河南省大型建材礦山露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析

彭建謀 吳會(huì)軍 姚俊偉 楊 健 熊永亮 趙傳鵬

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

河南省大型建材礦山露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析

彭建謀 吳會(huì)軍 姚俊偉 楊 健 熊永亮 趙傳鵬

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

文章統(tǒng)計(jì)了河南省大型建材礦山的地質(zhì)條件和采場(chǎng)要素，分析了露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，討論了極限平衡法與強(qiáng)度折減法在露天邊坡工程中的應(yīng)用，為礦山露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供參考。

建材礦山；邊坡穩(wěn)定性；影響因素；露天開(kāi)采

0 引言

邊坡穩(wěn)定性是露天礦重大安全工程，其影響因素主要分為自然因素、地質(zhì)因素及人為因素三大類[1]。文章以河南省大型建材礦山為對(duì)象，統(tǒng)計(jì)露天礦山礦體特征、地質(zhì)條件和采場(chǎng)要素，分析河南省大型建材礦山邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，并討論極限平衡法和強(qiáng)度折減法的工程應(yīng)用，為類似礦山露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算提供參考。

1 河南省大型建材礦山開(kāi)采技術(shù)條件及采場(chǎng)要素

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

河南省內(nèi)水泥灰?guī)r礦床屬海相沉積礦床，礦層多為厚層狀—巨厚層狀，呈層狀產(chǎn)出，礦巖較穩(wěn)固，整體性好，巖石堅(jiān)硬。礦床賦存層位由北向南為奧陶系中統(tǒng)、寒武系中統(tǒng)、下古生界二郎坪群、上元古界蘇家河群等。水泥灰?guī)r礦床一般開(kāi)采技術(shù)條件簡(jiǎn)述如下:

1）水文地質(zhì)條件

省內(nèi)灰?guī)r礦層一般透水而不含水，大氣降水多由地表直接下滲補(bǔ)給，在含水巖組內(nèi)短暫停滯后，沿裂隙、巖層層面排泄。大氣降水為大部分礦床的唯一充水因素。水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單-中等類型。

2）工程地質(zhì)條件

省內(nèi)水泥灰?guī)r礦床地層多呈單斜層狀產(chǎn)出，各工程地質(zhì)巖組為堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖石，抗壓抗剪強(qiáng)度較大，巖性組合簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。部分礦床有軟弱夾層，且有斷層穿過(guò)，對(duì)礦床邊坡穩(wěn)定性有一定影響。大部分礦床礦巖力學(xué)強(qiáng)度高，致密堅(jiān)硬，巖溶不發(fā)育，穩(wěn)固性較好，工程地質(zhì)條件多屬簡(jiǎn)單類型。

3）環(huán)境地質(zhì)條件

河南省地震烈度多為VI-VII度區(qū)，大部分地區(qū)較穩(wěn)定。環(huán)境地質(zhì)條件多屬簡(jiǎn)單類型。

省內(nèi)主要水泥灰?guī)r礦礦體產(chǎn)狀及開(kāi)采技術(shù)條件見(jiàn)表1。

1.2 一般采場(chǎng)要素

據(jù)統(tǒng)計(jì)，省內(nèi)露天建材礦山采場(chǎng)臺(tái)階高度15 m，安全平臺(tái)寬4 m，清掃平臺(tái)寬8 m，安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)隔一設(shè)一，最終臺(tái)階坡面角:土質(zhì)邊坡45°，巖質(zhì)邊坡70°，最終邊坡角56°左右。

2 露天開(kāi)采邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

河南建材礦山幾乎全為露天開(kāi)采，由于采礦場(chǎng)地不可選擇性、礦體賦存空間的限制和地域特點(diǎn)，影響邊坡穩(wěn)定性的因素非常多，但主要可以分為三類：自然因素、地質(zhì)因素和人為因素。

2.1.1 自然因素

1）降水。水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響很大，降水量大的地區(qū)較之干旱地區(qū)滑坡數(shù)量多，發(fā)生頻繁，災(zāi)害嚴(yán)重。河南省南北橫跨550 km，地處暖溫帶與亞熱帶，年平均降水量約為500～900 mm，南部及西部山地較多大別山區(qū)可達(dá)1 100 mm以上。全年降水主要集中在夏季，常有暴雨。

