某白云巖礦露天邊坡穩(wěn)定性分析

楊天寶

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

某白云巖礦露天開采多年，形成一處露天采場，采場上口寬度(長×寬)440 m×270 m，最大邊坡高度約為340 m，邊坡角52°左右(局部達到69°)，采場邊坡屬于高陡邊坡，易發(fā)生坍塌導致安全事故。為確保日常生產(chǎn)安全，采用理論分析和數(shù)值模擬相結合的方式對現(xiàn)狀條件下的露天采場邊坡進行穩(wěn)定性分析。

1 礦山邊坡現(xiàn)狀及分區(qū)

根據(jù)擬定各個分區(qū)邊坡所在區(qū)域的水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、礦巖性質(zhì)以及礦巖結構構造等特征，同時充分考慮邊坡幾何形狀和傾向進行現(xiàn)狀條件下邊坡分區(qū)的劃分。對現(xiàn)狀條件下邊坡進行分區(qū)，將相同類似的現(xiàn)狀邊坡統(tǒng)一在一個分區(qū)考慮，定性和定量分析其邊坡巖體破壞模式和現(xiàn)狀條件下的穩(wěn)定性。分析結果具有代表性，且分析工作量小。

該礦山礦體為中厚層粉晶白云巖，賦存于長城系高于莊組三段上部，頂板為灰-灰黑色中厚層粗粒白云質(zhì)灰?guī)r，底板為含燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r。礦體頂、底板圍巖巖體結構為整體塊狀結構，層狀結構面，層與層之間具有結合力。

礦山露天開采最終邊坡巖性單一，為厚層～中厚層沉積巖體，巖體致密堅硬、力學強度高，礦床地質(zhì)構造簡單。

根據(jù)各邊坡的邊坡幾何形狀和傾向、傾角，將礦區(qū)范圍內(nèi)的露天邊坡劃分為4個邊坡分區(qū)[1]，詳見表1。

表1 各分區(qū)剩余資源量匯總表

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 概述

該礦山邊坡工程地質(zhì)條件屬于簡單類型，最低邊坡高度100 m、最高邊坡高度340 m；露天邊坡靠幫后進行并段，在達到要求的邊坡角的前提下，減少剝巖量。

2.2 工程地質(zhì)經(jīng)驗類比法

工程地質(zhì)經(jīng)驗類比法作為重要方法之一，在邊坡穩(wěn)定性分析方面應用廣泛，在信息高速傳播的今天，主要通過與自身相似程度高的礦山進行對比分析，相似程度對比內(nèi)容主要包括開采礦種、生產(chǎn)規(guī)模、露天采場大小和高度、生產(chǎn)年限等。

由表2可以看出，Ⅰ分區(qū)、Ⅱ分區(qū)、Ⅲ分區(qū)采場各邊坡的邊坡角均位于《采礦設計手冊》中推薦的最終邊坡角安全范圍內(nèi)，且均靠近下限或者遠離下限，邊坡穩(wěn)定性較好，能夠保證長期穩(wěn)定。Ⅳ分區(qū)邊坡的邊坡角均位于《采礦設計手冊》中推薦的最終邊坡角安全范圍外，邊坡穩(wěn)定性比較差，有較大可能出現(xiàn)滑坡等失穩(wěn)破壞問題。

表2 工程地質(zhì)類比法安全性分析

根據(jù)國內(nèi)外露天礦山的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，采用工程地質(zhì)類比法選定的邊坡角往往都偏于安全保守，安全系數(shù)較高，其精確度不如計算法高。

2.3 邊坡穩(wěn)定性計算

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)是影響邊坡安全性的主要因素之一，邊坡穩(wěn)定系數(shù)等于邊坡沿滑面產(chǎn)生的抗滑力與滑動力的比值。當該比值=1時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)；該比值>1時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；該比值<1時，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)[2-4]。

定量分析主要是利用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

該礦山邊坡為巖質(zhì)邊坡，巖體結構為塊狀結構，采用薩爾瑪法(Sarma)進行邊坡分析計算。薩爾瑪法(Sarma)屬于剛體極限平衡法之一，該方法能夠同時滿足力矩平衡和力的平衡要求，對任意形狀的潛在滑動面都能得出較好的計算結果。

1)巖體力學參數(shù)的選取

本文根據(jù)礦山巖石的物理力學參數(shù)，參考《工程巖體分級標準》對該礦的邊坡巖體進行巖體基本質(zhì)量分級，確定各個分區(qū)擬分析剖面巖體的物理力學參數(shù)。主要選取步驟如下：

(1) 對各個分區(qū)擬分析剖面巖體進行基本質(zhì)量分級，計算BQ值；

(2) 根據(jù)BQ值確定各個分區(qū)擬分析剖面巖體基本質(zhì)量級別；

(3) 根據(jù)《工程巖體分級標準》附錄D.0.1表格的巖體物理力學參數(shù)經(jīng)驗值，結合國內(nèi)露天白云巖礦山的巖體物理力學參數(shù)，選取各分區(qū)巖體的物理力學參數(shù)。

(4)根據(jù)《工程巖體分級標準》，計算各個分區(qū)擬分析剖面巖體基本質(zhì)量指標BQ，見公式(1)

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：BQ—巖體基本質(zhì)量指標；Rc—巖石飽和單軸抗壓強度；Kv—巖體完整性指數(shù)。

