某露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

孫周果，楊 溢，李 睿

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

某露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

孫周果，楊 溢，李 睿

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

某露天礦開(kāi)采深度日益加深，采場(chǎng)上部邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山的經(jīng)濟(jì)命脈。本文以某露天礦西南幫邊坡實(shí)況為例，結(jié)合Slide工程軟件建立邊坡模型然后進(jìn)行穩(wěn)定性分析。其中Slide穩(wěn)定性計(jì)算主要以極限平衡法為主。bishop和janbu兩種計(jì)算方法的分析結(jié)果均說(shuō)明邊坡穩(wěn)定性沒(méi)有達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。為提高邊坡穩(wěn)定性，降低事故發(fā)生率，避免因事故造成的不必要的人身財(cái)產(chǎn)損失，從爆破技術(shù)優(yōu)化、建立地表水?dāng)r截系統(tǒng)、疏排地下水及局部加固等方面提出相關(guān)治理措施。

露天礦；穩(wěn)定性分析；加固措施

0 前 言

大型露天礦山經(jīng)歷數(shù)十年的開(kāi)采，開(kāi)采深度不斷加深，受經(jīng)濟(jì)效益的影響，大部分礦山已經(jīng)由露天采礦轉(zhuǎn)為地下采礦。然而裸露的邊坡巖石長(zhǎng)期受到風(fēng)化、雨水沖刷的影響，外部巖石物理力學(xué)強(qiáng)度降低很多，如果采場(chǎng)邊坡管理不到位，在礦山運(yùn)輸車(chē)輛的荷載作用以及地下采場(chǎng)的爆破震動(dòng)等不利因素的影響下，那么發(fā)生滑坡災(zāi)害的可能性會(huì)很大。邊坡失穩(wěn)不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的危害，同時(shí)很大程度增加了礦山的經(jīng)濟(jì)投入，因此，提前做好邊坡防治監(jiān)測(cè)措施，加強(qiáng)隱患邊坡治理，強(qiáng)化生產(chǎn)人員安全意識(shí)等對(duì)礦山的安全生產(chǎn)意義重大。

針對(duì)解決露天礦邊坡穩(wěn)定性的問(wèn)題，胡斌等［1］采用三維有限差分程序模擬優(yōu)化最終邊坡角；賈住平等［2］提出了利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)邊坡滑移變動(dòng)并采取錨桿和混凝土回填的辦法；何俊才等［3］通過(guò)事故樹(shù)法分析出了導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的因素并做出相應(yīng)的改善措施；鄭惠峰等［4］提出利用塊體單元極限分析法來(lái)處理巖體邊坡安全問(wèn)題。本文根據(jù)某礦山的具體情況，通過(guò)Slide軟件的分析并提出合理的治理方案，從源頭上消除危險(xiǎn)有害因素。用經(jīng)濟(jì)合理的防治加固措施達(dá)到規(guī)定的安全性要求，從而提高邊坡的安全系數(shù)，降低事故發(fā)生率。

1 工程背景

1.1 礦區(qū)采場(chǎng)現(xiàn)狀及地形

從礦山提供的資料及實(shí)地觀摩學(xué)習(xí)可知。礦區(qū)四周高山環(huán)繞，地勢(shì)由北西向南東傾斜，相對(duì)高差為250 ～ 550 m，屬于剝蝕地貌的山體。礦體走向北東，傾向北西，傾角為53 （o） ～ 62 （o）。目前礦山開(kāi)采深度已經(jīng)達(dá)到了270 m，礦區(qū)臺(tái)階高度為12 ～ 15 m，工作臺(tái)階坡面角70 （o） ～ 75 （o）。

礦區(qū)礦床形成過(guò)程中經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)變動(dòng)，采區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巖石類(lèi)型較多，巖性變化較大，巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，斷層發(fā)育，巖體破碎現(xiàn)象十分顯著，不同時(shí)期巖脈相互穿插，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而且由于礦山規(guī)模大，露天開(kāi)采剝離巖石量較大，采場(chǎng)邊坡最終多為高陡邊坡，開(kāi)采過(guò)程中的邊坡服務(wù)年限長(zhǎng)短也不一。所以邊坡穩(wěn)定性受很多因素制約。

1.2 礦區(qū)滑坡誘發(fā)因素

滑坡誘發(fā)因素很多，一般分為地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等強(qiáng)度因素和違反自然規(guī)律、破壞斜坡穩(wěn)定性條件等人為因素。此次主要結(jié)合礦山實(shí)際現(xiàn)狀分析總結(jié)出以下滑坡誘發(fā)因素。

