某露天礦山臺階邊坡結構參數優化分析

申其鴻

（銅陵有色金屬集團控股有限公司）

進入21 世紀以來，礦產資源的長期高強度大規模開采，引發的采動災害頻繁發生，其中，高陡邊坡失穩是露天礦山主要災害之一，是露天礦山領域的重要研究課題［1］。露天礦采場邊坡依據其構成要素與規模大小，劃分為總體邊坡、組合臺階邊坡、臺階邊坡3 個層次［2］，其穩定性要求不同。露天礦山邊坡受生產影響，始終處于動態變化之中，如何在保證整體穩定的基礎上，最大程度地減少剝離量，是礦山邊坡考慮的重點。因此，露天礦除去關鍵部位（運輸道路、工業場地）邊坡穩定性滿足規范要求外，其余臺階邊坡保持基本穩定即可，為減少剝離提供了可優化的空間。

1 邊坡概述

（1）邊坡設計參數。邊坡設計總高度為576 m，最終邊坡角為44°，安全平臺寬度為8 m，清掃平臺寬度為20 m，臺階高度為12 m，臺階坡面角為65°，并段臺階高度為24 m。

（2）邊坡巖土體及巖體結構。組成邊坡的主要巖土體為第四系，硅化—伊利石化—綠泥石化二長花崗巖、硅化—黃鐵礦化二長花崗巖，局部鉀長石化花崗巖。巖體結構類型主要為塊狀—整體狀、局部碎裂結構、散體結構，風化程度由強風化到微風化。

（3）節理裂隙。節理面大多比較平直，稍粗糙—光滑，基本無充填，沿裂隙面少數夾泥，裂隙多呈微張—弱張開狀，張開度為1～5 mm，節理發育間距為0.3～2 m，節理跡長多在4～16 m，節理密度為0.5～3條/m。

（4）邊坡結構面。為獲取邊坡結構面信息，利用3GSM不接觸測量技術［3-4］，對該礦邊坡巖體結構面進行統計分析，根據結構面統計結果，選取優勢結構面，利用赤平投影圖，判斷結構面與邊坡幾何關系，見圖1、圖2、表1、表2。

由圖1、表1 可知：5、6 結構面可能導致邊坡平面破壞，5～6結構面間可能導致楔形體破壞。

由圖2、表2 可知：3、4、6 結構面可能導致邊坡平面破壞，3～4、4～6結構面間可能導致楔形體破壞。

（5）邊坡破壞模式。根據赤平投影結果，邊坡具備產生平面破壞、楔形體破壞的幾何條件較為充分，另外，該邊坡地質結構類型為碎裂巖體—塊狀巖體邊坡，根據規范［5］，邊坡破壞模式為圓弧型、復合型、平面型、楔體型。

2 邊坡穩定性分析基本原理

2.1 平面滑動破壞

根據巖質邊坡單平面滑動模型，已知坡角i，坡高H，潛在滑動面角度β，則該邊坡的穩定性系數Fs為

式中，ρ為滑體平均密度，t/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；i為坡角，（°）；H為坡高，m；β為潛在滑動面角度，（°）；C為結構面黏聚力，MPa；φ為內摩擦角，（°）。

2.2 圓弧滑動破壞

Bishop 法是一種適合于圓弧形破壞滑動面的邊坡穩定性分析方法，邊坡穩定性系數如下。

式中，mi=；ui為作用在分塊滑面上的孔隙水壓力，MPa；bi為巖土條分塊寬度，m；αi為分塊滑面相對于水平面的夾角，（°）；Ci為滑體分塊滑動面上的黏聚力，MPa；φi為滑面巖土的內摩擦角，（°）；i為分析條塊序數（i=1,2,…,n），n為分塊數；Wi為分塊的重力，kN；Qi為作用在條塊上的垂直外荷載，kN；QAi為作用在分條上的水平地震力，kN，QAi=Kc?Wi，Kc為地震影響系數。

2.3 楔形體滑動破壞

楔形體破壞邊坡的穩定性系數如下。

3 臺階邊坡結構參數優化分析

3.1 臺階坡面角優化

3.1.1 上部強風化巖臺階坡面角優化

現狀2處邊坡頂部首先產生拉裂縫，最后沿坡腳附近剪出，發生圓弧形滑動破壞，后緣破壞寬度分別達4 m 和3.2 m。據此破壞特征，建立巖土力學參數反演模型，如圖3所示。

現狀邊坡破壞之前邊坡坡面角為65°，臺階高度為12 m。以安全系數Fs取值0.99～1.01 為目標，進行力學參數反演，結果如圖4所示。

以強風化巖邊坡黏聚力25 kPa、內摩擦角27°為參數優化臺階坡面角，為實現經濟目標，確定安全系數1.05＜FS＜1.10。當臺階坡面角為45°時，安全系數為1.056，其經濟效益最好。計算結果見圖5。

3.1.2 基于統計法臺階坡面角優化

為了優化臺階坡面角，對某礦邊坡臺階坡面角與巖體結構對應關系進行了大量統計，其結果見表3。

統計法獲得的臺階坡面角為穩定的坡面角，因此，可選擇塊狀—整體邊坡臺階坡面角為65°，碎裂—塊狀邊坡臺階坡面角為55°。

3.2 臺階高度優化

根據現場調查結果，塊狀—整體邊坡結構面無填充、結合一般，碎裂—塊狀邊坡結構面結合差，邊坡巖體結構面抗剪強度標準值見表4。

根據圖1、圖2，表1、表2，可知不同類型邊坡結構面滑動角度，已知臺階坡面角，根據表4 選取結構面內摩擦角、黏聚力，確定安全系數1.05＜FS＜1.10，依據平面滑動計算公式可得到不同巖體結構臺階邊坡的極限高度，見表5。

由表5可知，碎裂—塊狀巖體結構邊坡臺階高度優化為48 m，即為2個并段臺階高度；塊狀—整體巖體結構邊坡臺階高度優化為72 m，即為3個并段臺階高度。

該礦山邊坡具備發生楔形體破壞的幾何條件，為驗證平面滑動臺階極限高度取值合理性，應用楔形體穩定性進行驗證，其結果見表6。

由表6 安全系數可知，表5 不同巖體結構臺階高度優化取值合理。

4 結論

本研究基于統計法、反演分析法、極限平衡法，優化了不同巖體結構類型的臺階邊坡結構參數，得到如下結論。

（1）強風化巖體邊坡臺階坡面角優化為45°，臺階優化高度為單臺階高度。

（2）碎裂—塊狀巖體結構邊坡坡面角優化為55°，臺階優化高度為2個并段臺階高度。

（3）塊狀—整體巖體結構邊坡坡面角優化為65°，臺階優化高度為3個并段臺階高度。