江西某金屬礦露天采區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

張丹丹，付 俊，石飛

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.云南上立礦業(yè)有限公司，云南 昆明 650299）

從上世紀(jì)開始各國就加大了露天開采的比重，快速發(fā)展的工業(yè)迫切需要更多的礦產(chǎn)資源，這促使了很多礦山從一開始的淺部開挖轉(zhuǎn)向深部開采，開發(fā)利用深部的礦石資源。在上述大環(huán)境下，露天礦山發(fā)展迅速，開采規(guī)模日益增大，但是越來越多的露天礦事故引起了人們的重視，露天邊坡受到開采過程中的擾動(dòng)而出現(xiàn)潛在的危害，甚至產(chǎn)生滑移破壞，造成邊坡失穩(wěn)，進(jìn)而給礦山的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益帶來很大的影響[1-5]。

為了深入研究邊坡穩(wěn)定性問題，國內(nèi)有很多學(xué)者開展了大量工作，也取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。李佳倫[6]為了研究邊坡穩(wěn)定性，通過Bishop法和正態(tài)分布3原則進(jìn)行計(jì)算，得到黏聚力對邊坡穩(wěn)定性的影響是最大的。王思源[7]提出了改進(jìn)的矢量和法，該方法同時(shí)考慮到邊坡的剪切﹑張拉破壞，且在搜索邊坡滑動(dòng)面時(shí)采用強(qiáng)度折減法，為探究邊坡穩(wěn)定問題提供了一種新的思路。楊意德[8]利用FLAC3D對司家營研山鐵礦邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過現(xiàn)場實(shí)際的協(xié)同監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，最終得到實(shí)際開挖時(shí)邊坡呈現(xiàn)出向著臨空面方向變形的趨勢，現(xiàn)場的協(xié)同檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬。劉新盤[9]等通過使用Geo-Slope軟件計(jì)算出現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)值，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，優(yōu)化了危險(xiǎn)剖面的設(shè)計(jì)方案。耿劍統(tǒng)[10]等采用極限平衡法迭代計(jì)算結(jié)合相關(guān)理論研究邊坡穩(wěn)定性，依托上房溝鉬礦采場實(shí)例提出了有效的邊坡防治方案。陳蕾[11]采用MIDAS對表孔溢洪的洞口邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算得到該邊坡周邊的支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理可行，邊坡穩(wěn)定性較好，為類似工程的開發(fā)提供了一定的借鑒意義。程志超等[12]利用DIPS和FLAC3D對分析了邊坡的破壞形式﹑模擬邊坡穩(wěn)定性，最終結(jié)果表明邊坡穩(wěn)定性較好。侯敏[13]將大峰露天礦邊坡分為兩種潛在的破壞形態(tài)：順層滑坡﹑圓弧形滑坡，結(jié)合理論和數(shù)值模擬進(jìn)行分析，并根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)最終確定了最優(yōu)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)。蘇振寧等[14]提出了三維的邊坡穩(wěn)定性分析方法，提出并證明滑動(dòng)面上土體在任意滑動(dòng)方向上的極限狀態(tài)均等價(jià)于滑動(dòng)面土體整體，再結(jié)合剛體極限平衡理論，定義局部安全系數(shù)。張標(biāo)等[15]在巖體抗剪強(qiáng)度中引入了飽和度﹑單軸抗壓強(qiáng)度分析其對邊坡穩(wěn)性的影響，得到飽和度在一定范圍內(nèi)對邊坡巖體的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性系數(shù)影響顯著。

本文以江西某金屬礦采區(qū)為研究對象，基于礦山收集的地質(zhì)報(bào)告﹑現(xiàn)狀地形圖和地質(zhì)剖面圖建立三維地質(zhì)模型，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及各分區(qū)的主要破壞模式，運(yùn)用極限平衡法（Bishop法﹑Morgenstern-Price法）﹑強(qiáng)度折減法對現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，以三維地質(zhì)模型各分區(qū)主剖面圖作為二維模型剖面分析基礎(chǔ)，并且采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析采場邊坡的穩(wěn)定性，為礦山邊坡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)安全提供了依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況及邊坡現(xiàn)狀

