某白云巖礦露天邊坡穩定性分析

楊天寶

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

某白云巖礦露天開采多年，形成一處露天采場，采場上口寬度(長×寬)440 m×270 m，最大邊坡高度約為340 m，邊坡角52°左右(局部達到69°)，采場邊坡屬于高陡邊坡，易發生坍塌導致安全事故。為確保日常生產安全，采用理論分析和數值模擬相結合的方式對現狀條件下的露天采場邊坡進行穩定性分析。

1 礦山邊坡現狀及分區

根據擬定各個分區邊坡所在區域的水文地質條件、工程地質條件、礦巖性質以及礦巖結構構造等特征，同時充分考慮邊坡幾何形狀和傾向進行現狀條件下邊坡分區的劃分。對現狀條件下邊坡進行分區，將相同類似的現狀邊坡統一在一個分區考慮，定性和定量分析其邊坡巖體破壞模式和現狀條件下的穩定性。分析結果具有代表性，且分析工作量小。

該礦山礦體為中厚層粉晶白云巖，賦存于長城系高于莊組三段上部，頂板為灰-灰黑色中厚層粗粒白云質灰巖，底板為含燧石條帶白云質灰巖。礦體頂、底板圍巖巖體結構為整體塊狀結構，層狀結構面，層與層之間具有結合力。

礦山露天開采最終邊坡巖性單一，為厚層～中厚層沉積巖體，巖體致密堅硬、力學強度高，礦床地質構造簡單。

根據各邊坡的邊坡幾何形狀和傾向、傾角，將礦區范圍內的露天邊坡劃分為4個邊坡分區[1]，詳見表1。

表1 各分區剩余資源量匯總表

2 邊坡穩定性分析

2.1 概述

該礦山邊坡工程地質條件屬于簡單類型，最低邊坡高度100 m、最高邊坡高度340 m；露天邊坡靠幫后進行并段，在達到要求的邊坡角的前提下，減少剝巖量。

2.2 工程地質經驗類比法

工程地質經驗類比法作為重要方法之一，在邊坡穩定性分析方面應用廣泛，在信息高速傳播的今天，主要通過與自身相似程度高的礦山進行對比分析，相似程度對比內容主要包括開采礦種、生產規模、露天采場大小和高度、生產年限等。

由表2可以看出，Ⅰ分區、Ⅱ分區、Ⅲ分區采場各邊坡的邊坡角均位于《采礦設計手冊》中推薦的最終邊坡角安全范圍內，且均靠近下限或者遠離下限，邊坡穩定性較好，能夠保證長期穩定。Ⅳ分區邊坡的邊坡角均位于《采礦設計手冊》中推薦的最終邊坡角安全范圍外，邊坡穩定性比較差，有較大可能出現滑坡等失穩破壞問題。

表2 工程地質類比法安全性分析

根據國內外露天礦山的生產實踐經驗，采用工程地質類比法選定的邊坡角往往都偏于安全保守，安全系數較高，其精確度不如計算法高。

2.3 邊坡穩定性計算

邊坡穩定性系數是影響邊坡安全性的主要因素之一，邊坡穩定系數等于邊坡沿滑面產生的抗滑力與滑動力的比值。當該比值=1時，邊坡處于極限平衡狀態；該比值>1時，邊坡處于穩定狀態；該比值<1時，邊坡處于失穩狀態[2-4]。

定量分析主要是利用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區邊坡的穩定性系數。

該礦山邊坡為巖質邊坡，巖體結構為塊狀結構，采用薩爾瑪法(Sarma)進行邊坡分析計算。薩爾瑪法(Sarma)屬于剛體極限平衡法之一，該方法能夠同時滿足力矩平衡和力的平衡要求，對任意形狀的潛在滑動面都能得出較好的計算結果。

1)巖體力學參數的選取

本文根據礦山巖石的物理力學參數，參考《工程巖體分級標準》對該礦的邊坡巖體進行巖體基本質量分級，確定各個分區擬分析剖面巖體的物理力學參數。主要選取步驟如下：

(1) 對各個分區擬分析剖面巖體進行基本質量分級，計算BQ值；

(2) 根據BQ值確定各個分區擬分析剖面巖體基本質量級別；

(3) 根據《工程巖體分級標準》附錄D.0.1表格的巖體物理力學參數經驗值，結合國內露天白云巖礦山的巖體物理力學參數，選取各分區巖體的物理力學參數。

(4)根據《工程巖體分級標準》，計算各個分區擬分析剖面巖體基本質量指標BQ，見公式(1)

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：BQ—巖體基本質量指標；Rc—巖石飽和單軸抗壓強度；Kv—巖體完整性指數。

參數選取及各類巖體物理力學參數詳見表3。

表3 巖體物理力學參數表

2)地震力

根據礦區及周邊地區的地震資料，該地區地震基本烈度按6度設防，加速度取0.05 g，地震影響系數取Ks=0.04。按露天爆破振動頻率7 Hz、爆破振動速度8 cm/s、動力系數0.2計算，礦山的爆破振動影響系數取Kz=0.08。按地震影響系數為0.08，據此進行邊坡穩定系數求解。

