某露天礦邊坡穩(wěn)定性分析

劉志軍 ，周丹 ，鄂玉強(qiáng) ，李昕蔚 ，王筱添 ，廖九波

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.江鎢控股集團(tuán) 九江有色金屬冶煉有限公司， 江西 九江市 332000)

0 引言

在露天礦山生產(chǎn)中，露天采場(chǎng)開(kāi)采境界參數(shù)的合理選擇對(duì)礦山企業(yè)的安全具有重要意義。因此，選擇經(jīng)濟(jì)合理的剝采比尤為重要。在露天開(kāi)采境界眾多參數(shù)中，最終邊坡角的影響最直接，而最終邊坡角對(duì)邊坡最大影響是其安全穩(wěn)定性。因此，判斷邊坡參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理的重要手段是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，優(yōu)選出既能保證邊坡安全又能取得更多經(jīng)濟(jì)效益的露天邊坡參數(shù)[1]。

邊坡穩(wěn)定性影響因素主要包括構(gòu)成邊坡的巖土體力學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù)及外界作用力，巖土力學(xué)參數(shù)主要有容重、泊松比、彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力等；幾何參數(shù)包括臺(tái)階高度、坡度、邊坡高度及最終邊坡角；外界作用力主要為地震力和爆破震動(dòng)[2]。

為取得準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)值，人們通常借助于高效的計(jì)算機(jī)軟件。目前應(yīng)用較多的邊坡穩(wěn)定性分析軟件主要包括：理正、ABAQUS、Geo-Slope、Geo-Studio、FLAC、Midas_GTS 等，其中Geo-Slope軟件在模擬孔隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響中具有廣泛應(yīng)用。

本文為判斷某露天礦邊坡設(shè)計(jì)是否合理，選擇4個(gè)典型橫剖面作為邊坡分析對(duì)象，采用Auto CAD和Geo-Slope軟件輔助建模，模擬邊坡在不同環(huán)境條件下的失穩(wěn)滑移過(guò)程，計(jì)算邊坡安全系數(shù)并與規(guī)范值比較，最后對(duì)邊坡安全維護(hù)提出相關(guān)建議。

1 露天邊坡參數(shù)選取

1.1 露天采場(chǎng)概況

某露天礦巖體呈巖基狀產(chǎn)出，巖性為細(xì)中粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖，白云母二長(zhǎng)花崗巖，呈淺肉紅-灰白色，細(xì)中?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由條紋長(zhǎng)石、鈉-更長(zhǎng)石、中長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、石英、黑云母組成。礦區(qū)范圍內(nèi)原始地形完整，整體穩(wěn)定。

根據(jù)礦山巖石力學(xué)條件，經(jīng)露天采場(chǎng)境界優(yōu)化，設(shè)計(jì)露天采場(chǎng)邊坡參數(shù)。臺(tái)階高度為15 m；終了臺(tái)階坡面角：未風(fēng)化花崗巖礦取 70°，第四系、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層取40°；安全平臺(tái)寬為4 m；清掃運(yùn)輸平臺(tái)寬為8 m；每2個(gè)安全平臺(tái)留一個(gè)清掃平臺(tái)；運(yùn)輸?shù)缆穬魧? m，最終邊坡角為52°。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得出該露天礦巖土邊坡主要巖石力學(xué)性能參考值見(jiàn)表1。

表1 某露天礦邊坡主要巖石力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 邊坡剖面選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘與圖件分析，選取露天采場(chǎng)4個(gè)典型剖面作為邊坡穩(wěn)定性分析模型，所選邊坡剖面在平面上的位置見(jiàn)圖1。同時(shí)考慮地下水作用，經(jīng)進(jìn)一步完善后的邊坡模型見(jiàn)圖2～圖5。

圖1 所選邊坡平面位置

圖2 1-1剖面

圖3 2-2剖面

圖4 3-3剖面

圖5 4-4剖面

1.3 邊坡安全系數(shù)取值

根據(jù)露天礦山采場(chǎng)邊坡相關(guān)規(guī)范要求，按邊坡組成要素相關(guān)參數(shù)的不同，可將邊坡危害等級(jí)分為以下3個(gè)等級(jí)：I級(jí)邊坡，綜合評(píng)定危害很?chē)?yán)重；Ⅱ級(jí)邊坡，綜合評(píng)定危害嚴(yán)重；Ⅲ級(jí)邊坡，綜合評(píng)定危害不嚴(yán)重。

經(jīng)調(diào)研分析得出：該露天礦邊坡如發(fā)生滑坡事故，可能危及露天采場(chǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)，造成廠房設(shè)備損壞，致使生產(chǎn)中斷，甚至造成人員傷亡，勢(shì)必產(chǎn)生非常惡劣的社會(huì)影響。而此次設(shè)計(jì)的最大邊坡高度為236 m，因此邊坡安全等級(jí)為I級(jí)。

