场联合边坡采场边坡计算结果

根据相关水文地质报告，该区域虽有基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水及局部地段松散岩类孔隙水，但水量较小，地下水埋深较深，随季节变化大，对边坡稳定性影响较小。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)要求，本次研究爆破振动影响系数为0.05。

根据相关地质资料，该区地震动峰值加速度为0.05 g，对照地震烈度为6度，属地震微弱区，最终确定地震影响系数为0.075。

在上述工况条件下，分别采用简化Bishop法和Morgenstern-Price(M-P)法对露天采场最终边坡和露天采场-排土场联合边坡中露天采场边坡进行三种工况下(自重+地下水、自重+地下水+爆破振动力、自重+地下水+地震力)稳定性分析，计算结果见图5～10和表7。

表7 露天采场边坡稳定性系数计算结果表

在考虑了影响边坡稳定的各种因素条件下，对采场最终边坡及露天采场-排土场联合边坡中露天采场边坡的稳定性进行了分析，由上述计算结果可知，在露天开采境界外未进行排土时和进行排土后，露天采场边坡在三种工况下均达到了《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)规定的安全系数要求，即最终边坡是稳定的。分析计算表明，在此露天开采境界外预留出足够的安全距离后，是否设排土场对露天采场边坡稳定性影响较小，排土场设置前后的边坡稳定性系数变化较小，扩界设计保障了矿山的生产安全。

2.4.2 露天采场-排土场联合边坡排土场边坡计算结果

根据联合边坡排土场边坡可能破坏形式，采用不平衡推力法对联合边坡中排土场边坡进行三种工况下(自重、自重+降雨、自重+地震)稳定性分析，地震工况根据露天采场分析，选取地震影响系数为0.075；降雨工况按极端连续暴雨使排土场土体达到完全饱和，基岩渗透深度10 m的情况考虑，在工程实际情况中达到土体完全饱和的可能性极小，但根据以往工程实际经验，此极端情况下排土场稳定性系数最低，考虑到联合边坡中排土场等级为二级，排土场边坡破坏后果严重，为确保联合边坡中排土场边坡稳定性计算结果安全可靠，本次稳定性评价仍选取此种出现概率极小的工况进行稳定性计算，作为极端情况可能出现时的参考。

联合边坡典型剖面排土场边坡在不同工况条件下的稳定性分析结果见表8。

表8 露天采场-排土场联合边坡排土场边坡稳定性计算成果表

联合边坡最终状态下，排土场边坡在工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时均大于许用安全系数，潜在滑面均位于人工堆积体下部三个台阶处，且破滑面为沿排土场与第四系交界面滑动，排土场边坡处于稳定状态，计算结果如图11～13所示。

图1 矿山现状Fig.1 Current situation of the mine

图2 矿山扩界设计方案Fig.2 Design plan for mine expansion

图3 联合边坡剖面Fig.3 Joint slope profile

图4 条分法示意图Fig.4 Schematic diagram of slice method

图5 采场剖面荷载组合Ⅰ(自重+地下水)Fig.5 Load combination Ⅰ of mining area profile (Self weight+Groundwater)

图6 采场剖面荷载组合Ⅱ(自重+地下水+爆破振动力)Fig.6 Load combination Ⅱ of mining area profile (Self weight+Groundwater+Blasting vibration force)

图7 采场剖面荷载组合Ⅲ(自重+地下水+地震力)Fig.7 Load combination Ⅲ of mining area profile (Self weight+Groundwater+Seismic force)

图8 联合剖面荷载组合Ⅰ(自重+地下水)Fig.8 Joint profile load combination Ⅰ(Self weight+Groundwater)

图9 联合剖面荷载组合Ⅱ(自重+地下水+爆破振动力)Fig.9 Joint profile load combination Ⅱ(Self weight+Groundwater+Blasting vibration force)

图10 联合剖面荷载组合Ⅲ(自重+地下水+地震力)Fig.10 Joint Profile load combination Ⅲ(Self weight+Groundwater+Seismic force)

图11 工况Ⅰ时排土场边坡稳定性分析图(F=2.010)Fig.11 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅰ(F=2.010)

图12 工况Ⅱ时排土场边坡稳定性分析图(F=1.553)Fig.12 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅱ(F=1.553)

图13 工况Ⅲ时安全系数稳定性分析图(F=1.663)Fig.13 Analysis diagram of slope stability of waste dump under condition Ⅲ(F=1.663)

通过以上分析可知，露天采场-排土场联合边坡中排土场边坡稳定性系数均大于安全许用系数，设计排土场边坡处于稳定状态。

3 结论

1)露天采场和排土场边界相距75 m，防护距离符合《有色金属矿山排土场设计标准》(GB 50421—2018)的规定，且分析计算结果表明，露天采场及排土场边坡稳定性不会产生相互影响。

2)以露天采场边坡稳定性系数为指标，采用极限平衡方法对露天采场-排土场联合边坡中露天采场边坡稳定性进行分析，论证设计方案给出的联合边坡露天采场边坡的稳定性，结果表明，露天采场边坡在上部有无堆排废石时，采场边坡在三种工况下均达到了《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016—2014)规定的安全系数要求，即露天采场边坡处于稳定状态。

3)以排土场边坡稳定性系数为指标，采用极限平衡法对露天采场-排土场联合边坡中排土场边坡进行稳定性分析，论证了设计方案给出的联合边坡排土场边坡的稳定性，结果表明，露天采场-排土场联合边坡中的排土场边坡在不同工况下均达到了《有色金属矿山排土场设计标准》(GB 50421—2018)规定的安全系数要求，即排土场处于稳定状态。