1.1 工程地質(zhì)

該金屬礦露天采區(qū)根據(jù)成巖構(gòu)造﹑巖性﹑結(jié)構(gòu)特征及堅(jiān)硬程度，區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)類型按堅(jiān)硬程度可分為松散軟弱巖類﹑半堅(jiān)硬巖類﹑堅(jiān)硬巖類等三大類型；礦區(qū)第四系松散軟弱巖類主要為殘坡積層﹑沖洪積層。其中殘坡積層巖性一般為碎石粉質(zhì)粘土；沖洪積層主要分布在礦區(qū)東部南山河兩岸呈帶狀分布，其余僅在山間﹑緩坡處零星分布，其主要成份為礫石﹑砂土等。風(fēng)化松散軟弱巖類，主要有強(qiáng)風(fēng)化巖和中等風(fēng)化的半堅(jiān)硬巖石，其次有弱風(fēng)化的強(qiáng)絹云母化﹑強(qiáng)綠泥石化或強(qiáng)糜棱巖化等千枚巖類。風(fēng)化松散軟弱巖類巖石松散軟弱，較易透水含水，多數(shù)巖石易軟化﹑散解，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。半堅(jiān)硬巖類主要為微弱風(fēng)化的變質(zhì)巖類及中等風(fēng)化的堅(jiān)硬巖，其次為新鮮的強(qiáng)絹云母化﹑強(qiáng)綠泥石化或強(qiáng)糜棱巖化等千枚巖類。該巖類工程地質(zhì)性質(zhì)中等，對邊坡穩(wěn)定性影響中等。堅(jiān)硬巖類主要為強(qiáng)硅化絹云母化蝕變帶及弱硅化蝕變帶的巖礦體。

礦體和圍巖均由蝕變千枚巖和花崗閃長斑巖組成。圍巖與礦石的金屬含量和蝕變強(qiáng)度有所區(qū)別，其它無多大差別。斑巖體與千枚巖接觸帶銅鉬礦化和蝕變最強(qiáng)，礦巖硬度大，穩(wěn)定性較強(qiáng)好。遠(yuǎn)離接觸帶穩(wěn)固性逐漸減弱，礦體外側(cè)圍巖為礦化﹑蝕變較弱的千枚巖類，巖體中心為弱蝕變花崗閃長斑巖。

1.2 邊坡現(xiàn)狀

（1）已有邊坡

該金屬礦露天采區(qū)主要存在官帽山﹑5#山頭山﹑馬行山﹑南平山﹑張家山5個(gè)邊坡，已經(jīng)形成+425m﹑+410m﹑+395m﹑+380m﹑+365m﹑+350m﹑+335m﹑+320m﹑+305m﹑+275m﹑+260m﹑+245m﹑+230m﹑+215m﹑+200m﹑+175m﹑+155m﹑+140m﹑+110m臺(tái) 階，各 臺(tái)階高度一般為15m，臺(tái)階坡面角50～64°，臺(tái)階寬度15～127m，最終邊坡角20°～30°，正在生產(chǎn)作業(yè)的平臺(tái)有+410m﹑+395m﹑+185m﹑+125m和+170m臺(tái)階，其中+110m為目前最低開采標(biāo)高。

（2）邊坡靠幫情況

各邊坡靠幫臺(tái)階如下，官帽山邊坡：+440m～+575m；3#山頭山：+440m～+575m；5#山頭山：+230m～+395m；馬形山邊坡：+170m～+350m；南平山邊坡：+170m～+410m；張家山邊坡：410m～+605m；現(xiàn)狀地形圖如圖1所示。