2）地震。高烈度區(qū)地震的頻繁發(fā)生，使邊坡應(yīng)力狀態(tài)多次改變，巖體破碎，裂隙發(fā)育，地下水下滲，邊坡滑移面強(qiáng)度降低。地震增加了下滑力，使邊坡體產(chǎn)生滑動(dòng)。據(jù)國(guó)家地震局武漢地震大隊(duì)編制的《地震危險(xiǎn)區(qū)劃分地震裂度區(qū)劃圖》，河南省一般為VI-VII度區(qū)，基本加速度值 0.05～0.10 g。

3）河流沖刷。河流下切和沖刷，削弱邊坡坡腳的支撐力，改變了邊坡的應(yīng)力狀態(tài)，引起滑坡。河南建材礦山受河流沖刷很少。

2.1.2 地質(zhì)因素

1）巖土的性質(zhì)

影響邊坡穩(wěn)定性的巖土性質(zhì)主要包括巖土的堅(jiān)硬程度、抗風(fēng)化能力、巖石抗剪強(qiáng)度及透水性能等。河南建材礦山礦巖均屬堅(jiān)硬類巖石，但大部分礦山局部有第四系覆蓋。

2）巖層的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

根據(jù)邊坡體的各種巖土層、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其與邊坡面的關(guān)系，將邊坡結(jié)構(gòu)分為類均質(zhì)結(jié)構(gòu)、近水平層狀結(jié)構(gòu)、順坡向結(jié)構(gòu)面、順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)，其中順坡向結(jié)構(gòu)面及順傾層狀結(jié)構(gòu)對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性的影響最大。

地質(zhì)構(gòu)造造成巖層褶曲和斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育,為巖體滑動(dòng)的產(chǎn)生創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)條件，也為地下水活動(dòng)提供了通道，地下水軟化潛在滑動(dòng)帶地層，降低其強(qiáng)度，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性。有的邊坡滑動(dòng)帶就是沿著斷層和錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育的。

3）地下水條件

絕大多數(shù)邊坡滑坡或多或少有地下水的作用。邊坡滑動(dòng)帶常常是隔水層，受水長(zhǎng)期作用而軟化，強(qiáng)度降低，這是邊坡滑坡形成的必要條件。地下水的另一作用是增大邊坡體重力，形成靜水壓力和邊坡體中形成動(dòng)水壓力而增加下滑力，導(dǎo)致邊坡的破壞。河南北部、中部建材礦山一般受地下水影響較小，南部凹陷露天礦（如確山獨(dú)山石灰?guī)r礦）受地下水影響很大。

2.1.3 人為因素

1）坡腳開(kāi)挖。在礦山開(kāi)采過(guò)程中形成邊坡，改變了自然坡體的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的滲流場(chǎng)，引起山坡滑坡。

2）邊、斜坡上堆載。排土場(chǎng)選址不合理，位于邊坡上方，且距離較近；或者斜坡上堆載，增加下滑力，在地下水發(fā)育的地段，造成沿老地面整體或局部滑動(dòng)，形成滑坡現(xiàn)象。

3）采空塌陷。露天采場(chǎng)之下有地下開(kāi)采遺留的采空區(qū)，或露天、地下聯(lián)合開(kāi)采，造成露天邊坡體應(yīng)力變化，引起邊坡體向臨空面滑動(dòng)，致使位于階地上的設(shè)施嚴(yán)重變形。

4）爆破振動(dòng)。爆破振動(dòng)引起露天礦邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)比較常見(jiàn)，它雖不如地震影響大，但對(duì)局部邊坡的穩(wěn)定性影響不可忽視，尤其是大藥量爆破，不僅削弱了坡腳支撐力，而且破碎了邊坡巖體，造成邊坡體松弛，使地表水下滲軟化帶引起滑坡。

5）植被破壞。植被是邊坡的保護(hù)層，其根系對(duì)表層土有加固作用，枝干和樹(shù)葉減少降水下滲，有增加蒸發(fā)的作用，減少坡體地下水量，對(duì)邊坡穩(wěn)定是有利的。大量開(kāi)挖破壞植被，不僅對(duì)環(huán)境保護(hù)不利，對(duì)邊坡穩(wěn)定也不利。

