基于極限平衡的某磷礦邊坡穩定性分析

黃 波，張明清，鄧廣俊

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025)

基于極限平衡的某磷礦邊坡穩定性分析

黃 波1,2，張明清1,2，鄧廣俊1,2

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025)

邊坡失穩已成為露天礦山最大地質災害之一，而影響邊坡穩定性的因素卻是錯綜復雜的。息烽磷礦露天開采已達到設計開采標高，資源量已不能滿足礦山開采能力的需求，礦山需從露采轉入地下開采。針對地下開采對露天邊坡穩定性問題，采用極限平衡方法對潛在滑坡段邊坡安全系數進行了定量計算，結果顯示，邊坡安全系數為1.21，處于基本穩定狀態。后期受露天轉地下復合擾動作用以及其他外在因素影響，其穩定性可能降低，對此提出相應的控制技術措施對潛在不穩定邊坡進行防治。

邊坡穩定；定量計算；邊坡防治

露天礦開采后留下的高陡邊坡的穩定性是一個動態變化的系統[1]，邊坡自身的地質構造以及不穩定軟弱面決定了邊坡穩定的外部形式，對邊坡的穩定性起到了決定性作用。外在因素包含邊坡角、地表水的滲入、采動影響等因素的存在可以促進邊坡的變形發展[2]。邊坡一旦失穩破壞，后果不堪設想。國內外學者對邊坡失穩機理和邊坡參數做了大量的研究，取得了不少研究成果。但是對潛在滑坡研究相對較少，故開展上述研究，對邊坡穩定性提前作出評價和預測，并對潛在滑坡提出防護，這對保證礦井安全生產具有重要意義。

1 工程概況

貴州息烽磷礦（以下簡稱“該礦”）始建于1964年10月，生產規模為20萬t/a，礦山歷經50年的露天開采，最大采礦深度已達761m，現露天開采設計保有資源量即將枯竭，下一階段主要由露天開采轉入地下開采，露天邊坡的穩定直接影響礦井未來發展。由于長年露天開采以及周圍民辦礦的影響，采場邊坡外側出現數條裂縫，局部還出現邊坡向外隆起、小型滑坡、滾石等現象。本文在以往研究方法的基礎上，采用定量計算，用安全系數表征邊坡的穩定性，并對潛在滑坡段提出相應的控制技術措施。

2 影響邊坡穩定性的因素

邊坡變形失穩不是簡單的地應力現象，影響邊坡穩定性的因素是錯綜雜的，根據各種影響因素對邊坡作用的性質和特點[3]可將其主要分為內在因素和外在因素兩大類。內在因素包括節理、裂隙、斷層、軟弱面、破碎帶等地質構造；外在因素包括地表水的下滲、地下水的貫通、巖石風華作用以及人類工程活動等。

2.1 地質構造

區域構造主要為洋水背斜、核桃坪向斜、F1逆斷層及其派生斷層等構成區域的總體構造輪廓。洋水背斜長約25km，寬4.5km，軸向NE15°，軸面傾向近東，傾角80°左右，西翼地層傾角40～60°，東翼地層傾角30～50°，有東緩西陡之勢。向斜軸向北北東，兩翼地層大致對稱，向斜軸部地層為三迭系，向兩翼分別為二迭系和石碳系地層，因構造影響，東翼地層完整性較差。礦區斷裂構造十分發育，走向斷層F9、F6斷層破碎帶中斷層角礫巖膠結松散的地段，傾角為40～80°不等，對邊坡穩定性有一定影響。

2.2 地層巖性

礦區出露有第四系、寒武系下統、震旦系和南華系等地層，角度不整合、假整合接觸，從新至老依次為：

1)第四系（Q）：主要分布在坡鹿及地勢地洼地帶，由黃色、褐黃色殘坡積粘土、亞粘土等組成，厚0～20m。

2)寒武系下統（∈1）：主要分布于Ⅱ工作區的西北部茅蓋山、梅子嶺一帶，由深灰色砂巖、頁巖，偶夾薄層灰巖組成，局部夾泥灰巖透鏡體，底部為0～1.0m的塊狀、結核狀含磷塊巖。

3)震旦系（Z）：震旦系在礦區發育了上統（Z2）及下統（Z1）地層。上統主要為燈影組（Z2dn）地層，下

統主要為陡山沱組（Z1d）地層。根據巖性差異，分為上、下兩個部份：

上部為磷礦層（Z1P）：褐灰、藍灰色、淺灰色致密狀、碎屑狀、條帶狀磷塊巖。一般厚度4.13～10.24m，平均厚6.09m。下部為灰黃、土黃、黃綠色薄層含磷砂質白云巖，灰綠、藍綠色中厚層細至中粒含礫砂巖及砂巖組成。其中下部含泥質成份增多，并含較多星點狀自形晶黃鐵礦顆粒，厚9.6～25m，平均厚14.5m。震旦系巖層底板為白云巖，其間偶夾黃色粘土的地段，整個礦區內均有分布;節理裂隙發育，受構造的影響，巖石較為破碎對邊坡的穩定性有一定影響。

4)南華系（Nh2）：僅發育了上統南沱組地層。上部為紫紅色粉砂質頁巖夾灰綠色粉砂質頁巖，下部為紫紅色粉砂質頁巖及少量變余粉砂巖。

2.3 水文地質

礦區地形切割強烈，為頂板直接進水的巖溶充水礦床。最低侵蝕基準面標高為785m，部分礦體位于最低侵蝕基準面以上，巖體受水侵蝕，其抗壓強度、抗剪強度明顯降低。

2.4 邊坡形態

該礦山潛在不穩定邊坡 (BWBP)出現在工業場地東南部，邊坡角為35～45°平面形態大致呈層狀，與采場底部工業場地相對高差98m，(局部達105m)，邊坡上方出現地裂縫，采場邊坡小規模滑坡，局部巖體出現掉塊、滾石等現象。

