北衙金礦萬硐山礦段深凹露天礦邊坡角的確定

程 涌 楊八九

（云南亞融礦業科技有限公司）

在邊坡穩定性研究中，通常采用Bishop 法、Janbu 法、Morgenstem-Price 法和Sarma 法等極限平衡分析方法。隨著計算機技術的發展，數值模擬法引入邊坡穩定性研究過程中，主要有有限元法、離散元法和有限差分法等。露天礦山邊坡和其他行業（水利、公路、鐵路）邊坡相比，具有開挖地點的無選擇性、時效性和巖體的可變形性、動態性等特點。

露天礦邊坡角的大小決定了露天礦山企業經濟效益。邊坡角提高1°，節約剝離成本上千萬元甚至上億元［1］。傳統邊坡角的確定，基于彈性力學平面應變的原理［2］，邊坡角通常在35°～45°。目前深凹邊坡穩定性分析方法主要有極限平衡法，如宋衛東等［3］以蘭尖鐵礦營盤山段深凹高陡邊坡為工程背景，采用Geo-Slop 軟件，分別分析了該邊坡在地下水、地震載荷以及地下水和地震載荷共同作用下的穩定性。朱乃龍等［4］運用彈性力學原理，對深凹露天礦邊坡的空間效應進行分析，提出下部邊坡可以加陡的結論。任高峰等［5］利用時間序列建模，得到任意時間下相關巖體強度參數的預測值關系式。

1 礦區工程地質概況

北衙金礦萬硐山礦段礦區出露的地層有二疊系上統峨眉山組（P2β）、三疊系下統（T1）青天堡組（T1q）、三疊系中統北衙組（T2b）、第四系更新統蛇山組（Q1s）、更新統Qp及全新統Q4。其中三疊系中統北衙組（T2b）。按其巖性特征，自下而上劃分為T2b1～T2b5這5 個巖性段，T2b5地層出露不全，頂部直接與Q1s、Q4不整合接觸。工程地質巖組劃分見表1，巖體物理力學參數見表2。

2 深凹露天邊坡加陡原理

一般來說，隨著開采深度的增加，巖體風化程度變弱，完整性巖體質量逐漸變好，為下部邊坡角增大奠定了良好的基礎。露天礦邊坡形成過程中，采用自上而下的開采順序，上部邊坡服務時間長，受爆破、風化影響時間長，而下部邊坡相對較短，穩定性降低程度小于上部邊坡。凹陷露天礦下部邊坡擠壓作用明顯，利于邊坡穩定。

3 穩定邊坡角的確定

朱乃龍等［4］把深凹邊坡視為喇叭曲面，以喇叭曲面形邊坡上一環巖體為力學模型，分析其臨界下滑時的應力狀態，并以庫侖準則作為環巖體的破壞準則，推導出了深凹邊坡的穩定性坡角與巖體物理參數之間的關系式：

式中，α為邊坡角，（°）；C為黏聚力，Pa；φ為內摩擦角，（°），r為水平半徑（圖1），m；γ為巖體容重，N/m3。

根據終了境界圖（圖2），劃分不同區域，不同高程，分別量測出水平半徑r，根據上式計算出了邊坡角，具體見表3。

將各區域邊坡角及該區域設計邊坡列于表4。可以看出，除I、VI、VII和VIII區域設計邊坡角與計算所得邊坡角接近外，其余區域設計邊坡角均小于計算所得邊坡角。下部邊坡角有提高空間。

4 設計終了邊坡數值模擬研究

采用數值模擬軟件建立模型，見圖3。

在礦山實際開采中，在時間上表現為不連續，綜合考慮計算結果的準確性和計算工作量，計算過程中分2 步進行開挖，由原始地形到現狀地形，再由現狀地形到終了地形。本文主要從開挖后的主應力、位移量和塑性區的分布3個方面進行分析。

4.1 最大主應力

由于露天邊坡的開挖，邊坡的應力狀態發生了較大的變化，邊坡的應力重新分布。終了邊坡情況下，模型中最大主應力分布情況如圖4所示。

從圖4 可以看出，深色區域為應力最小的區域，為拉應力，數值0.36 MPa，拉應力出現區域為露天邊坡外部和坑內西北邊底部。

4.2 位 移

在邊坡穩定性分析中，整體位移是邊坡穩定性的重要參數，因為過量的豎直位移將直接導致邊坡的垮塌。模型計算結果位移如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7可以看出，通過對整體位移和Z方向位移的比較，露天邊坡位移主要以Z方向位移為主，并且位移值為正，說明位移是向上的，由于上部巖體剝離后，下部巖體回彈產生向上的位移。

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4.3 塑性區

塑性區包含剪切塑性區和拉伸塑性區，代表巖體產生了剪切破壞和拉伸破壞，塑性區越多，就代表相應區域越不穩定，該區域的穩定性就越差。終了邊坡塑性區見圖8。

從圖8可以看出，塑性區主要出現在東幫邊坡和西幫邊坡的坡腳區域，邊坡其他位置零星分布很少的塑性區，說明邊坡整體處于穩定狀態。

采用強度折減法，計算出終了露天邊坡的安全系數為1.37，從極限狀態邊坡的剪切應變增量和位移矢量來分析，選取了部分剖面的位移矢量和剪切應變增量剖面圖，如圖9～圖12所示。

從圖9～圖12 可以看出，危險滑移面位置主要出現在西幫、北幫和東幫邊坡的上部，滑面方向沿邊坡面向下，說明邊坡如果發生破壞，破壞區域主要位于邊坡上部。邊坡安全系數1.37，安全儲備較大，說明下部邊坡角有提高空間。

5 結 論

（1）隨著開采深度的增加，深凹露天礦邊坡下部巖體受爆破振動及風化作用降低，為下部邊坡加陡奠定了良好的基礎。

（2）根據深凹邊坡的穩定性坡角與巖體物理力學參數之間的關系，確定了北衙金礦萬硐山礦段深凹露天礦邊坡角，1 844 m 以下邊坡角38.4°～42.1°，1 724 m 以下邊坡角40.4°～44.9°，對礦山實際生產和設計具有一定指導作用。

（3）和數值模擬結果相比，下部邊坡角可以增大，與力學模型計算公式所得結論一致。