1） 地質(zhì)條件。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，主要分布于風(fēng)化帶下部，構(gòu)造裂隙延伸超過(guò)600 m，多為脈狀承壓水，構(gòu)造裂隙含水層較深。同時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)面存在的節(jié)理、斷層、裂隙、層間錯(cuò)動(dòng)及軟弱夾層等直接影響到了巖體的變形、破壞程度［2］；

2） 水文條件。大量地表水經(jīng)巖體裂隙滲流到坡體內(nèi)，地下水形成的動(dòng)水壓力、靜水壓力及水對(duì)巖層的軟化作用都會(huì)讓非均質(zhì)巖體之間約束力、強(qiáng)度下降。查監(jiān)測(cè)資料可知礦區(qū)歷史日最大降雨量曾達(dá)到118.0 mm，降落到地表的大量雨水會(huì)對(duì)邊坡上部發(fā)育較厚的第三系昔格達(dá)層及第四系表土有沖刷作用，雨水夾雜大量被沖垮的松散巖土體下流，將對(duì)下部穩(wěn)定性較差的邊坡形成沖擊作用，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害。

3） 爆破及運(yùn)輸載荷。礦區(qū)生產(chǎn)爆破引起的應(yīng)力波會(huì)對(duì)巖層形成巨大的破壞作用，造成巖層間裂隙擴(kuò)大，強(qiáng)度降低。因此爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響極大。

礦區(qū)道路滿足生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)為二級(jí)露天礦道路，運(yùn)輸車(chē)輛為100 t自卸礦車(chē)，長(zhǎng)期運(yùn)輸給地面帶來(lái)的荷載會(huì)對(duì)地面巖層造成破壞，對(duì)運(yùn)輸段坡面也會(huì)造成很大的影響。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡工程穩(wěn)定性計(jì)算分析的方法主要有能量法、有限元法和極限平衡法等三種［5］。三種方法都存在優(yōu)勢(shì)與不足。能量法雖然涉及到了土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，但由于滑動(dòng)面設(shè)定的局限性，其精度并不是很高。有限元法雖然在應(yīng)力應(yīng)變考慮上有了進(jìn)一步提升，但因材料本構(gòu)關(guān)系與巖土實(shí)際性質(zhì)的差異很大，所以有限元法分析結(jié)果不太理想。極限平衡法在分析過(guò)程中雖然也存在不足，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)它的理論發(fā)展比較完善，在大量工程實(shí)例中得到了廣泛利用及認(rèn)可。

在穩(wěn)定性計(jì)算方法中，極限平衡法的理論步驟是將潛在滑動(dòng)區(qū)域內(nèi)的巖體劃分為多個(gè)小塊體，最后利用塊體建立平衡方程來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。這種方法因?yàn)槟Ｐ徒⒑?jiǎn)便、公式簡(jiǎn)單、能解決多種剖面形狀等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。此次我們?cè)诳紤]采場(chǎng)邊坡地質(zhì)條件，巖體物理力學(xué)參數(shù)和邊坡穩(wěn)定性影響因素的前提下來(lái)分析破壞形式。主要選用Slide工程軟件中的Bishop和Janbu兩種極限平衡方法進(jìn)行分析計(jì)算。其中Bishop法是考慮力矩中心的平衡點(diǎn)和垂直力的平衡，而Janbu法是考慮水平與垂直兩個(gè)方向的力平衡，他們分別根據(jù)自己考慮的平衡條件來(lái)列舉平衡方程，最終求得安全系數(shù)的解。

2.1 摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則

當(dāng)坡體隨滑動(dòng)面滑動(dòng)時(shí)，坡體內(nèi)部一點(diǎn)達(dá)到極限平衡的狀態(tài)，即：

2.2 安全系數(shù)

安全系數(shù)有兩種常規(guī)定義方法：a通過(guò)加大外力以達(dá)到極限平衡狀態(tài)，具有超載系數(shù)的性質(zhì)；b通過(guò)降低材料的強(qiáng)度達(dá)到極限平衡狀態(tài)，具有強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)的性質(zhì)。安全系數(shù)即滑面上的抗剪強(qiáng)度與達(dá)到平衡所須的剪應(yīng)力之比［6］：

