露天礦高陡順層邊坡動態穩定性評價與協同治理

露天礦高陡順層邊坡的穩定性問題不僅關乎礦山安全生產，還影響著生態環境與經濟發展[1-3]。現有研究多聚焦單一技術或靜態模型，對動態開采擾動與水文耦合作用的系統性分析不足[45]。以往傳統勘察技術主要依賴鉆探與探槽，對軟弱夾層識別精度低（誤差 gt;2 0 % ），且成本高昂，靜態數值模型基于固定邊界條件，忽略開采過程的動態響應，靜態模型預測偏差可達15%。單一治理措施采用削坡或錨固獨立實施，缺乏協同效應驗證。現多采用多技術融合勘察，微動探測與地震成像顯著提升效率；構建動態分階段模型，有限元強度折減法結合水-巖耦合機制；實施協同治理策略，削坡 + 錨固 + 排水的集成設計。以上成果對于邊坡動態穩定性評價與協同治理研究具有重要作用，但由于我國礦山地質環境的復雜性和開采條件的不確定性，現有研究仍處在理論探索階段，主要存在以下亟待解決的問題：一是數據融合精度不足，多源物探數據插值算法需優化；二是極端氣候適應性不佳，模型未考慮暴雨對軟化深度的非線性影響；三是需要強化長期性能監測，錨索預應力損失與排水孔淤堵缺乏長期數據。

某露天礦采場底板邊坡為典型的露天礦高陡順層邊坡。礦區地層主要由硅質白云巖、粘土巖及礫巖組成，巖層產狀為 ，坡高100至 自2020年起，坡頂出現10條張拉裂縫（最長 4 5 m ，下錯5至15cm），裂縫沿南北走向延伸，直接影響采礦作業。邊坡失穩的復雜性源于以下因素：一是地質條件復雜，軟弱夾層（粘土質粉砂巖）與斷層 （小壩斷裂）交互分布；二是動態開采擾動，隨采深增加，邊坡臨空面擴展，應力場持續調整；三是水文作用顯著，年均降雨量為1 1 4 8 . 7 m m ，雨水入滲導致夾層軟化，抗剪強度下降。因此，提出“勘察-建模-治理”一體化的技術框架，通過集成微動探測、地震共振成像與鉆探數據，構建分階段動態穩定性評估模型，結合水-巖耦合反演與協同治理策略，系統分析了邊坡失穩機制及治理效果。通過多技術融合勘察與動態分階段模型，揭示了軟弱夾層軟化深度與穩定系數的定量關系，填補了水-巖耦合動態分析的空白。協同治理方案使邊坡穩定系數提升 2 2 . 5 % ，顯著降低失穩風險；采礦深度拓展至 1 1 0 0 m ，新增采礦收益；提出的斷層區集成防控技術可為類似礦區提供參考。

1.研究區概況

（1）地形、地貌

研究區屬構造-剝蝕低中山地貌，海拔高程1130至 1 3 4 0 m ，相對高差2 1 0 m. 。邊坡呈臺階狀斜坡，坡向 至 ，坡度 至 ，中下部地形陡峭（ 至 ），上部較緩（ 至 ）。坡頂發育多條沖溝，地表覆蓋礦渣填土與滑坡堆積體（厚度0至4 0 m? ）。

（2）氣象、水文

邊坡區域屬亞熱帶季風濕潤多雨氣候，多年平均降水量為 1 1 4 8 . 7 m m ，4至10月為豐水季節，降雨量占全年的8 4 % 。年蒸發量平均為 1 1 4 3 . 0 m m ，多年平均相對濕度 8 0 % ，平均氣溫 區域內屬有兩條支流，其流量在不同季節變化明顯。

（3）地質背景① 地質構造

受斷裂及其附近次生斷裂牽引，場地巖層局部揉皺、產狀變化，邊坡及周邊巖層產狀 。邊坡區域的硅質巖中主要發育兩組節理，一組節理產 ，另一組節理產狀 ，兩組節理均為張性節理。

② 水文地質條件

研究區的河流域，年徑流量為 2 9 1 L/ s 洪水期流量達 地下水分為四類：第四系孔隙水，賦存于填土與滑坡堆積體中，透水性強；巖溶水賦存于硅質白云巖裂隙中，富水性貧乏；碎屑巖裂隙水賦存于冰磧礫巖中，透水性中等；變質巖裂隙水賦存于凝灰質砂巖中，透水性弱。地下水主要由降雨補給，沿裂隙向坡腳溝谷排泄。