由《巖土工程勘察規(guī)范》可知，露天礦山永久邊坡整體安全性最小安全系數(shù)應(yīng)滿足以下要求：當(dāng)邊坡同時(shí)受自重+地下水作用，其安全系數(shù)不小于1.20～1.25；當(dāng)邊坡同時(shí)受自重+地下水+地震力作用，其安全系數(shù)不小于 1.15～1.20。為增加數(shù)值模擬的可靠性，該露天礦邊坡在不同作用條件下要求的最小安全系數(shù)均取大值。

2 露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡破壞類(lèi)型

露天礦邊坡穩(wěn)定性分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，其影響因素復(fù)雜多變，不同礦山具有不同的工程地質(zhì)條件，且露天礦山邊坡工程具有明顯的時(shí)效性、可變形性和動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)。因此露天礦邊坡明顯區(qū)別于其他工程地質(zhì)邊坡[3]，其巖質(zhì)邊坡是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)組合體，導(dǎo)致其變形破壞的因素和方式也復(fù)雜多樣，但總體而言，在工程實(shí)際中最常見(jiàn)的邊坡破壞類(lèi)型主要有：平面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)、楔形破壞、傾倒破壞以及潰屈破壞等[4]。由于該露天采場(chǎng)邊坡巖石構(gòu)造較為完整，因此在數(shù)值模擬過(guò)程中邊坡破壞模式主要表現(xiàn)為圓弧滑動(dòng)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，邊坡穩(wěn)定性分析方法亦呈現(xiàn)出多樣性，歸結(jié)起來(lái)其計(jì)算原理都是一致的。目前，應(yīng)用較多的計(jì)算方法主要包括：強(qiáng)度折減法、極限平衡法、畢肖普法、余推力法、有限元法及非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等[5-6]。本次露天邊坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法，以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算時(shí)采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-Slope進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)邊坡各巖層的不同內(nèi)摩擦角與黏聚力，模擬邊坡潛在滑移面在不同條件下的破壞過(guò)程，計(jì)算出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)[7-8]。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

影響邊坡穩(wěn)定的因素包括邊坡形態(tài)（主要包括邊坡形狀、邊坡高度、服務(wù)年限及風(fēng)化層劃分）、巖體自身物理力學(xué)性質(zhì)、地下水、爆破振動(dòng)。為便于分析，本次數(shù)值模擬僅考慮邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用下的穩(wěn)定性情況。根據(jù)中國(guó)地震帶劃分，本露天礦所在地抗震烈度為6°，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.05g。經(jīng)計(jì)算，得出邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 露天邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由表2可知，4個(gè)典型邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)都大于其規(guī)范值1.25和1.20，且安全系數(shù)均在一級(jí)重要工程取值范圍內(nèi)。表明該露天礦邊坡穩(wěn)定安全儲(chǔ)備足夠，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算滑動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖6～圖13。

圖6 1-1縱剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水）

圖7 1-1橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水+地震力）

圖8 2-2橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水）

圖9 2-2橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水+地震力）

圖10 3-3橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水）

圖11 3-3橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水+地震力）

圖12 4-4橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水）

圖13 4-4橫剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算示意（自重+地下水+地震力）

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文為分析某露天礦邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘選取4個(gè)典型邊坡，用Geo-Slope軟件建立邊坡模型，并為邊坡選取合適的巖石力學(xué)參數(shù)，基于極限平衡原理采用Morgenstern-Price方法，分析邊坡在自重+地下水、自重+地下水+地震力作用條件下潛滑面的安全穩(wěn)定性，經(jīng)分析計(jì)算得出以下主要結(jié)論：

（1）4個(gè)邊坡在自重+地下水作用下的安全系數(shù)分別為 1.54，1.51，1.69，1.64，均大于規(guī)范值1.25；在自重+地下水+地震力作用下的安全系數(shù)分別為1.44，1.40，1.56，1.54，均大于規(guī)范值1.20，由此表明該露天礦邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的；

（2）露天采場(chǎng)邊坡潛滑面滑移破壞主要集中在邊坡中部，不同邊坡形狀對(duì)安全系數(shù)具有一定影響，同一邊坡在地震力作用下其安全系數(shù)會(huì)有所降低。

3.2 建議

基于上述結(jié)論，結(jié)合礦山實(shí)際提出以下邊坡維護(hù)治理建議：

（1）礦山在正常生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)、工程地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)調(diào)查等相關(guān)研究工作；

（2）加強(qiáng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性管理措施，及時(shí)對(duì)已產(chǎn)生裂隙或錯(cuò)動(dòng)的邊坡巖體進(jìn)行加固處理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可采取預(yù)應(yīng)力錨索錨固、鋼筋網(wǎng)+噴射砼或土工格柵等支護(hù)措施；同時(shí)建議礦山每隔3～5年開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的邊坡應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作，確保礦山生產(chǎn)安全；

（3）為減小爆破振動(dòng)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性影響，在實(shí)施露天臺(tái)階爆破時(shí)應(yīng)采取預(yù)裂爆破技術(shù)，減少爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的擾動(dòng)破壞；

（4）加強(qiáng)邊坡防排水治理措施，臺(tái)階邊坡做好截洪溝、排水溝，及時(shí)排放大氣降水及地下水，以保證邊坡的穩(wěn)定性。