國(guó)內(nèi)某礦山露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

藍(lán)秋華

（新疆金寶礦業(yè)有限責(zé)任公司）

巖石邊坡穩(wěn)定性研究是露天礦邊坡工程中的核心問題，對(duì)于一座大型露天礦山，由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜以及礦坑開拓運(yùn)輸方式不同，使礦坑各部位的穩(wěn)定邊坡角值也各不相同［1-3］。國(guó)內(nèi)某礦山采場(chǎng)范圍大、邊坡走向長(zhǎng)度長(zhǎng)、開采深度大，加之礦區(qū)斷層較多、節(jié)理發(fā)育，整個(gè)礦山的邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜［4-6］。本研究通過對(duì)國(guó)內(nèi)某礦山露天采場(chǎng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面特征、力學(xué)特性以及可能產(chǎn)生變形破壞的部位、模式與范圍進(jìn)行分析，為確保采場(chǎng)安全生產(chǎn)提供參考。

1 礦山概況

1.1 地形地貌

某礦山位于阿爾泰山脈中部西南邊緣山前地帶，為中低山地形，海拔1 000～1 400 m，相對(duì)高差50～400 m。地形變化大，切割深度50～100 m，多發(fā)育“V”形谷，屬構(gòu)造剝蝕侵蝕型低中山地貌，總體趨勢(shì)為北高南低［7］。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)處于克蘭復(fù)式向斜與巴拉額爾齊斯復(fù)式背斜的接合部位，褶皺和斷裂均較發(fā)育。礦區(qū)構(gòu)造總體格架呈NW—SE向展布的復(fù)式向斜和斷裂組合帶，與區(qū)域構(gòu)造線基本一致。 礦區(qū)主要褶皺為鐵木下爾滾向斜，為麥茲復(fù)向斜北東翼的次級(jí)褶皺。該向斜位于蒙克木背斜的北東側(cè)，為緊閉線性褶皺。向斜北西起于可依洛甫溝一帶，南東到巴利爾斯河以東，長(zhǎng)度大于15 km，軸跡走向295°～305°，北西部稍向北彎曲尖滅。區(qū)內(nèi)斷層為F3斷層，處于鐵木下爾袞向斜兩翼，向南東分為2 個(gè)分枝，分別為蒙庫(kù)鐵礦床含礦層位的北東邊界和南西邊界，延伸10 多千米出圖，走向290°～300°；北分枝向南西陡傾斜，南分枝向北東陡傾斜，傾角大于82°，近于直立。

1.3 地層結(jié)構(gòu)

該區(qū)位于鐵木下爾袞向斜南翼，地層主要分布在下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組下亞組第二巖性段的變質(zhì)巖層中，產(chǎn)狀（335°～32°）∠48°～79°。邊坡為層狀巖體邊坡中的同傾斜向邊坡，破壞模式為楔體形，巖性上可分為片麻巖、變粒巖等，為較堅(jiān)硬巖—堅(jiān)硬巖，發(fā)育2組節(jié)理，巖體較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，整體性強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)面互相牽引，巖體基本穩(wěn)定，局部存在不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)。層狀較堅(jiān)硬碎屑巖組分布于礦區(qū)大部分地區(qū)，巖性為下泥盆統(tǒng)康布鐵堡組下亞組第二巖性段的含斑中粒角閃斜長(zhǎng)片麻巖、條帶狀角閃斜長(zhǎng)片麻巖、磁鐵變粒巖、磁鐵鈣鐵輝石變粒巖、石榴鈣鐵輝石巖、黑云母片巖、斜長(zhǎng)角閃巖、大理巖。巖體呈塊狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化程度不高，厚度不大，以微風(fēng)化為主。地表巖體較完整，邊坡內(nèi)部巖體較完整—完整。由地表向深部巖體完整程度逐漸增大，除了發(fā)育有構(gòu)造破碎帶以外，巖體完整程度均較高。巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為51.1～113 MPa，除了邊坡內(nèi)部部分因構(gòu)造破碎帶造成的巖體較破碎外，其余均為較完整的較堅(jiān)硬巖體。該巖組工程地質(zhì)條件較好。

1.4 邊坡等級(jí)劃分

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）［8］相關(guān)規(guī)定，邊坡高度大于500 m 即為超高邊坡，根據(jù)國(guó)內(nèi)某礦山露天采場(chǎng)終了設(shè)計(jì)境界圖，終了邊坡高度最高約912 m，為超高邊坡，其邊坡工程安全等級(jí)劃分見表1；露天采場(chǎng)邊坡受到的荷載類型包括I、II 和III 組合荷載，其許用安全系數(shù)應(yīng)滿足表2的要求。

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注：荷載組合I為自重+地下水；荷載組合II為自重水+地下水+爆破動(dòng)力；荷載組合III為自重+地下水+地震力。

本研究重點(diǎn)分析在荷載組合I 和荷載組合III 下的邊坡穩(wěn)定性情況。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)，礦區(qū)露天礦邊坡高度最高將達(dá)到912 m，根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）［8］，本區(qū)邊坡為高邊坡，邊坡工程安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)。因此，根據(jù)表2要求，確定本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算允許安全系數(shù)為：在荷載組合I 下邊坡最小安全系數(shù)下限為1.20，在荷載組合III 下邊坡最小安全系數(shù)下限為1.15。影響邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)主要有爆破振動(dòng)和地震，礦區(qū)基本烈度屬于8度區(qū)，穩(wěn)定性計(jì)算中取綜合地震動(dòng)影響系數(shù)0.05。本研究通過分析剖面穩(wěn)定性計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該礦露天邊坡生產(chǎn)的爆破振動(dòng)力小于天然地震力，加之爆破與天然地震同時(shí)發(fā)生的概率極小，因此在總體爆破穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，將其計(jì)入天然地震力。

