烏龍洞石灰石礦終了邊坡穩(wěn)定性分析*

劉小平 陳星明 龍林健 馮德潤

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院；2.四川西南水泥股份有限公司）

改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，我國露天礦山生產(chǎn)能力得到很大的提升。露天礦山的不斷擴(kuò)建破壞了當(dāng)?shù)卦械牡刭|(zhì)平衡，產(chǎn)生了許多不安全因素，對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的影響。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)這一工程問題進(jìn)行了深入研究，取得了豐碩的研究成果。劉歲海、唐熊等［1-2］發(fā)現(xiàn)利用極射赤平投影法可以對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析與評(píng)價(jià)。王鴻、彭建謀等［3-4］介紹了極限平衡法、強(qiáng)度折減法等定量方法在露天礦山邊坡中的應(yīng)用，為類似礦山的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了思路。

針對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性，結(jié)合烏龍洞石灰石礦山實(shí)際情況，單一的定性或定量分析方法存在一定的局限性。鑒于此，本研究從定性與定量結(jié)合的視角出發(fā)，在結(jié)合前人研究的基礎(chǔ)上，采用赤平投影法與極限平衡法相結(jié)合的方式，對(duì)自然工況和暴雨工況下的露天礦山設(shè)計(jì)終了邊坡楔形破壞模式和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程背景

四川國大水泥有限公司烏龍洞水泥用石灰石礦位于四川省江油市含增鎮(zhèn)東北側(cè)2.5 km的花果村黃連樹坡。礦區(qū)主要分布二疊系下統(tǒng)陽新組（Py）地層、石炭系黃龍組（Ch）及石炭系總長溝組（Cz）地層。礦區(qū)內(nèi)無大斷裂和褶皺構(gòu)造，其構(gòu)造為走向北東、向北西傾斜的單斜構(gòu)造。礦區(qū)主要出露地層為陽新組下段灰?guī)r，礦體呈層狀，傾向北西（330～340°），傾角為34～52°，呈單斜產(chǎn)出。礦石巖性為灰—灰白色、厚層—巨厚層微晶生物碎屑灰?guī)r，下部含有機(jī)質(zhì)、白云質(zhì)亮晶方解石生物碎屑灰?guī)r。礦山為山坡露天礦，設(shè)計(jì)采用自上而下分臺(tái)階開采，臺(tái)階高度15 m。

礦山設(shè)計(jì)終了邊坡面的選取從邊坡高度以及邊坡與巖層組合關(guān)系角度考慮，選取初步設(shè)計(jì)中礦區(qū)西北側(cè)以及南側(cè)終了邊坡作為本次分析對(duì)象。西北側(cè)邊坡最低平臺(tái)標(biāo)高為+700 m，最高平臺(tái)標(biāo)高為+835 m，邊坡高度為145 m，邊坡傾向與巖層傾向相反，屬逆向坡，西北側(cè)邊坡剖面如圖1所示。南側(cè)邊坡最低平臺(tái)標(biāo)高為+685 m，最高平臺(tái)標(biāo)高為+835m，邊坡高度為165 m，邊坡傾向與巖層傾向相同，屬順向坡，南側(cè)邊坡剖面如圖2所示。

2 基于赤平投影法的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 赤平投影法簡介

赤平投影法最初是用來表示天文學(xué)中星體位置相關(guān)關(guān)系的定性方法。20世紀(jì)60年代后，赤平投影法被引入工程地質(zhì)領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用［5-8］。

極射赤平投影的基本原理是所需要分析的三維空間中的線與面放到投影球體的中心，將線與面投影到球面上，再以下極或者上極為發(fā)射點(diǎn)，將球面上的幾何要素投影到赤平面上。平面的幾何要素包括走向、傾向、傾角，其中走向與傾向相垂直，故表示出傾向與傾角即可表示出該平面。如圖3所示，將平面ABCD放到一個(gè)投影球體的中心，得球面ABCD，平面ABCD與赤平面的夾角為該平面的傾角，交線AC即為該平面的走向。將球面ABCD與下極O1相連得錐面O1-ABCD，錐面O1-ABCD與赤平面交于圓弧AB'C，則圓弧AB'C就是平面ABCD在赤平面的投影。因此，根據(jù)邊坡坡面、巖層層面及巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀參數(shù)，將各平面繪制到赤平投影圖中（圖3），即可判定其相互位置關(guān)系，進(jìn)而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2 參數(shù)確定

