基于赤平投影法與極限平衡法的某礦山邊坡穩(wěn)定性研究

摘" 要：露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性已成為人民和國家關(guān)注的礦山安全問題之一。該研究根據(jù)邊坡坡向、邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和巖體產(chǎn)狀對礦山邊坡地質(zhì)工程分區(qū)，利用赤平投影法對3個(gè)分區(qū)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究，選取3個(gè)典型剖面基于Slide軟件利用極限平衡法對礦山高陡邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究。研究結(jié)果表明，該礦山邊坡發(fā)生滑動(dòng)、楔體破壞的可能性較小，且在3種工況下的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，該礦山邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可保證礦山生產(chǎn)的安全。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；極限平衡法；赤平投影法；礦山安全；安全系數(shù)

中圖分類號：TD824" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0107-04

Abstract： The stability of high and steep slopes in open-pit mines has become one of the mine safety issues of concern to the people and the country. In this study， the geological engineering zoning of mine slopes is divided into three subdivisions based on the slope direction， slope rock mass structural characteristics， structural plane development characteristics and rock mass attitude. The stereographic projection method is used to conduct slope stability research on three subdivisions. Three typical sections are selected based on slide software and the limit equilibrium method is used to conduct stability research on high and steep slopes of the mine. The research results show that the mine slope is less likely to slip and wedge damage， and the safety factors under the three working conditions are greater than the allowable safety factors. The mine slope is in a stable state， which can ensure the safety of mine production.

Keywords： slope stability; limit equilibrium method; stereographic projection method; mine safety; safety factor

近年來，我國發(fā)生多起礦山高陡邊坡失穩(wěn)事故，造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，對礦山高陡邊坡的穩(wěn)定性研究有重大意義[1-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性展開過一些研究。鄭雷[6]利用層次分析法對影響邊坡穩(wěn)定性的14個(gè)影響因素進(jìn)行了分析。宋衛(wèi)東等[7]采用Geo-Slop軟件對蘭尖鐵礦深凹露天礦山高陡邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。武強(qiáng)等[8]對安堡太露天礦邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究。莫文叢等[9]采用極限平衡法和FLAC3D分析了某礦山邊坡穩(wěn)定性。趙兵等[10]研究了船山集團(tuán)石灰石露天采場邊坡穩(wěn)定性。

本文以某礦山為研究對象，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)分區(qū)和破壞模式。利用多種方法綜合確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，再利用赤平投影法和極限平衡法研究了采場擬設(shè)終了邊坡在3種工況下邊坡的穩(wěn)定性。

1" 工程概況

1.1" 地層構(gòu)造

礦區(qū)地層，主要出露三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組中段至三疊系中統(tǒng)巴東組，另外盆地、槽谷以及緩坡分布第四系。礦區(qū)內(nèi)未見明顯褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育。

1.2" 邊坡地質(zhì)工程分區(qū)

本次研究根據(jù)邊坡坡向、邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征和巖體產(chǎn)狀等因素將礦區(qū)分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)。同時(shí)在各區(qū)域選擇出3個(gè)代表性剖面，分別為Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'和V-V'剖面，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，礦山和剖面具體位置如圖1所示。

1.3" 邊坡許用安全系數(shù)

本次研究的礦山終了邊坡高度最小為45 m，最大為194.7 m，屬于中、低邊坡。因此將該礦山邊坡危害等級定為Ⅱ級，邊坡工程安全等級取為Ⅱ級，具體邊坡許用安全系數(shù)見表1。

2" 基于赤平投影法的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1" 赤平投影法原理

極射赤平投影的基本原理是將我們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。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，即可判定其相互位置關(guān)系，進(jìn)而對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2" 邊坡穩(wěn)定性分析

運(yùn)用赤平投影法對礦山劃定的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)3個(gè)區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先，確定各剖面所在邊坡坡面產(chǎn)狀及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。隨后，利用赤平投影原理分別繪制出各剖面所在邊坡的赤平投影圖，并確定各優(yōu)勢節(jié)理組與巖層之間所組成的交割線的產(chǎn)狀。最后，根據(jù)其組合關(guān)系進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2.1" A區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