3)模型的建立

根據礦山的水文地質條件、工程地質條件、礦巖性質、礦巖結構構造等特征及邊坡現狀等情況，同時充分考慮邊坡幾何形狀和傾向進行現狀條件下邊坡分區的劃分，最終將露天采場現狀邊坡劃分為4個分區，在劃分的各分區選擇最具代表性的邊坡剖面分別建立分析模型，對各分區的邊坡整體穩定性進行分析計算。

以下以Ⅱ分區B線為例，建立的邊坡分析模型參數見圖1，單元尺寸為m。

圖1 B-B′線邊坡分析模型

4)各分區總體邊坡穩定性計算分析

目前露天采場最低平臺處于最低侵蝕基準面以上，邊坡巖體內沒有地下水存在，因此本文不考慮地下水對邊坡穩定性的影響。在正常工況(自重)和地震工況(自重+地震力)兩種條件下分別分析計算邊坡穩定性系數。

利用SLOPE/W 模塊，采用sarma法，分別對建立的各分區露天邊坡模型進行了正常工況(自重)和地震工況(自重+地震力)兩種條件下分別分析計算邊坡穩定性系數。

表4 采場邊坡穩定系數計算結果表

圖2 D-D′剖面線穩定性系數(正常工況)

圖3 D-D′剖面線穩定性系數(地震工況)

圖4 E-E′剖面線穩定性系數(正常工況)

圖5 E-E′剖面線穩定性系數(地震工況)

5)結論分析

(1)通過對各剖面線邊坡的穩定系數進行計算，Ⅰ分區、Ⅱ分區、Ⅲ分區露天采場在正常工況下，各剖面線邊坡穩定系數均>1.15；地震工況下，各剖面線邊坡穩定系數均>1.10。

由以上計算結果可知：在正常工況和地震工況下，Ⅰ分區、Ⅱ分區、Ⅲ分區各剖面線邊坡穩定性較好，邊坡穩定系數能夠達到《非煤露天礦山邊坡工程技術規范》的安全要求，安全系數較高，總體邊坡發生大規模滑坡的可能性很小。

(2)通過對各剖面線邊坡的穩定系數進行計算，Ⅳ分區高陡邊坡在正常工況下，各剖面線邊坡穩定系數在1.2～1.25之間，在規定的安全范圍臨界值1.2附近；地震工況下，各剖面線邊坡穩定系數在1.103～1.123之間，小于規定的安全范圍臨界值1.15。

由以上計算結果可知：在正常工況下，Ⅳ分區高陡邊坡的穩定系數在《非煤露天礦山邊坡工程技術規范》規定的安全范圍臨界值附近，目前處于臨界穩定狀態，安全系數偏低，受外界因素(降雨、溫差、凍融、振動等)影響，有發生失穩破壞的可能；在地震工況下，Ⅳ分區高陡邊坡的穩定系數小于《非煤露天礦山邊坡工程技術規范》規定的安全范圍臨界值，安全系數不能滿足安全生產的要求，存在一定的安全隱患。

3 邊坡處理建議

1)Ⅳ分區高陡邊坡應立即進行削坡處理，降低最終邊坡角，以確保安全。

2)在高陡邊坡整治完成之前，Ⅳ分區高陡邊坡底部修筑防滾石擋墻，并在外邊緣設立警示標志，禁止無關人員靠近，并派專人定期檢查和維護該露天邊坡，及時清掃滾落的巖石。

3)靠近地表的上部巖體，風化比較嚴重，且節理裂隙比較發育，對降雨、溫差、凍融等外部因素的變化比較敏感，礦山在后期應加強對這部分邊坡的監測工作，并采取相應的措施，以控制外界因素對邊坡穩定的影響。

4)露天采場邊坡的穩定性受爆破效應和風化作用影響，最容易發生的變形破壞形式是破碎巖體的崩塌和剝離，礦山在降雨和強風天氣應暫停運輸作業，大雨過后和爆破作業結束后應對邊坡的安全進行全面排查，重點對強風化帶進行檢查，確認安全后再恢復生產。

4 結語

1)通過定性、定量分析，四個分區當中Ⅰ分區、Ⅱ分區、Ⅲ分區現有邊坡比較穩定，保持規范生產，按設計留設邊坡和平臺，可確保生產安全。

2)Ⅳ分區高陡邊坡穩定性較差，計算兩個剖面線邊坡穩定系數小于規定的安全范圍，出現失穩破壞的可能性較大，礦山應盡快采取治理措施。

3)GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區邊坡的穩定系數安全可靠，隨著生產進行，邊坡形態不斷變化，礦山應及時繪制剖面，重新進行穩定系數計算，以便更好地指導生產。