通過對該礦邊坡地質構造、地層巖性、邊坡形態以及水文地質等影響因素進行分析，得出以下結論：

礦區地質構造復雜，已成型的邊坡斷裂構造發育，破壞了巖體的整體性，對邊坡穩定性影響較大；

邊坡巖體部分巖層為紅色粉砂質頁巖夾灰綠色粉砂質頁巖，節理裂隙發育，巖石質量和完整性較差，抗壓強度和抗剪強度較低，這是影響邊坡穩定性的主要內在原因。

邊坡較陡，臺階負荷過大，這是邊坡失穩主要外在因素。此外，采動影響、地表水下滲以及巖體風化作用對邊坡穩定性有一定的惡化作用。

3 基于極限平衡的定量分析

極限平衡分析法是把潛在滑面上的巖體視為剛性材料，根據靜力平衡原理分析滑體或滑塊在破壞模式下的受力狀態，通過對邊坡的下滑力與抗滑力之間的關系評價邊坡的穩定性［4］，邊坡力學分析示意如圖1所示：

如圖1所示，原始邊坡角β為45°，可能滑面傾角α為34°，邊坡高度為H1為62m，可能滑動面的內聚力為C，內摩擦角為φ，可能滑體的重量為W，巖體容重為γ

圖1 邊坡力學分析示意

其力學性能指標參考地勘報告相關資料獲得，如表1所示：

表1 邊坡巖體的物理力學性能指標

則滑動力T=Wsinα；抗滑力；

邊坡穩定系數為：

其中：K為可能滑動危巖體的穩定性系數，其值為可能滑體的抗滑力F與下滑力T之比，李領先等人基于極限平衡法的邊坡穩定性計算［5］建立了穩定性評價標準(見表2)；內聚力C，內摩擦角φ值參考地勘報告相關資料獲得，取最小值；可能滑面傾角α、邊坡角β值、邊坡高度H1經現場實測、推斷獲得(見圖1)。巖體容重γ值參考地勘報告相關資料，該礦為2.18m3/t，

將上述各個參數代入（1）式得：

表2 邊坡穩定性系數與穩定性評定用語對照表［6］

根據計算出來的可能滑動巖體的穩定性系數，對照表1提供的對照表，該邊坡處于“基本穩定”狀態。

4 預防措施

采用極限平衡的定量計算結果表明邊坡處于“基本穩定”狀態，但是后期邊坡在地下開采過程中受采動影響、爆破振動以及邊坡風化、降水等外在因素影響下，邊坡巖體質量和完整性以及抗壓強度和抗剪強度將會降低，其穩定性將會受到影響，因此，必須有針對性的對邊坡采取相應的防護措施進行預防。

4.1 選擇合理的邊坡角

考慮到巖石的物理性質、開采技術條件，氣候條件以及巖體的地質構造等因素采取分臺階削減潛在危險邊坡載荷，降緩邊坡角，最終坡面角小于34°。

4.2 減少爆破振動對邊坡的影響

合理爆破，減少爆破振動對邊坡的影響，適當減少單孔藥量和一次最大起爆藥量，降低爆破振動對邊坡巖體的破壞作用。

4.3 加固邊坡

對潛在滑坡地段采用預應力錨索支護、錨桿支護、錨噴網支護主動支護。

4.4 正確處理邊坡地表水

由于邊坡表層植被被破壞，地表水沿著裂隙下滲可能導致巖石強度發生破壞，在潛在滑坡臺階靠邊坡一側采用水泥砂漿砌筑排水溝，將地表徑流引入邊坡一側排水溝排出。

5 結論

1）露天高陡邊坡是一個復雜結構體，其穩定性受到多種因素影響。這些因素中包括巖體特性、地質構造、水文特征條件等內在因素，又包括邊坡角設計是否合理、采動影響、爆破振動以及地表水下滲等人為因素。

2）邊坡穩定在相當長的時間里是一個動態變化的工程地質問題，伴隨著整個礦山開采過程。隨著礦山的向下延伸，邊坡穩定性問題會日益凸顯，工程中要實時對工程地質進行勘探對照，對比分析，及時對邊坡角進行調整。

3）對潛在危險滑面，采取監控措施，在邊坡危險面建立地面臨時或永久監測點，定期對監測數據進行對比分析，及時掌控邊坡動態，做出邊坡變形預報和滑坡預警，及時采取措施。

4）基于極限平衡的定量分析能很好的反應邊坡的穩定狀態，但是影響巖土體邊坡穩定性的因素卻是復雜多變的，單一方法不能準確評價邊坡的穩定性，因此在工程實際中要采取多方法綜合評價的方式。

［1］鄭雷.基于層次分析法的礦山邊坡穩定性研究[J].礦業研究與開發，2012,28(1)：23-26.

［2］羅湘務.基于層次分析法的土質邊坡穩定性評價[J].北方交通，2014，63-65.

［3］王光銳.某磷礦邊坡穩定性分析與整治[J].云南冶金，2016，21-26.

［4］門玉明，王勇智，郝建斌等.地質災害治理工程設計［A］北京:冶金工業出版社，2011.

［5］李領先.基于極限平衡法的邊坡穩定性計算［M］.科技信息，2010.12，259.

［6］鐘長兵，周月明，郜普濤.青藏高原露天礦邊坡穩定影響因素及防治［J］.煤礦安全，2012(7)206.

TV413.12