參數(shù)選取及各類巖體物理力學參數(shù)詳見表3。

表3 巖體物理力學參數(shù)表

2)地震力

根據(jù)礦區(qū)及周邊地區(qū)的地震資料，該地區(qū)地震基本烈度按6度設防，加速度取0.05 g，地震影響系數(shù)取Ks=0.04。按露天爆破振動頻率7 Hz、爆破振動速度8 cm/s、動力系數(shù)0.2計算，礦山的爆破振動影響系數(shù)取Kz=0.08。按地震影響系數(shù)為0.08，據(jù)此進行邊坡穩(wěn)定系數(shù)求解。

3)模型的建立

根據(jù)礦山的水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、礦巖性質(zhì)、礦巖結構構造等特征及邊坡現(xiàn)狀等情況，同時充分考慮邊坡幾何形狀和傾向進行現(xiàn)狀條件下邊坡分區(qū)的劃分，最終將露天采場現(xiàn)狀邊坡劃分為4個分區(qū)，在劃分的各分區(qū)選擇最具代表性的邊坡剖面分別建立分析模型，對各分區(qū)的邊坡整體穩(wěn)定性進行分析計算。

以下以Ⅱ分區(qū)B線為例，建立的邊坡分析模型參數(shù)見圖1，單元尺寸為m。

圖1 B-B′線邊坡分析模型

4)各分區(qū)總體邊坡穩(wěn)定性計算分析

目前露天采場最低平臺處于最低侵蝕基準面以上，邊坡巖體內(nèi)沒有地下水存在，因此本文不考慮地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。在正常工況(自重)和地震工況(自重+地震力)兩種條件下分別分析計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

利用SLOPE/W 模塊，采用sarma法，分別對建立的各分區(qū)露天邊坡模型進行了正常工況(自重)和地震工況(自重+地震力)兩種條件下分別分析計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

表4 采場邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算結果表

圖2 D-D′剖面線穩(wěn)定性系數(shù)(正常工況)

圖3 D-D′剖面線穩(wěn)定性系數(shù)(地震工況)

圖4 E-E′剖面線穩(wěn)定性系數(shù)(正常工況)

圖5 E-E′剖面線穩(wěn)定性系數(shù)(地震工況)

5)結論分析

(1)通過對各剖面線邊坡的穩(wěn)定系數(shù)進行計算，Ⅰ分區(qū)、Ⅱ分區(qū)、Ⅲ分區(qū)露天采場在正常工況下，各剖面線邊坡穩(wěn)定系數(shù)均>1.15；地震工況下，各剖面線邊坡穩(wěn)定系數(shù)均>1.10。

由以上計算結果可知：在正常工況和地震工況下，Ⅰ分區(qū)、Ⅱ分區(qū)、Ⅲ分區(qū)各剖面線邊坡穩(wěn)定性較好，邊坡穩(wěn)定系數(shù)能夠達到《非煤露天礦山邊坡工程技術規(guī)范》的安全要求，安全系數(shù)較高，總體邊坡發(fā)生大規(guī)?；碌目赡苄院苄?。

(2)通過對各剖面線邊坡的穩(wěn)定系數(shù)進行計算，Ⅳ分區(qū)高陡邊坡在正常工況下，各剖面線邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.2～1.25之間，在規(guī)定的安全范圍臨界值1.2附近；地震工況下，各剖面線邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.103～1.123之間，小于規(guī)定的安全范圍臨界值1.15。

由以上計算結果可知：在正常工況下，Ⅳ分區(qū)高陡邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在《非煤露天礦山邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定的安全范圍臨界值附近，目前處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)偏低，受外界因素(降雨、溫差、凍融、振動等)影響，有發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能；在地震工況下，Ⅳ分區(qū)高陡邊坡的穩(wěn)定系數(shù)小于《非煤露天礦山邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定的安全范圍臨界值，安全系數(shù)不能滿足安全生產(chǎn)的要求，存在一定的安全隱患。

3 邊坡處理建議

1)Ⅳ分區(qū)高陡邊坡應立即進行削坡處理，降低最終邊坡角，以確保安全。

2)在高陡邊坡整治完成之前，Ⅳ分區(qū)高陡邊坡底部修筑防滾石擋墻，并在外邊緣設立警示標志，禁止無關人員靠近，并派專人定期檢查和維護該露天邊坡，及時清掃滾落的巖石。

3)靠近地表的上部巖體，風化比較嚴重，且節(jié)理裂隙比較發(fā)育，對降雨、溫差、凍融等外部因素的變化比較敏感，礦山在后期應加強對這部分邊坡的監(jiān)測工作，并采取相應的措施，以控制外界因素對邊坡穩(wěn)定的影響。

4)露天采場邊坡的穩(wěn)定性受爆破效應和風化作用影響，最容易發(fā)生的變形破壞形式是破碎巖體的崩塌和剝離，礦山在降雨和強風天氣應暫停運輸作業(yè)，大雨過后和爆破作業(yè)結束后應對邊坡的安全進行全面排查，重點對強風化帶進行檢查，確認安全后再恢復生產(chǎn)。

4 結語

1)通過定性、定量分析，四個分區(qū)當中Ⅰ分區(qū)、Ⅱ分區(qū)、Ⅲ分區(qū)現(xiàn)有邊坡比較穩(wěn)定，保持規(guī)范生產(chǎn)，按設計留設邊坡和平臺，可確保生產(chǎn)安全。

2)Ⅳ分區(qū)高陡邊坡穩(wěn)定性較差，計算兩個剖面線邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)定的安全范圍，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的可能性較大，礦山應盡快采取治理措施。

3)GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)安全可靠，隨著生產(chǎn)進行，邊坡形態(tài)不斷變化，礦山應及時繪制剖面，重新進行穩(wěn)定系數(shù)計算，以便更好地指導生產(chǎn)。