考慮地震作用下的邊坡穩定性計算及邊坡角優化方案

劉清福 孫言飛 林元鑫 高 忠

(紫金礦業集團股份有限公司,福建 上杭 364200)

0 引言

露天礦邊坡角的設計，對露天礦的生產安全與經濟效益產生很大的影響[1]。根據調查顯示，大型金屬露天礦每增加1°，可以節約剝離成本1億以上，但會帶來相應滑坡的風險。因此，邊坡角最優設計應在保證邊坡穩定性的前提下提高礦山經濟效益的最大化[2,3]。對于多震地區來說，研究地震荷載作用下的最終邊坡角對露天礦開采具有重要意義[4]。

目前已有大量的學者對地震作用下的邊坡穩定性進行了研究。通過對地震邊坡的失穩機制進行了詳細探討，歸納總結了地震作用下邊坡穩定性的影響因素[5]；利用有限元軟件對地震動力作用下影響壩體邊坡最危險滑裂面位置及穩定性的動力影響因素進行了詳細探討[6]；基于擬靜力法研究不同參數對地震作用系數的影響，發現坡高和坡角是影響地震作用下邊坡穩定性的2個主要因素[7]；采用最小平均系數法研究地震荷載作用對邊坡安全系數的影響，對工程案例計算提供了有意義的參考[8]。

礦山烏拉根鉛鋅礦位于克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣黑孜葦鄉，目前設計生產能力為300萬t/a。該礦區為急傾斜層狀巖體，巖石抗壓強度較低，工程地質條件為中等～復雜。該礦上所屬區域為地震多發地，為提高邊坡穩定性，保證礦山可持續發展，在充分考慮地震偶發性的工況前提下對邊坡角優化展開進一步的研究。

1 工程地質概況及分區

烏拉根鋅礦礦區屬烏拉根向斜的東部，該向斜整體呈東端閉合(轉折端)、向西開放的寬緩褶皺，西端寬度約3 000 m。優化設計境界位于向斜南翼、地層總體走向62°，傾向北，傾角48°～68°。將采場邊坡劃分為Ⅰ～Ⅳ四個工程地質分區，每個分區又根據巖性及風化程度不同劃分為不同的亞區，如表1所示。

表1 工程地質分區

2 礦區地震數據統計分析

烏拉根鋅礦位于烏恰縣，屬于全國地震烈度最高區域，年平均地震次數達到44次，絕大多數地震里氏震級為3～6級，震源深度0～60 km。采用MC. Guire在1976年提出的經驗公式求得地震最大加速度，發現地震最大加速度主要集中在0～0.03 g。最高地震記錄為發生于2008年10月5日，為7.1級，地震最大加速度為0.08 g，見表2。烏拉根鉛鋅礦正常服務年限21年，若當地震動加速度>0.045 g，則服務年限內地震發生的概率為59.03%，若當地震動加速度>0.055 g，則服務年限內地震發生的概率為37.02%，由此可見存在較大的地震風險。

表2 1970～2017年天山子網地震監測數據分析表

(1)

式中：M—地震級別；R—距震源的距離，km。

3 邊坡穩定性計算及結構參數優化

3.1 計算工礦及安全系數選取

邊坡安全系數是衡量邊坡穩定性的生要指標，它與邊坡穩定性研究的各項工作內容、方案方法手段、代表性、可靠性以及各項定量參數的取用和定性分析評價、礦山服務年限、邊坡區段的重要性等因素有關。在邊坡極限平衡穩定性分析中，安全系數K=1時，邊坡處于極限平衡狀態。理論上，只要K稍大于1，邊坡就是穩定的；反之邊坡就失穩。但由于影響邊坡穩定的內外因素很多，在具體穩定性分析計算時，常進行強度儲備，將安全系數取K>1。對礦山邊坡來說，一般情況下取K=1.2～1.3。

