基于極限平衡法的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性研究

王瑜，戴興宇，郭健

（鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 鞍山 114004）

目前，全國(guó)有5萬(wàn)多座露天礦，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，邊坡高度增加，條件越來(lái)越復(fù)雜。露天礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性問(wèn)題是關(guān)系整個(gè)礦山能否安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵問(wèn)題。做好露天礦采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性研究工作，預(yù)測(cè)采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性狀態(tài)，有助于防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而為礦山安全生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是，目前國(guó)內(nèi)露天礦的設(shè)計(jì)參數(shù)主要注重經(jīng)濟(jì)效益的考量，對(duì)采場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性不夠重視，或由于客觀條件制約流于形式，缺乏時(shí)效性、即時(shí)性。因此，我國(guó)露天礦采場(chǎng)迫切需要一種低成本、簡(jiǎn)單便捷且易于理解的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性判定方法，文中即提出了這樣一種方法。

1 簡(jiǎn)化Bishop法

根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求：邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)以極限平衡法為主，以安全系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在眾多邊坡穩(wěn)定性分析方法中，極限平衡法是最主要、最通用的分析方法，并被各國(guó)廣泛采用[1]。簡(jiǎn)化Bishop法是極限平衡法中既簡(jiǎn)單又實(shí)用的一種方法，所以在邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用，并且是計(jì)算圓弧滑動(dòng)面安全系數(shù)最好的方法之一[2]。簡(jiǎn)化Bishop法假定條塊間相互作用力水平，即不考慮條塊間的剪力，只考慮條塊的垂直平衡及對(duì)圓心的力矩平衡。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量的邊坡穩(wěn)定性分析實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明，由簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算得出的圓弧滑動(dòng)面的安全穩(wěn)定性系數(shù)與嚴(yán)格條分法所得出的安全系數(shù)誤差很小，只有大約3%～4%。鞍鋼齊大山鐵礦礦區(qū)為單斜構(gòu)造，傾向南西，傾角在70°～90°，因此，文中采用簡(jiǎn)化 Bishop 法[3]對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 齊大山鐵礦采場(chǎng)安全穩(wěn)定性分析

2.1 齊大山鐵礦采場(chǎng)概況

遼寧省鞍山地區(qū)的鐵礦床受鞍山穹隆的控制，從櫻桃園、齊大山經(jīng)胡家廟子、西大背、關(guān)寶山、大砬子、眼前山、谷首峪越過(guò)千山花崗巖占據(jù)的部位，由西北向弧形彎曲，轉(zhuǎn)為與大孤山、黑石砬子、東鞍山、西鞍山相連，構(gòu)成圍繞鐵架山的半環(huán)形分布[4]。鞍山地區(qū)鐵礦分布簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 鞍山地區(qū)鐵礦分布簡(jiǎn)圖

齊大山鐵礦位于齊大山處，是鞍鋼集團(tuán)鐵礦石原料生產(chǎn)基地之一。礦區(qū)鐵礦開(kāi)采可以追溯到1914年，當(dāng)時(shí)的開(kāi)采對(duì)象是富礦，采用地下開(kāi)采方式，1945年停采。解放后，上述地采坑道恢復(fù)生產(chǎn)，但又相繼于1965年和1967年閉坑。礦區(qū)露天開(kāi)采貧鐵礦始于1969年，1970年投產(chǎn)，1975年正式建成大型露天礦。

2.2 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡實(shí)際情況，本次計(jì)算主要考慮三種巖性：礦體、巖體、結(jié)構(gòu)面，其中礦巖物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦巖體物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 區(qū)域地震和場(chǎng)址區(qū)地震活動(dòng)性

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，本地區(qū)1976年發(fā)生地震102次，最大震級(jí)5.8級(jí)，震中位于海城、鞍山、韓家峪等地；1977年發(fā)生34次地震，最大震級(jí)2.4級(jí)；1978年地震活動(dòng)減弱；1988年7月發(fā)生一次5級(jí)地震；1989～1990年輕度地震非常頻繁；1999年4月發(fā)生一次 3.5級(jí)地震[5]。