2 巖體結(jié)構(gòu)特征

鐵木下爾袞向斜是礦區(qū)的主要控礦構(gòu)造，向斜軸面總體傾向NE，傾角為18°～85°。本區(qū)位于向斜南翼靠近構(gòu)造的核心位置，地層明顯受該向斜構(gòu)造控制，近順層狀產(chǎn)出，呈不規(guī)則的似層狀、透鏡狀。坡面上巖層產(chǎn)狀為（335°～32°）∠（48°～79°）。由于現(xiàn)場(chǎng)開采條件所限，本次僅對(duì)邊坡進(jìn)行了1條詳測(cè)線測(cè)量，對(duì)詳細(xì)測(cè)線實(shí)地測(cè)量獲取的產(chǎn)狀信息通過相關(guān)軟件繪制等密圖，進(jìn)而確定優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面。進(jìn)一步用專業(yè)分析軟件對(duì)三維激光成果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1、圖2。分析發(fā)現(xiàn)：優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面類型與等密度圖分析結(jié)果一致。

3 穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 邊界條件設(shè)置

本研究邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，將采坑降落漏斗外邊緣處的水頭概化為定水頭邊界，上游定水頭邊界從邊坡頂部往外延伸，其延伸范圍一般取采場(chǎng)邊坡高度（從坑底算起）的0.5～2.5 倍［9］。同時(shí)，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘察及水工環(huán)地質(zhì)勘察鉆孔實(shí)測(cè)的地下水位值，綜合確定上游邊界水頭值。下游邊界根據(jù)采場(chǎng)作業(yè)要求，坑底不能積水，故一般均選取坑底標(biāo)高為定水頭邊界，故取其壓力水頭值為零。在此基礎(chǔ)上，本研究應(yīng)用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。

3.2 極限平衡分析

根據(jù)反演計(jì)算所獲取的強(qiáng)度參數(shù)，本研究利用Geo-studio 軟件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，采用極限平衡法［10-11］分析邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。

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由表3 可知：1-1#剖面在荷載組合Ⅰ、Ⅲ工況下安全系數(shù)為1.660、1.557（簡(jiǎn)化Bishop 法），邊坡整體穩(wěn)定性在各工況下滿足規(guī)范允許要求，安全儲(chǔ)備充足，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 局部穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘可以發(fā)現(xiàn)，露天礦西側(cè)存在影響邊坡穩(wěn)定性的一塊滑體KT01，受2 組結(jié)構(gòu)面控制，呈楔形破壞形成。本研究對(duì)該塊體進(jìn)行局部穩(wěn)定性分析計(jì)算，確定模型為楔形體（圖3），穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

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通過對(duì)結(jié)構(gòu)面KT01 進(jìn)行穩(wěn)定性分析，邊坡局部穩(wěn)定性在各工況Ⅰ、Ⅲ滿足規(guī)范允許要求，邊坡局部處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡破壞模式分析

現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果顯示：滑動(dòng)面順傾層理在邊坡中部切斷出露，邊坡東側(cè)一層層疊層狀壓制約束，導(dǎo)致1 080 m平臺(tái)裂縫東西偏南平行等間距排列。南幫東側(cè)更明顯看出這種層理賦存特征，邊坡面走向完全一致、崩塌少、規(guī)模小，表明從三維角度分析順傾邊坡發(fā)生滑移式崩塌的前提是單側(cè)或兩側(cè)存在解除約束的小斷層等。節(jié)理面與邊坡小角度斜交，局部臺(tái)階構(gòu)成平面破壞，從而造成巖體坡腳局部破壞，下部滑體在快速卸荷、爆破作用下?lián)p傷強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，為順層屈曲破壞創(chuàng)造了條件。隨著BT01 坡腳屈曲破壞，造成上部順層結(jié)構(gòu)體進(jìn)一步牽引變形，形成多級(jí)牽引滑動(dòng)（圖4）。礦區(qū)大部分崩塌以坡腳潰屈破壞為主。順層邊坡當(dāng)層狀結(jié)構(gòu)面比較密集，巖層較薄時(shí)，開挖到一定高度后，坡腳處應(yīng)力集中，在坡腳巖層發(fā)生彎曲隆起變形，進(jìn)而發(fā)展為坡腳巖層斷裂，上部邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)破壞，該類邊坡破壞為潰屈破壞。

5 結(jié) 論

結(jié)合國(guó)內(nèi)某露天礦山，利用三維激光掃描成果及赤平投影法、反演分析方法，討論了采場(chǎng)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面特征、力學(xué)特性以及邊坡破壞模式，得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)三維激光掃描結(jié)果，確定了巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，揭示了某露天采場(chǎng)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面特征以及破壞模式，即坡腳局部破壞，下部滑體在快速卸荷、坡腳發(fā)生潰屈破壞，局部邊坡受結(jié)構(gòu)面控制，出現(xiàn)楔形破壞。

（2）邊坡巖體質(zhì)量良好，節(jié)理發(fā)育少，巖體較完整，呈現(xiàn)為微風(fēng)化狀態(tài)，巖體質(zhì)量良好，物理力學(xué)性質(zhì)較好；邊坡總體與局部呈穩(wěn)定狀態(tài)，滿足規(guī)范允許要求。