選取該分區(qū)中的Ⅱ-Ⅱ'邊坡剖面為代表剖面來進(jìn)行赤平投影分析。圖2是該區(qū)域邊坡剖面赤平投影分析圖。在此基礎(chǔ)上，確定了A區(qū)邊坡坡面、巖層層面、優(yōu)勢節(jié)理組Set1及其交割線的產(chǎn)狀要素與組合關(guān)系，見表2。

結(jié)合礦山地質(zhì)資料對圖2及表2進(jìn)行分析可知，該處邊坡傾向?yàn)?3°，傾角為48°。該處邊坡坡面傾向與地層傾向之間的夾角為104°，為斜交邊坡，屬穩(wěn)定組合，滑動(dòng)的可能性小。優(yōu)勢節(jié)理組Set1傾向與邊坡傾向之間的夾角為108°，屬穩(wěn)定組合。

其次，通過分析各交割線與邊坡坡面之間的組合關(guān)系可以看出，交割線M1的傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角為195°，且交割線傾角大于邊坡坡面傾角，因此邊坡沿交割線M1發(fā)生楔體破壞可能較小，屬穩(wěn)定組合。

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量及赤平投影分析，結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系較穩(wěn)定，發(fā)生滑動(dòng)、楔體破壞的可能性較小，A區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較好。

2.2.2" B區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

B區(qū)邊坡位于礦山開采范圍的東北側(cè)，選取該分區(qū)中的Ⅲ-Ⅲ'邊坡剖面為代表剖面進(jìn)行赤平投影分析。圖3是該區(qū)域邊坡剖面赤平投影分析圖。在此基礎(chǔ)上，確定了B區(qū)邊坡坡面、巖層層面、優(yōu)勢節(jié)理組Set1及其交割線的產(chǎn)狀要素及組合關(guān)系，見表3。

結(jié)合礦山地質(zhì)資料對圖3及表3進(jìn)行分析可知，該處邊坡傾向?yàn)?8°，傾角為48°。該處邊坡坡面傾向與地層傾向之間的夾角為109°，為斜交邊坡，屬穩(wěn)定組合，滑動(dòng)的可能性小。優(yōu)勢節(jié)理組Set1傾向與邊坡傾向之間的夾角為83°，屬穩(wěn)定組合，滑動(dòng)的可能性小。

其次，通過分析各交割線與邊坡坡面之間的組合關(guān)系可以看出，交割線M1的傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角為170°，因此邊坡沿交割線M1發(fā)生楔體破壞可能較小，屬穩(wěn)定組合。

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量及赤平投影分析，結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系較穩(wěn)定，發(fā)生滑動(dòng)、楔體破壞的可能性較小，B區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較好。

2.2.3" C區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

C區(qū)邊坡位于礦山目前開采范圍東北側(cè)，圖4是北區(qū)邊坡赤平投影分析圖。在此基礎(chǔ)上，確定了C區(qū)邊坡坡面、巖層層面、優(yōu)勢節(jié)理組Set1及其交割線的產(chǎn)狀要素及組合關(guān)系，見表4。

結(jié)合礦山地質(zhì)資料對圖4及表4進(jìn)行分析可知，該處邊坡傾向?yàn)?32°，傾角為49°。該處邊坡坡面傾向與地層傾向之間的夾角為75°，為切向邊坡，屬穩(wěn)定組合，滑動(dòng)的可能性小。優(yōu)勢節(jié)理組Set1傾向與邊坡傾向之間的夾角為101°，屬穩(wěn)定組合，滑動(dòng)的可能性小。

其次，通過分析各交割線與邊坡坡面之間的組合關(guān)系可以看出，交割線M1的傾向與邊坡坡面傾向之間的夾角為86°，因此邊坡沿交割線M1發(fā)生楔體破壞可能較小，屬穩(wěn)定組合。