3 模型創(chuàng)建及穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 剖面選取及參數(shù)確定

此次露天采場(chǎng)邊坡屬于工程地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡，采場(chǎng)長(zhǎng)度、寬度很大，礦山將采場(chǎng)分為多個(gè)分區(qū)，各分區(qū)的開(kāi)采深度、邊坡形狀、地形條件和坡體內(nèi)部巖層構(gòu)成都不相同?，F(xiàn)場(chǎng)各分區(qū)邊坡均出現(xiàn)不同程度的破壞，從收集到的資料分析可知，礦區(qū)西南幫相對(duì)于其他邊幫有發(fā)生平面滑移的可能。所以此次分析將以采場(chǎng)西南幫（Ⅲ區(qū)）為分析體。Ⅲ區(qū)邊坡的傾角為10 （o） ～ 30 （o），最終坡角為40 （o）～ 47 （o），邊坡形狀為凸型，最終坡高為260 m。

根據(jù)從礦山取得的數(shù)據(jù)，本次將利用86號(hào)勘探線資料構(gòu)建一個(gè)均質(zhì)，無(wú)地下水，無(wú)地震影響的邊坡模型進(jìn)行分析計(jì)算。邊坡從上至下巖體依次為第四系表土、細(xì)粒輝長(zhǎng)巖及粗粒輝長(zhǎng)巖。模型建立所需各巖體物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 巖體巖石物理力學(xué)參數(shù)

在充分了解礦區(qū)現(xiàn)有采礦工藝、運(yùn)輸線路布設(shè)及各種約束條件的情況下，并根據(jù)采場(chǎng)各分區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、節(jié)理裂隙分布規(guī)律、地下水的特性，采場(chǎng)邊坡現(xiàn)有的幾何形態(tài)以及它們之間的相互關(guān)系等因素。查閱《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》［7］可知本次露天礦山邊坡實(shí)際礦區(qū)情況屬于Ⅱ級(jí)邊坡設(shè)計(jì)要求。綜合此次模型建立沒(méi)有考慮到生產(chǎn)爆破（或地震）和地下水影響等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，查閱《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［8］Ⅱ級(jí)邊坡的達(dá)標(biāo)安全系數(shù)至少取 1.30。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算及分析

Ⅲ區(qū)邊坡巖體分布特征為細(xì)粒輝長(zhǎng)巖層與粗粒輝長(zhǎng)巖層相交錯(cuò)，邊坡頂部堆積著一層15 ～ 25 m厚的第四紀(jì)堆積物。

86號(hào)勘探線南幫（即Ⅲ區(qū)）通過(guò)Bishop法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)如圖1所示。Ⅲ區(qū)通過(guò)Janbu法的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。將邊坡各巖層的物理力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)入模型之后計(jì)算得到的安全系數(shù)如表2所示。

圖1 Ⅲ區(qū)Bishop法計(jì)算結(jié)果

圖2 Ⅲ區(qū) Janbu法分析結(jié)果

從表二計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，Bishop和Janbu兩種方法對(duì)Ⅲ區(qū)邊坡的模擬計(jì)算結(jié)果均沒(méi)有達(dá)到邊坡等級(jí)安全系數(shù)1.30，說(shuō)明Ⅲ區(qū)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 Ⅲ區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

Ⅲ區(qū)邊坡由于細(xì)粒輝長(zhǎng)巖與粗粒輝長(zhǎng)巖的接觸帶強(qiáng)度較弱，故推斷此邊坡可能會(huì)發(fā)生沿接觸帶的復(fù)合型平面剪切破壞，從而引起滑坡。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)Slide工程軟件對(duì)該礦區(qū)西南幫邊坡安全性系數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：鑒于模型只是依據(jù)采場(chǎng)現(xiàn)狀參數(shù)和巖體力學(xué)參數(shù)而建立的，并且計(jì)算結(jié)果沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)，斷定礦山西南邊幫為不穩(wěn)定坡體。由于礦區(qū)巖層地質(zhì)條件比較發(fā)育，巖體物理性質(zhì)相對(duì)較弱，且存在的爆破、水文、運(yùn)輸載荷等滑坡誘發(fā)因素，容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。所以針對(duì)相應(yīng)的情況提出以下幾點(diǎn)邊坡維護(hù)治理建議。