（1）巖體參數(shù)。在現(xiàn)場勘測的基礎(chǔ)上，以巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，確定了邊坡面產(chǎn)狀、巖層產(chǎn)狀及3組優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀信息如表1、表2所示。

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（2）結(jié)構(gòu)面參數(shù)。根據(jù)《江油礦山結(jié)構(gòu)面地質(zhì)勘查報(bào)告》，四川國大水泥石灰石礦結(jié)構(gòu)面類型屬于硬性結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度屬于無填充的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合一般。根據(jù)《非煤露天礦工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014），烏龍洞石灰石礦區(qū)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可按照表3綜合選取。

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根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該礦邊坡自然狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角取35°，黏聚力取0.12 MPa。同時(shí)，根據(jù)秦安洪等［9］相關(guān)研究結(jié)果，飽水狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角和黏聚力可根據(jù)自然狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角進(jìn)行相應(yīng)地折減后獲得。因此，結(jié)合礦山地質(zhì)資料，最終確定烏龍洞石灰石礦巖體在飽水狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角為31.5°，黏聚力為0.08 MPa。

2.3 赤平投影分析

3組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面赤平投影繪制如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合赤平投影圖計(jì)算出邊坡巖層與優(yōu)勢節(jié)理組的組合關(guān)系如表4、表5所示。

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西北側(cè)邊坡的交割線M1、M2、M3與邊坡傾向夾角分別為157°、159°、99°，均與邊坡方向相反，發(fā)生楔形體破壞的可能性較?。唤桓罹€M4、M5、M6與邊坡傾向夾角分別為23°、59°、27°，均與邊坡方向一致，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，邊坡的傾角為55°，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角為31.5°；而M4的傾角為51°，位于邊坡傾角與邊坡內(nèi)摩擦角之間，發(fā)生楔形體破壞的可能性較大；M5與M6的傾角均大于邊坡傾角，發(fā)生楔形體破壞的可能性不大。綜上，西南側(cè)邊坡屬逆向坡，整體坡面較穩(wěn)定，但局部地區(qū)存在沿交割線M4發(fā)生楔形體破壞的可能性較大。

南側(cè)邊坡傾向?yàn)?°，傾角為55°，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角為31.5°；巖層與邊坡傾向一致屬順向坡，邊坡易發(fā)生平面滑動(dòng)破壞；交割線M1、M2、M3與邊坡傾向夾角分別為79°、32°、28°，M1與邊坡呈交叉關(guān)系，發(fā)生楔形破壞的可能性較小，M2、M3與邊坡傾向基本一致，同時(shí)M2、M3傾角分別為47°和33°，均位于邊坡內(nèi)摩擦角和邊坡傾角之間，故沿交割線M2、M3發(fā)生楔形破壞的可能性較大；交割線M4、M5、M6與邊坡傾向的夾角分別為150°、174°、154°，均與邊坡傾向相反，發(fā)生楔形破壞的可能性較小。綜上，南側(cè)邊坡屬順向坡，坡面易沿著巖層面發(fā)生平面滑動(dòng)，局部地區(qū)會(huì)在外部載荷作用下沿著交割線M2、M3發(fā)生楔形體破壞的可能性較大。

3 基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡法簡介

極限平衡法是工程上應(yīng)用較為廣泛的定量分析方法［10-12］。該方法的最大優(yōu)勢在于在不能給出結(jié)構(gòu)變形圖像的情況下，仍能對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性給出較為精確的結(jié)論。目前，國內(nèi)外對(duì)邊坡穩(wěn)定性研究大都采用極限平衡法作為定量分析。極限平衡分析的方法 很 多，有Fillenius法、簡 化Bishop法、Janbu法、Spencetr法、Morgenstern法、Sarma法、余推力法等。