圖1 邊坡現(xiàn)狀分布圖

1.3 邊坡破壞模式

（1）平面破壞

當(dāng)?shù)刭|(zhì)不連續(xù)面（如層面﹑節(jié)理）的走向平行于坡面并傾向露天坑，且傾角大于巖體內(nèi)摩擦角時(shí)，邊坡易產(chǎn)生平面滑動(dòng)破壞。在巖石邊坡中平面破壞比較少見，通常情況下把平面破壞當(dāng)作比較普遍的楔體破壞的一種特殊情況來進(jìn)行分析。

（2）楔體破壞

當(dāng)兩個(gè)不連續(xù)面的走向斜交坡面，且其交線在坡面上出露時(shí)，如果此交線的傾角大于摩擦角，則被這兩不連續(xù)面所切割成的巖石楔體將沿交線下滑，形成邊坡的楔體破壞。

（3）圓弧破壞

當(dāng)巖質(zhì)邊坡中巖體軟松散﹑巖體節(jié)理異常發(fā)育或已經(jīng)破碎（如在廢石堆中），邊坡破壞也將由一個(gè)單一的不連續(xù)面來確定，破壞面通常為圓弧形。

（4）傾倒破壞

當(dāng)邊坡逆層節(jié)理異常發(fā)育，且接近鉛垂方向時(shí)，在自重及地震荷載作用下，邊坡容易產(chǎn)生向前方傾倒的破壞現(xiàn)象。

（5）潰屈破壞

順層邊坡當(dāng)層狀結(jié)構(gòu)面比較密集，巖層較薄時(shí)，開挖到一定高度后，坡腳處應(yīng)力集中，在坡腳產(chǎn)生巖層發(fā)生彎曲隆起變形，進(jìn)而發(fā)展為坡腳巖層斷裂，上部邊坡出現(xiàn)滑動(dòng)破壞，該類邊坡破壞為潰屈破壞。

（6）復(fù)合滑坡破壞

復(fù)合型滑坡是由上述兩種或兩種以上形式組合而成的滑坡。由于巖土體的工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，受影響條件多，所以在實(shí)際工程中的滑坡大多屬于復(fù)合型滑坡。

2 三維地質(zhì)模型建立及剖面選擇

2.1 三維地質(zhì)模型建立

基于該礦區(qū)最新實(shí)測的采區(qū)現(xiàn)狀圖創(chuàng)建了采區(qū)的開采現(xiàn)狀地形模型，并對其進(jìn)行高程色彩賦值。在DIMINE軟件平臺(tái)構(gòu)建原始地形模型的方法為：（1）在Auto CAD中將原始地形地質(zhì)圖調(diào)整至真實(shí)的坐標(biāo)位置；（2）將Auto CAD軟件中“.dxf”格式的等高線文件導(dǎo)入DIMINE中，通過高程賦值的方法賦予每一條等高線正確的高程值；（3）通過DTM創(chuàng)建功能將賦值后的等高線生成三維地表模型，并根據(jù)實(shí)際地形裁剪邊界多余部分，形成最終地形模型。

本采區(qū)現(xiàn)狀地表模型基于北京54平面坐標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建，其平面范圍為X=3207800～3211798﹑Y=39571800～39575900，由圖2可看出，經(jīng)開采后的現(xiàn)狀地表模型高程范圍約在+95m～+620m之間。

圖2 露天采區(qū)地表模型（三維視圖）

2.2 剖面選擇

根據(jù)采區(qū)開采現(xiàn)狀，將區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀邊坡構(gòu)成劃分為5個(gè)邊坡區(qū)域。在對采區(qū)綜合分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡實(shí)際情況，在各分區(qū)分別布設(shè)1～2個(gè)典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，典型剖面示意圖如圖3所示。

