露天礦開采中邊坡的穩(wěn)定性研究

聶新豹

（云南磷化集團(tuán)海口磷業(yè)有限公司，云南 昆明 650000）

某礦為了能夠順利生產(chǎn)，多年來一直采用露天開采方式開采，露天設(shè)備齊全，生產(chǎn)經(jīng)驗非富，條件成熟。結(jié)合礦山開采現(xiàn)狀和礦體賦存特點，依據(jù)礦區(qū)范圍內(nèi)地形地貌條件，礦體的賦存特征及頂?shù)装濉A石厚度等特點，礦體埋藏深度，覆蓋層厚度等因素，以及結(jié)合境界剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比原則。以綠色開采為理念，減少環(huán)境破壞。充分發(fā)揮露天開采安全、作業(yè)條件好、勞動生產(chǎn)率高的優(yōu)越性，開展邊坡參數(shù)優(yōu)化工作。針對邊坡的適當(dāng)位置取樣進(jìn)行試驗分析，對堆積體進(jìn)行天然含水率，并在室內(nèi)進(jìn)行剪切試驗，確定物料的抗剪強度，為穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 礦物的物理力學(xué)性質(zhì)

某礦靠幫邊坡礦物特性較為單一，主要以燈影組（Z?d）硅質(zhì)白云巖為主。選取了適當(dāng)?shù)奈恢萌舆M(jìn)行試驗分析。對于常規(guī)物料強度測試，試驗方式可分為兩種即室內(nèi)中型剪切試驗和大型剪切試驗。因受試驗場地的限制，大型原位剪切試驗持續(xù)時間較長，費用較高，想要完成試驗十分困難。室內(nèi)試驗雖然也存在一定的缺陷，但作為一種應(yīng)用范圍較廣的試驗方式，室內(nèi)試驗可以補充現(xiàn)場原位試驗的不足之處，可基本反反映出巖土體的基本特征。在現(xiàn)場收集到的散體試樣拿到室內(nèi)進(jìn)行中型剪切試驗，首先將樣品進(jìn)行裝樣，根據(jù)摩爾（Mohr）—庫倫（Coulomb）強度理論，對試驗樣品施加垂直壓力P，樣品剪切可通過施加水平剪切力F，得到剪切力τ 。使用庫倫定律求得抗剪強度參數(shù)：內(nèi)摩擦角φ 和粘聚力c。在室內(nèi)進(jìn)行中型剪切試驗得到的物料密實度、含水率等參數(shù)。

試驗結(jié)束后將相關(guān)數(shù)值按照公式（1）和（1）分別計算出法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

向應(yīng)力：

水平剪切應(yīng)力：

由物料抗剪強度曲線圖，根據(jù)莫爾—庫侖準(zhǔn)則：τ = σtanφ +c，用最小二乘法進(jìn)行線性回歸得出兩組試驗試體的抗剪強度參數(shù)具體巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計算所用土層物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡安全等級劃分

邊坡安全系數(shù)是衡量邊坡穩(wěn)定性的最終定量指標(biāo)，它與邊坡穩(wěn)定性研究各項工作內(nèi)容的原理、方法、代表性、可靠性以及各項定量參數(shù)的取用、邊坡高度和服務(wù)年限、工程的重要性等有關(guān)。

此次研究的邊坡允許安全系數(shù)以《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）的規(guī)定為依據(jù)，非煤露天礦邊坡工程的設(shè)計安全系數(shù)根據(jù)邊坡危害等級（見表2）及邊坡工程安全等級（見表3）來確定。露天礦邊坡工程安全等級根據(jù)邊坡危害程度和邊坡高度確定，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個等級。

表2 邊坡危害等級

根據(jù)表2 的邊坡危害等級劃分，將某磷礦新設(shè)計露天采場邊坡危害等級確定為Ⅱ級。

表3 邊坡工程安全等級劃分

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）規(guī)定：露天礦應(yīng)按邊坡最終高度分為四級，按表4 劃分。