6）采場(chǎng)要素設(shè)計(jì)不合理。臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角、安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)寬度參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，致最終邊坡角過(guò)大，采場(chǎng)滑坡危險(xiǎn)性高。如果邊坡高度超過(guò)100 m，并且為巖層內(nèi)傾型邊坡，采場(chǎng)滑坡危險(xiǎn)性更高。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算[2-3]

根據(jù)河南省大型建材礦山特征，選用較為成熟可靠的極限平衡法和強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果為安全系數(shù)和對(duì)應(yīng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，一般步驟為確定計(jì)算參數(shù)、選擇計(jì)算方法、軟件求解。

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性影響因素分析，確定主要計(jì)算參數(shù):①自然因素：地下水（水位、水頭）降雨量、地震加速度；②地質(zhì)因素：巖體力學(xué)參數(shù)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體重等；③人為因素：邊坡幾何參數(shù)邊坡高度、邊坡角、安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)寬度等。

2.2.2 計(jì)算方法

1）強(qiáng)度準(zhǔn)則

邊坡工程穩(wěn)定性分析由土力學(xué)發(fā)展而來(lái)，以材料力學(xué)與彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，形成Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則；隨著對(duì)巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面影響的認(rèn)識(shí)，邊坡分析由靜態(tài)的圓弧形破壞逐步擴(kuò)展到受各種結(jié)構(gòu)面形式控制的破壞模式分析，包括平面剪切破壞、楔形體破壞、傾倒破壞等，形成Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則。近年來(lái)，流變學(xué)、斷裂力學(xué)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和非線性理論在邊坡工程引入應(yīng)用，形成其他強(qiáng)度準(zhǔn)則，如Drucker-Prager準(zhǔn)則、Griffith準(zhǔn)則，但在工程中應(yīng)用偏少。

工程計(jì)算中巖體破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則主要為①M(fèi)ohr-Coulomb準(zhǔn)則:公式簡(jiǎn)單，參數(shù)易獲取，適應(yīng)于彈塑性破壞，但忽略了中間主應(yīng)力對(duì)巖石真三軸強(qiáng)度的影響；②Hoek-Brown準(zhǔn)則:考慮巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、巖塊結(jié)構(gòu)等因素，能反映巖塊的非線性破壞，對(duì)拉應(yīng)力及低應(yīng)力區(qū)有較好的適應(yīng)，沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力對(duì)巖石真三軸強(qiáng)度的影響。

2）數(shù)值方法

極限平衡法將滑體劃分為若干條塊，引入Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，對(duì)滑動(dòng)面和條塊間作用力方式作假定，建立條塊的力或力矩平衡方程，求解邊坡安全系數(shù)表達(dá)式。該方法原理簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用，結(jié)果直接明了。在礦山邊坡工程中應(yīng)用最早、經(jīng)驗(yàn)最多。當(dāng)滑動(dòng)面未知時(shí)，需要先搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，求取對(duì)應(yīng)最小安全系數(shù)。一般選用瑞典法、Bishop法、Janbu法、余推力法等，計(jì)算軟件為GeoStiudo Slope、Slide、北京理正等軟件。

強(qiáng)度折減法利用有限元軟件，建立三維幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，求解剛度矩陣。可以得到邊坡內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)及塑性區(qū)分布，通過(guò)對(duì)巖體參數(shù)不斷折減，當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，認(rèn)為巖體邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)用定義的折減系數(shù)來(lái)表達(dá)安全系數(shù)。該方法不需要假定滑動(dòng)面形狀，適用于邊坡巖體復(fù)雜的條件。有限元軟件多采用ANSYS、COMSOL Multiphysics等軟件。當(dāng)采用有限差分法時(shí)，將計(jì)算過(guò)程中的微分算子用差分代替迭代求解[4]，對(duì)計(jì)算資源需求較小，常用軟件為FLAC3D，該方法在三維復(fù)雜邊坡計(jì)算中應(yīng)用最多。