圖3 典型剖面示意圖

以三維地質(zhì)模型各分區(qū)主剖面圖作為本次二維模型剖面分析基礎(chǔ)，由于不同蝕變程度的巖石力學(xué)參數(shù)變化不大，因此考慮將其統(tǒng)一概化為同一種巖性進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)過剖面概化后，邊坡主要巖性為千枚巖，邊坡底部區(qū)域存在部分斑巖，以此進(jìn)行各分區(qū)剖面穩(wěn)定性分析，典型計(jì)算剖面概化示意圖見圖4。

圖4 典型計(jì)算剖面概化示意圖（南平山邊坡4-1剖面）

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及以往相關(guān)資料分析，各區(qū)選取1～2個(gè)典型代表剖面進(jìn)行分析。此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及礦山資料，馬形山邊坡區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行邊坡加固治理，該部分區(qū)域計(jì)算時(shí)加入錨桿單元進(jìn)行模擬。礦區(qū)所處區(qū)域地震基本烈度為小于Ⅵ級，根據(jù)相關(guān)規(guī)范不要求進(jìn)行地震工況模擬分析。

綜上，根據(jù)規(guī)范要求，本次穩(wěn)定性分析共設(shè)定2種荷載組合：荷載組合I為自重與地下水；荷載組合II為自重﹑地下水與爆破振動(dòng)力，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果取三種計(jì)算方法（Bishop法﹑Morgenstern-Price法﹑強(qiáng)度折減法）中的最小值。

由于本次計(jì)算邊坡主要巖性均為千枚巖，斑巖含量較少，因此在計(jì)算建模時(shí)將斑巖進(jìn)行概化處理，巖性均為千枚巖。

3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 三維數(shù)值模擬分析

3.1.1 模型建立

本次三維數(shù)值模擬分析采用MIDAS/GTS，該軟件適用于三維邊坡穩(wěn)定性分析，提供了16種巖土體本構(gòu)模型，且用戶還可以自定義本構(gòu)模型。因此，在巖土領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在建模計(jì)算過程中做以下假定：

（1）不考慮離主要研究對象較遠(yuǎn)的小礦體和細(xì)小結(jié)構(gòu)面的影響；

（2）每一種巖體都視為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；

（3）在計(jì)算中地應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力的作用，忽略地震波﹑爆炸沖擊波﹑構(gòu)造應(yīng)力等因素對巖體穩(wěn)定性的影響。

通過對采區(qū)地表﹑礦體及地層界線數(shù)據(jù)的提取和分析，建立了礦區(qū)數(shù)值計(jì)算模型。模型范圍：x方向范圍：-748～3038.83；y方向范圍：-818.75～2472.88；z方向范圍：-380～600。模型x方向長3786.83m，y方向長3291.63m，模型單元總數(shù)約554925個(gè)。模型建立的具體步驟如下所示。

地表標(biāo)高等值線，并賦等值線實(shí)際標(biāo)高，運(yùn)用Midas-GTS地表生成器生成地面，根據(jù)礦山露天開采臺(tái)階模型建立，對地表模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，生成露天礦山境界實(shí)體模型，見圖5。將建好的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格由外至內(nèi)逐漸精細(xì)，三維模型包含節(jié)點(diǎn)數(shù)為266947個(gè)，單元體個(gè)數(shù)為554925個(gè)，邊坡幾何模型如圖6。

圖5 露天采區(qū)建模實(shí)體圖

圖6 采區(qū)數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

3.1.2 計(jì)算結(jié)果

對各采區(qū)邊坡區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力場及塑性區(qū)分布分析。根據(jù)初步分析結(jié)果，驗(yàn)證邊坡現(xiàn)狀二維穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果如圖7，完成采區(qū)三維數(shù)值模擬分析。

由應(yīng)力云圖可見，各邊坡最大應(yīng)力值分布趨勢大致相同；由最小應(yīng)云圖可見，各邊坡以負(fù)值為主，小部分呈現(xiàn)正值，說明邊坡主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力影響較低。由剪應(yīng)力云圖可見，剪切應(yīng)力主要集中在官帽山邊坡區(qū)域﹑馬形山邊坡區(qū)域以及底部臺(tái)階區(qū)域。由潛在滑動(dòng)面及潛在破壞區(qū)云圖可見，南平山邊坡及張家山邊坡均出現(xiàn)潛在滑移區(qū)域，說明采區(qū)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域位于張家山邊坡區(qū)域。