根據(jù)《GB18306-2001中國(guó)地震運(yùn)動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》《GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A及《GB50191-93構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，排土場(chǎng)及新征地所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1 g，Ⅱ類場(chǎng)地土特征周期T為0.35 s，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造資料和歷史地震資料分析，場(chǎng)區(qū)及其附近無(wú)活動(dòng)性斷裂構(gòu)造通過(guò)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的地震活動(dòng)，因此，采場(chǎng)所在場(chǎng)地屬于抗震有利地段。

2.4 邊坡安全穩(wěn)定性分析

根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》關(guān)于采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性的陳述：邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)以極限平衡法為主，以安全系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由于極限平衡法應(yīng)用廣泛且簡(jiǎn)單，因此在邊坡穩(wěn)定性分析中具有不可替代的作用。極限平衡法的主要思想是以莫爾—庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，按某種規(guī)劃將滑動(dòng)趨勢(shì)范圍內(nèi)的邊坡巖體劃為一個(gè)個(gè)小塊體，通過(guò)塊體平衡條件建立整個(gè)邊坡平衡方程。

文中選用Bishop法對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，巖層含水簡(jiǎn)單，這里不予考慮。

針對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)的34個(gè)邊坡剖面，利用Geostudio巖土工程軟件中的SLOPE/W模塊建立力學(xué)模型。

各采場(chǎng)邊坡剖面極限平衡安全系數(shù)在考慮爆破振動(dòng)和水的影響時(shí)，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)按20%折減[6]，各剖面極限平衡安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各剖面極限平衡安全系數(shù)

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，采場(chǎng)各邊坡剖面的安全系數(shù)大于《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的關(guān)于邊坡工程安全等級(jí)Ⅰ，荷載組合Ⅱ的邊坡工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)范圍值（1.18,1.23）。

3 二維條件下，描述三維環(huán)境中的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性

3.1 方法步驟

該方法簡(jiǎn)單易行，步驟如下：

（1）在眾多安全系數(shù)中選擇一個(gè)最小值。

（2）將該安全系數(shù)描述的剖面和其兩側(cè)剖面安全系數(shù)求三者均值，如果是端部，則將該安全系數(shù)描述的剖面和其一側(cè)剖面安全系數(shù)求二者均值。

（3）重復(fù)（1），直到計(jì)算得到的安全系數(shù)最小為止。

3.2 應(yīng)用舉例

3.2.1 采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定

以表2采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為對(duì)象，按步驟 （1） 在17個(gè)剖面中確定460東、860東剖面安全系數(shù)最小為1.595；按步驟 （2）計(jì)算260東、460東、660東、860東、1060東剖面安全系數(shù)的均值，5個(gè)剖面安全系數(shù)的均值為1.601；

采場(chǎng)東面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.601，根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全等級(jí)是Ⅱ，邊坡工程設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性系數(shù)范圍值應(yīng)為（1.18，1.23），齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.2.2 采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定

以表2中采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)范圍值最小值為對(duì)象，按步驟（1）在17個(gè)剖面中確定1 580西、1 160西、860西、460西安全系數(shù)最小為 1.255；按步驟（2） 計(jì)算 1680 西、1580 西、1480西剖面安全系數(shù)均值為1.275，計(jì)算1260西、1160西、1060西剖面安全系數(shù)均值1.268，計(jì)算1060西、860西、660西剖面安全系數(shù)均值為1.262，計(jì)算660西、460西、260西剖面安全系數(shù)均值為1.262。

采場(chǎng)西面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.262，根據(jù)《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全等級(jí)是Ⅱ，邊坡工程設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定性系數(shù)范圍值應(yīng)為（1.18，1.23），齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

文中按照規(guī)范要求的方法，對(duì)齊大山鐵礦采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究。在此基礎(chǔ)之上，將二維條件下的穩(wěn)定性研究，轉(zhuǎn)化描述三維環(huán)境中的采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性。采場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性屬于安全生產(chǎn)范疇，關(guān)乎人民生命健康財(cái)產(chǎn)安全，在當(dāng)前國(guó)情、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、管理者素質(zhì)、干部職工人員認(rèn)識(shí)等諸多條件下，摸索低成本、簡(jiǎn)單便捷且易于理解的采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)定方法及低成本且執(zhí)行簡(jiǎn)單的治理方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計(jì)算[M]2版.北京:中國(guó)水利水電出版社，1995．

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[4]王瑜．基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)寶山鐵礦品位模型基礎(chǔ)儲(chǔ)量估算[J]．鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2016（3）： 40-42.

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