基于極限平衡法的采場邊坡安全穩(wěn)定性研究

王瑜，戴興宇，郭健

（鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院，遼寧 鞍山 114004）

目前，全國有5萬多座露天礦，隨著開采的進行，邊坡高度增加，條件越來越復雜。露天礦采場邊坡安全穩(wěn)定性問題是關系整個礦山能否安全高效開采的關鍵問題。做好露天礦采場邊坡的安全穩(wěn)定性研究工作，預測采場邊坡的安全穩(wěn)定性狀態(tài)，有助于防止地質災害的發(fā)生，從而為礦山安全生產打下堅實的基礎。但是，目前國內露天礦的設計參數主要注重經濟效益的考量，對采場邊坡的安全穩(wěn)定性不夠重視，或由于客觀條件制約流于形式，缺乏時效性、即時性。因此，我國露天礦采場迫切需要一種低成本、簡單便捷且易于理解的采場邊坡安全穩(wěn)定性判定方法，文中即提出了這樣一種方法。

1 簡化Bishop法

根據《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》要求：邊坡穩(wěn)定性計算應以極限平衡法為主，以安全系數作為主要評價指標。在眾多邊坡穩(wěn)定性分析方法中，極限平衡法是最主要、最通用的分析方法，并被各國廣泛采用[1]。簡化Bishop法是極限平衡法中既簡單又實用的一種方法，所以在邊坡穩(wěn)定性分析計算中得到廣泛應用，并且是計算圓弧滑動面安全系數最好的方法之一[2]。簡化Bishop法假定條塊間相互作用力水平，即不考慮條塊間的剪力，只考慮條塊的垂直平衡及對圓心的力矩平衡。經過國內外大量的邊坡穩(wěn)定性分析實例的計算結果表明，由簡化Bishop法計算得出的圓弧滑動面的安全穩(wěn)定性系數與嚴格條分法所得出的安全系數誤差很小，只有大約3%～4%。鞍鋼齊大山鐵礦礦區(qū)為單斜構造，傾向南西，傾角在70°～90°，因此，文中采用簡化 Bishop 法[3]對齊大山鐵礦采場邊坡安全穩(wěn)定性進行分析。

2 齊大山鐵礦采場安全穩(wěn)定性分析

2.1 齊大山鐵礦采場概況

遼寧省鞍山地區(qū)的鐵礦床受鞍山穹隆的控制，從櫻桃園、齊大山經胡家廟子、西大背、關寶山、大砬子、眼前山、谷首峪越過千山花崗巖占據的部位，由西北向弧形彎曲，轉為與大孤山、黑石砬子、東鞍山、西鞍山相連，構成圍繞鐵架山的半環(huán)形分布[4]。鞍山地區(qū)鐵礦分布簡圖見圖1。

圖1 鞍山地區(qū)鐵礦分布簡圖

齊大山鐵礦位于齊大山處，是鞍鋼集團鐵礦石原料生產基地之一。礦區(qū)鐵礦開采可以追溯到1914年，當時的開采對象是富礦，采用地下開采方式，1945年停采。解放后，上述地采坑道恢復生產，但又相繼于1965年和1967年閉坑。礦區(qū)露天開采貧鐵礦始于1969年，1970年投產，1975年正式建成大型露天礦。

2.2 礦巖物理力學性質

根據相關文獻及齊大山鐵礦采場邊坡實際情況，本次計算主要考慮三種巖性：礦體、巖體、結構面，其中礦巖物理力學性質指標見表1。

表1 礦巖體物理力學指標

2.3 區(qū)域地震和場址區(qū)地震活動性

根據相關文獻記載，本地區(qū)1976年發(fā)生地震102次，最大震級5.8級，震中位于海城、鞍山、韓家峪等地；1977年發(fā)生34次地震，最大震級2.4級；1978年地震活動減弱；1988年7月發(fā)生一次5級地震；1989～1990年輕度地震非常頻繁；1999年4月發(fā)生一次 3.5級地震[5]。

根據《GB18306-2001中國地震運動參數區(qū)劃圖》《GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范》附錄A及《GB50191-93構筑物抗震設計規(guī)范》，排土場及新征地所在區(qū)域抗震設防烈度為7度區(qū)，設計基本地震加速度值為0.1 g，Ⅱ類場地土特征周期T為0.35 s，所屬的設計地震分組為第一組。

根據區(qū)域地質構造資料和歷史地震資料分析，場區(qū)及其附近無活動性斷裂構造通過，沒有發(fā)生過大的地震活動，因此，采場所在場地屬于抗震有利地段。

2.4 邊坡安全穩(wěn)定性分析

根據《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》關于采場邊坡安全穩(wěn)定性的陳述：邊坡穩(wěn)定性計算應以極限平衡法為主，以安全系數作為主要評價指標。