3.2 整體穩(wěn)定性分析

由上述三維模擬可知，張家山邊坡區(qū)域存在潛在滑移區(qū)域，因此采用3種計(jì)算方法對張家山邊坡進(jìn)行2種荷載組合條件的邊坡穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果如下圖8～9所示：

圖9 5-1剖面荷載組合II計(jì)算結(jié)果圖

（1）荷載組合I

（2）荷載組合II

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，5-1剖面（張家山邊坡）在荷載組合I﹑荷載組合II工況下安全系數(shù)值均大于規(guī)范要求值，邊坡發(fā)生破壞概率較低，但5-1剖面（張家山邊坡）安全儲(chǔ)備不足。

3.3 局部邊坡穩(wěn)定性分析

在整體邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用局部邊坡穩(wěn)定性分析，對張家山邊坡（5-1剖面+185m～+365m﹑+395m～+590m），具體分析結(jié)果如下圖10～11所示：

圖10 計(jì)算結(jié)果圖

圖11 計(jì)算結(jié)果圖

（1）荷載組合I

（2）荷載組合II

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)區(qū)域邊坡計(jì)算結(jié)果分析，在自然條件（荷載組合I）以及爆破條件（荷載組合II）下，V區(qū)（張家山邊坡）安全系數(shù)值雖然滿足規(guī)范要求，但安全儲(chǔ)備不高，有平面破壞及楔形體破壞的可能。

4 邊坡防治措施

（1）Ⅴ區(qū)張家山邊坡主要巖性為千枚巖，5-1剖面最低安全系數(shù)為1.18，基本滿足規(guī)范要求，整體較穩(wěn)定。個(gè)別臺(tái)階巖體相對破碎，受到局部斷層影響，臺(tái)階存在楔形體破壞﹑平面破壞的可能，故日常生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)該區(qū)域的檢測，直到消除隱患。

（2）在礦山深部巖層揭露及下部臺(tái)階靠幫后，及時(shí)開展工程地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)巖石力學(xué)研究，為今后的安全生產(chǎn)提供更為科學(xué)的依據(jù)。

（3）根據(jù)本次研究及按相關(guān)規(guī)定采取科學(xué)的邊坡監(jiān)測預(yù)警措施，在重點(diǎn)區(qū)域布設(shè)監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測生產(chǎn)過程中邊坡巖體的變化趨勢，確保后續(xù)開采的生產(chǎn)安全。

5 結(jié)論

本文以江西某金屬礦露天采區(qū)邊坡為例，通過采用Bishop法﹑Morgenstern-Price法﹑強(qiáng)度折減法和三維數(shù)值模擬的研究方法，分別計(jì)算在自重及爆破兩種載荷組合下邊坡的安全系數(shù)，結(jié)論如下：

（1）利用MIDAS/GTS模擬江西某金屬礦露天采區(qū)邊坡，由最大主應(yīng)力圖﹑潛在滑動(dòng)面及潛在破壞區(qū)云圖可見，張家山邊坡存在潛在滑移﹑平面破壞的可能。

（2）通過采用不同穩(wěn)定性計(jì)算方法，計(jì)算出自重及爆破荷載作用下兩種工況的安全性，結(jié)果表明，邊坡在兩種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）本研究存在不足之處，在對邊坡進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析時(shí)沒有考慮斷層或結(jié)構(gòu)面影響，在進(jìn)行分析時(shí)，將邊坡巖體簡化為同一巖性。因此，后續(xù)需要根據(jù)具體地質(zhì)勘探對邊坡巖體根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行細(xì)化分析。