1）為滿足露天開(kāi)采規(guī)模擴(kuò)大采用的較高臺(tái)階高度，大孔徑炮孔和高爆炸藥造成的后沖破碎和超深破裂，坡面松動(dòng)巖石的增多。因此臨近邊坡的爆破生產(chǎn)需要采用減震爆破、預(yù)裂爆破等控制爆破技術(shù)來(lái)減弱沖擊波對(duì)坡體的損害。

2）攔截地表水。需要在采場(chǎng)上部和中部易積水滲水地段建立一套排洪系統(tǒng)來(lái)攔截大量的地表水。避免地表水沖刷邊坡表層巖土體及滲入坡面內(nèi)的地下水對(duì)巖層的軟化侵蝕作用。

3）疏排坡體內(nèi)地下水，地下水壓力會(huì)造成巖層抗剪強(qiáng)度降低。因?yàn)闃?gòu)成邊坡的巖體類(lèi)型滲透系數(shù)很低，這給有效疏干地下水帶來(lái)很大的困難。因此截流系統(tǒng)需要和地下水疏干措施相結(jié)合才能使地下水的影響降到最低。

4）局部的加固及維護(hù)，由于邊坡局部構(gòu)造發(fā)育，長(zhǎng)年累月的風(fēng)化作用將造成巖土體強(qiáng)度降低，巖體質(zhì)量變差，進(jìn)而引起小面積的滑坡，為保證礦山安全生產(chǎn)，可采用抗滑樁加固給潛在滑動(dòng)面進(jìn)行固定，為基巖穩(wěn)定性提供保障。或者也可采用噴漿支護(hù)進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)巖體的強(qiáng)度，同時(shí)也可起到防止邊坡外部巖層風(fēng)化脫落的作用。

［1］ 胡斌，王偉，張騰等.露天礦最終邊坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)模擬分析［J］.金屬礦山，2013（9）：14-18.

［2］ 賈住平，鄭祿璟，鄭祿林.露天邊坡大型滑坡穩(wěn)定性分析與治理方案［J］.金屬礦山，2014（5）：27-31.

［3］ 何俊才，朱恒忠.基于事故樹(shù)理論的露天礦山邊坡失穩(wěn)分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014（7）： 12-14.

［4］ 鄭惠峰，陳勝宏，吳關(guān)葉.巖石邊坡穩(wěn)定的塊體單元極限分析上限法［J］.巖土力學(xué)，2008，11（29）：323-327.

［5］ 王珣，張斌，宋保強(qiáng).邊坡穩(wěn)定性分析及治理設(shè)計(jì)軟件Slide CAD的開(kāi)發(fā)［J］.巖土工程技術(shù)，2006（6）：39-41.

［6］ 呂擎峰.土坡穩(wěn)定性分析方法研究［D］.江蘇南京：河海大學(xué)，2005，（7）：12-14.

［7］ 中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DZ/T 0219-2006 滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范［S］.2006.

［8］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50330-2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑資訊網(wǎng)，2002.

［9］ 張文平，胡建華，林允.多因素作用下的露天礦邊坡穩(wěn)定性分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2015，（3）： 10-12.

［10］ 倪彬，張偉，劉曉明.基于Slide的露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)礦山工程，2013，（9）： 9-13.

［11］ 趙元章.露天礦滑坡災(zāi)害及其防治［J］.甘肅冶金，2010，（4）： 12-14.

Slope Stability Analysis of an Open Iron Pit M ine

SUN Zhouguo，YANG Yi，LIU Rui
（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

W ith the increasing of an open-pit m ining depth， the slope stability of the upper slope is directly related to the mine's econom ic lifeline. In this paper， the southwest open-pit m ine slope makes as an example. The stability analysis of the slope model was built w ith the software Slide. The main use calculations method of stability analysis is limit equilibrium. The slope stability analysis in the calculation of Janbu and bishop methods shows that the slope did not meet the standard degree of safety. In order to improve the coeff cient of slope stability， reduce the possibility of the accident， to avoid unnecessary accident caused by the loss of personal property， Special methods are put forward to utilize the control blasting technique， establish an interception system of surface water， unchoke the groundwater and consolidate partial of the slope.

Open-pit m ine；Slide；Stability analysis；Safety measures

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.016

2016-06-17

孫周果（1992-），男，云南曲靖人，在讀碩士研究生，研究方向：安全技術(shù)及工程，手機(jī)：18087065631，E-mail：279821421@qq.com.；通信作者：楊溢（1965-），男，博士，教授，研究方向：巖土及爆破工程方面研究.