3 邊坡穩(wěn)定性分析評價

3.1 安全系數(shù)限值的確定

露天開采對于邊坡影響，要將安全系數(shù)控制在1.5 以內(nèi)。礦區(qū)的臨時邊坡安全系數(shù)要達(dá)到≥1.1，永久邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要達(dá)到≥1.2 以上。如果在極端惡劣條件下進(jìn)行露天開采，邊坡穩(wěn)定系數(shù)1～1.1 之間較為合理。在礦產(chǎn)資源開采過程中所形成的邊坡，常見的為非公共邊坡，在保證安全開采前提下，邊坡局部區(qū)域出現(xiàn)垮塌屬于正常現(xiàn)象。

3.2 露采邊坡安全系數(shù)

非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范（GB 51016-2014)要求，不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)應(yīng)滿足表5 規(guī)定的安全系數(shù)要求。

本次設(shè)計2#采區(qū)和3#采區(qū)按邊坡工程安全等級II 級選定允許安全系數(shù)進(jìn)行邊坡安全評價，1#采區(qū)按照邊坡安全等級III級進(jìn)行邊坡安全評價。

4 露天采場邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計算剖面選擇、建立

根據(jù)《有色金屬礦山工程建設(shè)項目設(shè)計文件編制標(biāo)準(zhǔn)》中闡述“露天礦最終邊坡穩(wěn)定性計算和驗證一般可選擇有代表性的剖面進(jìn)行”，故本次穩(wěn)定性分析根據(jù)圈定的境界分別選取某礦不同采區(qū)設(shè)計境界內(nèi)的剖面，具有代表性的剖面進(jìn)行了設(shè)計露天采場邊坡的穩(wěn)定性計算分析。根據(jù)選取不同采區(qū)露采邊坡不同位置的剖面圖，結(jié)合礦區(qū)露采邊坡賦存圍巖特征對驗算剖面進(jìn)行概化處理，依托采場邊坡設(shè)計結(jié)構(gòu)形態(tài)，建立境界邊坡2D 仿真模型，采用極限平衡法借助巖質(zhì)邊坡分析軟件Slide 進(jìn)行了設(shè)計采場邊坡穩(wěn)定性計算分析。

4.2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

本次計算分別考慮自重+地下水、自重+地下水+爆破、自重+地下水+地震三種工況荷載組合，對選取的不同采區(qū)典型計算剖面邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，不同采區(qū)設(shè)計邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表6。

表6 礦山露天采坑邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)表6 露天采場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可看出，某礦不同采區(qū)露采邊坡在荷載組合I（自重+地下水）工況下，采場邊坡不同區(qū)域邊坡計算剖面安全系數(shù)均大于1.20，滿足規(guī)范要求的1.20～1.15；（自重+地下水+爆破）荷載組合II 工況下，采場不同區(qū)域計算剖面安全系數(shù)均大于1.18，滿足規(guī)范要求的1.18～1.13；荷載組合III（自重+地下水+地震）工況下，計算剖面安全系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求的1.15～1.10。

5 露天采場邊坡設(shè)計參數(shù)的推薦

表7 露天采坑推薦邊坡角

露天開采最終邊坡角、臺階邊坡角與邊坡開采不同部位的巖體條件，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及組合情況與邊坡空間關(guān)系、開采擾動情況和邊坡存在時間等密切相關(guān)， 目前推薦的邊坡角度是根據(jù)現(xiàn)階段工程地質(zhì)資料和礦山開采生產(chǎn)情況確定，在后期生產(chǎn)中，企業(yè)可結(jié)合深部揭露的巖體工程地質(zhì)情況，在存在潛在不穩(wěn)定地段邊坡適當(dāng)放緩邊坡，保證安全開采。

6 結(jié)論

露天礦邊坡既是礦山生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟邊界，又是生產(chǎn)作業(yè)的對象，礦山邊坡穩(wěn)定對礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要。雖然將有關(guān)已知條件代入公式計算，得出了某礦露天采場邊坡設(shè)計參數(shù)的推薦值。同時還需說明的是，經(jīng)風(fēng)化淋濾和采礦作業(yè)活動影響，在坡形較陡處重力作用下有發(fā)生垮塌風(fēng)險，開采過程中應(yīng)引起重視。露天礦邊坡穩(wěn)定性研究工作應(yīng)貫穿于礦山開采的整個過程，礦山應(yīng)建立健全的邊坡安全管理制度，并應(yīng)制定針對邊坡滑塌事故的應(yīng)急救援預(yù)案。