由于極限平衡法應用廣泛且簡單，因此在邊坡穩(wěn)定性分析中具有不可替代的作用。極限平衡法的主要思想是以莫爾—庫倫抗剪強度理論為基礎，按某種規(guī)劃將滑動趨勢范圍內的邊坡巖體劃為一個個小塊體，通過塊體平衡條件建立整個邊坡平衡方程。

文中選用Bishop法對齊大山鐵礦采場邊坡進行穩(wěn)定性分析，巖層含水簡單，這里不予考慮。

針對齊大山鐵礦采場的34個邊坡剖面，利用Geostudio巖土工程軟件中的SLOPE/W模塊建立力學模型。

各采場邊坡剖面極限平衡安全系數在考慮爆破振動和水的影響時，邊坡安全穩(wěn)定性系數按20%折減[6]，各剖面極限平衡安全系數見表2。

表2 各剖面極限平衡安全系數

從表2中可以發(fā)現，采場各邊坡剖面的安全系數大于《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定的關于邊坡工程安全等級Ⅰ，荷載組合Ⅱ的邊坡工程設計安全系數范圍值（1.18,1.23）。

3 二維條件下，描述三維環(huán)境中的采場邊坡安全穩(wěn)定性

3.1 方法步驟

該方法簡單易行，步驟如下：

（1）在眾多安全系數中選擇一個最小值。

（2）將該安全系數描述的剖面和其兩側剖面安全系數求三者均值，如果是端部，則將該安全系數描述的剖面和其一側剖面安全系數求二者均值。

（3）重復（1），直到計算得到的安全系數最小為止。

3.2 應用舉例

3.2.1 采場東面邊坡穩(wěn)定安全系數確定

以表2采場東面邊坡穩(wěn)定安全系數為對象，按步驟 （1） 在17個剖面中確定460東、860東剖面安全系數最小為1.595；按步驟 （2）計算260東、460東、660東、860東、1060東剖面安全系數的均值，5個剖面安全系數的均值為1.601；

采場東面邊坡穩(wěn)定安全系數為1.601，根據《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場邊坡安全等級是Ⅱ，邊坡工程設計安全穩(wěn)定性系數范圍值應為（1.18，1.23），齊大山鐵礦采場邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.2.2 采場西面邊坡穩(wěn)定安全系數確定

以表2中采場西面邊坡穩(wěn)定安全系數范圍值最小值為對象，按步驟（1）在17個剖面中確定1 580西、1 160西、860西、460西安全系數最小為 1.255；按步驟（2） 計算 1680 西、1580 西、1480西剖面安全系數均值為1.275，計算1260西、1160西、1060西剖面安全系數均值1.268，計算1060西、860西、660西剖面安全系數均值為1.262，計算660西、460西、260西剖面安全系數均值為1.262。

采場西面邊坡穩(wěn)定安全系數為1.262，根據《GB51016-2014非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定齊大山鐵礦采場邊坡安全等級是Ⅱ，邊坡工程設計安全穩(wěn)定性系數范圍值應為（1.18，1.23），齊大山鐵礦采場邊坡安全穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結論

文中按照規(guī)范要求的方法，對齊大山鐵礦采場邊坡進行穩(wěn)定性研究。在此基礎之上，將二維條件下的穩(wěn)定性研究，轉化描述三維環(huán)境中的采場邊坡安全穩(wěn)定性。采場邊坡安全穩(wěn)定性屬于安全生產范疇，關乎人民生命健康財產安全，在當前國情、經濟環(huán)境、社會環(huán)境、管理者素質、干部職工人員認識等諸多條件下，摸索低成本、簡單便捷且易于理解的采場邊坡穩(wěn)定性評定方法及低成本且執(zhí)行簡單的治理方法具有重要的現實意義。

[1] 錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算[M]2版.北京:中國水利水電出版社，1995．

[2]姜德義，朱合華，杜云貴．邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡防治[M]重慶：重慶大學出版社，2005.

[3]陳思帆，王少宇，姜福川．蘭尖鐵礦露天采場邊坡穩(wěn)定性研究[J]．黃金，2014：10-12.

[4]王瑜．基于地質統(tǒng)計學的關寶山鐵礦品位模型基礎儲量估算[J]．鹽城工學院學報， 2016（3）： 40-42.

[5]鞍鋼礦山設計院.齊大山鐵礦礦床地質勘探總結報告[R]，1978．

[6]劉治中，劉太合．齊大山鐵礦北采邊坡治理穩(wěn)定性分析[J]．礦業(yè)工程，2005： 6-8.