綜上所述，依據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面測量及赤平投影分析，結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系較穩(wěn)定，發(fā)生滑動(dòng)、楔體破壞的可能性較小，C區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較好。

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

目前，國內(nèi)外對邊坡穩(wěn)定性研究大都采用極限平衡法分析作為定量分析。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法和余推力法等。本次研究利用Slide軟件，采用Moergenstern-Price法（以下簡稱“MP法”）和JS法研究該礦山終了邊坡的穩(wěn)定性。

3.2" 邊坡巖土體力學(xué)指標(biāo)

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況、工程地質(zhì)條件、室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，利用費(fèi)辛柯法、格吉（M.Georgi）法、經(jīng)驗(yàn)折減法、巖體內(nèi)摩擦角換算法及H-B準(zhǔn)則參數(shù)過渡方法，綜合確定礦區(qū)邊坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)，詳見表5。

3.3" 計(jì)算結(jié)果

Ⅱ-Ⅱ′剖面邊坡極限平衡分析，如圖5—圖7所示。

Ⅲ-Ⅲ′剖面邊坡極限平衡分析，如圖8—圖10所示， Ⅴ-Ⅴ′剖面邊坡極限平衡分析，如圖11—圖13所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果圖可知，選取的3個(gè)典型剖面在3種工況下的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，表明該礦山邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可保證礦山生產(chǎn)的安全。

4" 結(jié)論

1）利用赤平投影法研究礦山A、B、C 3個(gè)分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系較穩(wěn)定，發(fā)生滑動(dòng)、楔體破壞的可能性較小，該礦山整體邊坡穩(wěn)定性較好。

2）利用極限平衡法研究選取的3個(gè)典型剖面在3種工況下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明：Ⅱ-Ⅱ'、Ⅲ-Ⅲ'和V-V'剖面在3種工況下的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，表明該礦山邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可保證礦山生產(chǎn)的安全。

3）礦山高陡邊坡穩(wěn)定與否，關(guān)系著礦區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，也關(guān)系著社會的發(fā)展。為了有效防范和化解礦山的重大安全風(fēng)險(xiǎn)，必須加強(qiáng)對礦山高陡邊坡穩(wěn)定問題的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李寶明.某露天礦山擴(kuò)幫工程邊坡穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2022，38（2）：134-136.

[2] 尤耿明，王光進(jìn)，劉文連，等.礦山邊坡軟弱夾層賦存狀態(tài)及蠕變特性對邊坡穩(wěn)定性影響研究[J].金屬礦山，2021（12）：200-206.

[3] 陳應(yīng)顯，王鵬飛.露天礦含弱層邊坡三維危險(xiǎn)滑面構(gòu)建及穩(wěn)定性計(jì)算[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2024，24（3）：986-992.

[4] 王冠華，孫焱焱，王明明，等.礦山露天開采中采場邊坡穩(wěn)定性研究——以欒川縣南泥湖露天鉬礦為例[J].能源與環(huán)保，2023，45（2）：72-78.

[5] 李小武，施雄斌，呂林洪，等.滇中某磷礦露天采場邊坡穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2022，38（8）：122-124.

[6] 鄭雷.基于層次分析法的礦山邊坡穩(wěn)定性研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012，27（3）：23-25，33.

[7] 宋衛(wèi)東，萬海文，吳姍，等.蘭尖鐵礦深凹露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析[J].金屬礦山，2011（2）：36-39.

[8] 武強(qiáng)，崔云龍，王珊珊，等.礦山邊坡安全穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（4）：18-21.

[9] 莫文叢，李角群，李軍財(cái)，等.某露天礦下盤邊坡治理穩(wěn)定性及數(shù)值模擬研究[J].金屬礦山，2005（10）：20-23.

[10] 趙兵，李華鋒，李如忠.船山集團(tuán)石灰石露天采場邊坡穩(wěn)定性研究[J].金屬礦山，2004（12）：15-18.