其他非線性科學(xué)方法如可靠度分析和模糊綜合評(píng)價(jià)等理論研究逐漸深入，但工程實(shí)踐中應(yīng)用仍然偏少，缺少應(yīng)用案例對(duì)比。

極限平衡法因結(jié)果直觀、簡(jiǎn)單易用，應(yīng)用較多；強(qiáng)度折減法無(wú)須假定滑動(dòng)面形態(tài)，適應(yīng)性強(qiáng)，可以考慮復(fù)雜地質(zhì)條件及復(fù)雜地形地貌,應(yīng)用效果較好。

2.2.3 安全系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《滑坡防治工程勘查規(guī)范》GBT 32864—2016，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)按表2確定。露天礦邊坡一般綜合取用最小允許安全系數(shù)在Fs=1.15～1.50之間。

表2 滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

我們?cè)诤幽鲜〗棺鞴榷押笏嗷規(guī)r礦、井溝水泥灰?guī)r礦采用上述計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果邊坡較穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)情況符合較好。

2.3 邊坡管理措施

1）采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)，要根據(jù)巖層傾向傾角，通過(guò)計(jì)算（或類比）選擇臺(tái)階高度、平臺(tái)寬度、最終臺(tái)階坡面角和最終邊坡角，且符合開(kāi)采設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程的要求。

2）采取自上而下分臺(tái)階開(kāi)采，禁止一面墻式開(kāi)采及掏底開(kāi)采。

3）預(yù)防水對(duì)土坡的沖蝕，修筑截、排水溝，土質(zhì)坡面種植草木。對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面、局部破碎地段，可噴射混凝土護(hù)坡。

4）邊坡上部覆蓋的松散巖石層厚度超過(guò)2 m時(shí)，對(duì)其進(jìn)行削坡至45°。邊坡上方禁止堆放排棄廢石廢土。

5）臨近最終邊坡時(shí)，應(yīng)采用控制爆破技術(shù)，減少爆破對(duì)邊坡的影響和對(duì)圍巖的擾動(dòng)，使采場(chǎng)最終邊幫穩(wěn)定。

6）健全邊坡安全管理制度，建立邊坡長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)制度，對(duì)潛在變形和滑動(dòng)的地段，設(shè)置專門(mén)觀測(cè)點(diǎn)，定期觀測(cè)，作好記錄。

3 結(jié)論

1）河南省露天建材礦山邊坡穩(wěn)定性主要影響因素:①降水:豫南及豫西局部山地降雨量大，受降水影響；②巖土性質(zhì):河南建材礦山礦巖堅(jiān)硬，但大部分礦山地表有第四系覆蓋，受軟弱表土影響；③結(jié)構(gòu)及構(gòu)造:河南大部分建材礦山存在順坡向結(jié)構(gòu)面及順層狀結(jié)構(gòu)，部分邊坡受結(jié)構(gòu)面影響；④地下水:豫南個(gè)別礦山凹陷開(kāi)采受地下水影響；⑤邊坡上方載荷:邊坡上方排土或堆物增加邊坡荷載，產(chǎn)生不利影響；⑥采場(chǎng)要素:邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成最終邊坡角過(guò)大或邊坡高度過(guò)高，產(chǎn)生不利影響。

2）根據(jù)河南省大型建材礦山主要影響因素，選用極限平衡法和強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，計(jì)算豫北建材礦山邊坡較穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)情況較符合。

3）露天建材礦山邊坡管理對(duì)策措施:認(rèn)真執(zhí)行開(kāi)采設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格落實(shí)采場(chǎng)設(shè)計(jì)要素，疏水排水，減小邊坡荷載,控制爆破振動(dòng)對(duì)終了邊坡的影響，加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)工作。

[1]王運(yùn)敏.現(xiàn)代采礦手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社,2012.

[2]欒婷婷,謝振華,等.露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡預(yù)警技術(shù)[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(4):11-16.

[3]姚江強(qiáng),朱曉娥.基于有限元強(qiáng)度折減法的某邊坡穩(wěn)定性分析[J].廣東建材,2017,33(1):54-57.

[4]周世良,王義山,等.基于有限差分法的邊坡穩(wěn)定影響因素分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(5):737-740.

文章研究工作依托2016年度河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):162102210385。