烏拉根鋅礦設計最終邊坡最大高度超過500 m，根據GB51016-2014《非煤露天礦邊坡工程技術規范》劃分標準，烏拉根鋅礦露天邊坡屬超高邊坡，邊坡危害等級為Ⅱ級，邊坡安全等級劃分為Ⅰ級。同時對比國內外礦山安全系數，綜合選取烏拉根鋅礦邊坡工程設計安全系數為自重+地下水工況下不小于1.20，自重+地下水+爆破振動力不小于1.18，自重+地下水+地震力下不小于1.15。在計算地震作用對邊坡的影響時，采用的地震最大加速度為0.08 g。不同計算工礦如表3所示。

表3 不同荷載組合下總體邊坡的設計安全系數

3.2 邊坡穩定性計算

根據烏拉根礦區目前的開采情況及整個礦體的賦存情況及其圍巖分布狀態，將其劃分為灰巖、泥巖、砂巖、長石砂巖以及石膏5個巖組。前期對這5個巖組開展了大量巖石力學方面的研究，并進行了詳細的工程地質調查。根據經驗公式[9,10]以及工程類比的方法確定了計算所需的巖體力學參數，如表4所示。利用Slide軟件計算當前邊坡不同工況條件下的邊坡穩定性系數，計算結果如表5所示。其中剖面A、B屬于Ⅰ-1區，剖面C、D、E屬于Ⅰ-2區，剖面F屬于Ⅱ區，剖面G、H屬于Ⅲ-1區，剖面I屬于Ⅲ-2區，剖面J屬于Ⅲ-3區，剖面K屬于Ⅳ區。

表4 巖體介質的力學參數

表5 不同計算工況下的安全系數

計算結果表明：在工況1和2條件下，除J剖面不滿足1.2的安全系數要求外，其余各剖面均滿足要求且存在較高的安全儲備，邊坡穩定性狀況良好。在工況三條件下，受礦區高地震烈度影響，各計算剖面邊坡安全系數較工況一、工況二均大幅下降。其中A、B、E、I、K剖面安全系數大于允許值1.15，且具有一定的安全儲備，存在進一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面邊坡安全系數正好滿足要求，可維持原有邊坡角設計不變；C、H、J剖面安全系數不滿足要求，存在較大的滑坡風險，需適當降低邊坡角以提高邊坡穩定性。

3.3 最終優化結果

為進一步確定各段最終邊坡角最優參數，并分析其合理性，對不同整體邊坡角邊坡穩定性進行分析研究。邊坡穩定性分析結果表明，由于礦區位于地震多發地，地震動峰值加速度較大，工況三條件下安全系數遠低于其余兩種工況，因此在對邊坡參數優化過程時，僅對工況三進行分析。優化得到的邊坡角度如表6所示。

表6 各剖面優化角度

通過對4個地質分區共11個邊坡剖面進行計算分析，并綜合分析礦山服務年限及礦區地震風險，得出了邊坡各剖面最優邊坡角結構參數，并根據工程地質分區，推薦各分區邊坡結構參數表7所示。

表7 各區域邊坡結構參數

續表

經過優化后，Ⅰ-1區域增加1.3°，Ⅲ-2區域增加2.4°，Ⅳ區域增加1.6°，I-2、Ⅱ區域角度不變，Ⅲ-1降低1.5°，Ⅲ-3區域降低2.7°。各分區幫坡角同時優化后，礦石量增加285萬t，巖石量減少334萬t。

4 結語

在充分考慮地震偶發性的前提下，通過收集相關資料及現場調查，進行了邊坡穩定性計算，并優化邊坡角及邊坡結構參數，主要研究結論如下：

1)對烏洽地區近幾十年地震數據進行了詳細的統計分析，確定了烏拉根鉛鋅礦在不同年限下發生地震的概率，并通過分析確定了本次計算所選取的地震加速度值，為0.8 g。

2)在當前邊坡條件下，各區域在工況1和2條件下，邊坡穩定性良好，具有較高的安全儲備；在工況3條件下：A、B、E、I、K剖面存在進一步提升邊坡角的空間；D、F、G剖面維持原有邊坡角設計不變；C、H、J剖面存在較大的滑坡風險，需適當降低邊坡角以提高邊坡穩定性。

3)在考慮地震工況條件下，確定各個區域的最終邊坡角最優參數。各區域幫坡角同時優化后，礦石量增加285萬t，巖石量減少334萬t。