因簡化Janbu法沒有考慮到條塊間抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果略偏保守；而Bishop法滿足所有條塊力的平衡條件，是圓弧形滑動(dòng)面普遍使用的穩(wěn)定性計(jì)算方法。故本研究極限平衡法采用簡化Bishop法。

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試了自然狀態(tài)下和飽水狀態(tài)下巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)參數(shù)。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到邊坡巖體力學(xué)參數(shù)如表6所示。

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3.3 安全系數(shù)

工程上，一般用某一特定滑動(dòng)面上抗滑力與滑動(dòng)力的比值來定義邊坡安全系數(shù)。根據(jù)《非煤露天礦山邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，鑒于本礦山邊坡整體等級(jí)為Ⅱ級(jí)，故本次烏龍洞石灰石礦終了邊坡安全系數(shù)綜合取值在自然工況下取1.20，暴雨工況下取1.18。

3.4 極限平衡分析

使用Bishop法有如下假定。

（1）所討論的問題為平面應(yīng)變問題。

（2）滑動(dòng)面為一個(gè)圓弧面。

（3）計(jì)算中認(rèn)為條塊間有法向作用力，不考慮切向作用力。

基于以上假定，通過Slide軟件采用Bishop法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

根據(jù)以上簡化Bishop法計(jì)算分析結(jié)果，邊坡安全系數(shù)結(jié)果見表7所示。

由表7可知，基于極限平衡法計(jì)算，西北側(cè)邊坡和南側(cè)邊坡在2種工況下安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，表明初步設(shè)計(jì)的邊坡角滿足安全要求，終了邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 安全對(duì)策措施

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（1）終了邊坡應(yīng)采用控制爆破技術(shù)，尤其是南側(cè)邊坡為順層坡，合理布局炮眼，爆破時(shí)嚴(yán)格控制裝藥量，以保持巖體的完整性和邊幫的穩(wěn)定。

（2）加強(qiáng)礦山防排水工作，水是影響邊坡穩(wěn)定性極為有害的因素，礦山在生產(chǎn)過程中，通過在終了境界外修筑截水溝，在運(yùn)礦道路靠近山坡側(cè)修筑排水溝等措施來形成完整的排水系統(tǒng)。

（3）加強(qiáng)邊坡安全管理，減少人和環(huán)境對(duì)邊坡穩(wěn)定性的破壞作用，嚴(yán)格按照開采設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行開采作業(yè)，并建立終了邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，制定邊坡監(jiān)測計(jì)劃，對(duì)存在不穩(wěn)定因素的終了邊坡進(jìn)行長期的監(jiān)測。

5 結(jié)論

（1）采用赤平投影法分析得出，礦山西北側(cè)邊坡整體較穩(wěn)定，但在動(dòng)載作用下有一定可能性發(fā)生由優(yōu)勢節(jié)理組Set1和優(yōu)勢節(jié)理組Set2所控制的楔形體破壞。礦山南側(cè)邊坡整體穩(wěn)定性較差，在動(dòng)載作用下可能會(huì)沿巖層層面發(fā)生滑動(dòng)破壞。局部區(qū)域有可能會(huì)發(fā)生由巖層、優(yōu)勢節(jié)理組Set2和優(yōu)勢節(jié)理組Set3所控制的楔形體破壞。

（2）采用極限平衡定量分析方法，計(jì)算出兩側(cè)邊坡在自然狀態(tài)和暴雨工況下的安全性系數(shù)，結(jié)果計(jì)算值均大于許用安全系數(shù)值，表明終了邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）結(jié)合烏龍洞礦山生產(chǎn)情況，針對(duì)性地提出了終了邊坡應(yīng)采用控制爆破、加強(qiáng)礦山防排水、強(qiáng)化邊坡安全管理等安全措施。