③ 工程地質條件

研究區地層巖性自上而下依次為：第四系（Q）、震旦系上統 ～ 寒武系紐芬蘭統燈影組 、震旦系下統陡山沱組 、南華系上統南沱組 、青白口系清水江組 。第四系為礦渣填土（松散）、殘坡積粘土（可塑）；震旦系燈影組為灰色中厚層白云巖，巖體較破碎；陡山沱組為硅質巖、磷塊巖夾粘土巖，含軟弱夾層；南沱組為冰磷礫巖、粉砂質粘土巖；清水江組為凝灰質砂巖與粘土質粉砂巖互層。

2.研究方法

2.1多技術融合精細化勘察

基于《滑坡防治工程勘查規范》，采用“物探 + 鉆探 + 試驗”協同方法，實現地層結構與軟弱夾層的精準識別。其中關鍵步驟包括：

（1）微動探測：沿3條測線布設，反演地層波速結構。

（2）地震共振成像：劃分巖體波速差異，定位斷層滲透路徑。

（3）鉆探驗證：7個鉆孔（總進尺

4 4 9 . 3 6 m， ）揭露夾層，取樣36組巖樣。2.2動態分階段穩定性評估模型

基于有限元強度折減法與MohrCoulomb準則，構建分階段開采模型，強度折減法定義安全系數

水-巖耦合滲流方程：

模型參數：網格尺寸 ? 2 m ，軟化深度 2 0 m ，滲透系數 ：每下采 1 0 m 更新邊界條件。

驗證方法：赤平投影分析（結構面傾向偏差 ）；監測位移數據對比（RMSE ? lt; 1 0 m m ）。建立模型如圖1所示。

2.3協同治理方案設計

依據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016-2014），提出三級防控策略，關鍵措施包括：

削坡減載：坡頂卸載 3 0 m ，坡角 ≤40°[6]

預應力錨索：10Φ15.2鋼絞線，鎖定力 1 3 0 0 k N ，間距 0

疏排水系統：仰斜式排水孔（孔徑 ，間距 1 0 m ） + 截水溝 （寬0 . 5 m ，深 0 . 3 m ）。

錨索錨固力計算：

式中，d為鋼絞線直線， 為極限抗拉強度。

構建協同治理斷面設計如圖2：

3.結果與分析

3.1軟弱夾層軟化機制與參數反演

反演計算表明，坡頂降雨入滲導致夾層軟化深度為 2 0 m ，誤差 敏感性分析顯示，軟化深度每增加 5 m 穩定系數下降0.08至 0 . 1 2。

3.2分階段開采穩定性評價

剖面開采至 1 1 0 0 m 時，未治理條件下 F s =0 . 9 8 5 ，協同治理后提升至1.187。水平位移增速隨開采深度增加0.5mm/d→1.2mm/d[8]。

4.討論

4.1技術創新

① 勘察效率提升：多技術融合使勘察周期縮短 4 0 % ，成本降低 2 5 % ，可精準識別軟弱夾層分布，誤差 。

② 動態模型精度：分階段模型較傳統靜態分析誤差減少至 7 % 以內，動態分階段模型確定開采至 1 1 0 0 m 時，臨界安全系數為1.1，協同治理后提升至1.187[10]。

③ 協同治理經濟性：綜合方案較單一措施節省成本 2 0 % ，工期縮短3 0 % 。

4.2局限性

① 氣候耦合模型：需納入極端降雨 對軟化深度的非線性影響。

② 長期監測數據：錨索預應力損失與排水孔淤堵需長期跟蹤。③ 智能化擴展：結合機器學習優化動態預測模型。

4.3工程參考價值

斷層區“監測-削坡-排水”集成技術使穩定系數達1.12，填補工程實踐空白，斷層區集成防控技術可為類似礦區提供實踐依據[1]。

5.結論

① 某露天礦采場底板邊坡經卸載治理后，整體處于穩定狀態，局部基本穩定。監測顯示邊坡仍存在緩慢東向變形趨勢，但水平位移增量及沉降速率均趨緩，符合穩定要求。坡頂粘土質夾層受地表水下滲影響，軟化深度被限定于坡頂最低平臺以下 2 0 m 范圍，該參數作為安全計算的基準條件。

② 穩定性分析表明，4線 + 1 0 0 m 以南區域開采至 1 0 9 0 m 標高、以北區域開采至 1 1 4 0 m 標高時，邊坡可滿足II級安全標準。若北區繼續下挖至1 1 4 0 m 以下則需采取削坡或加固措施。值得注意的是，粘土夾層軟化深度直接影響安全系數，實施地下水疏排可提升穩定性，放任地下水滲透則會加劇軟化深度，導致穩定性下降。

③ 后續作業須同步推進防治措施：南側區域在完成坡頂混凝土封閉及截排水系統后可恢復開采；北側區域需待截排水工程竣工，并結合“削坡 + 加固”措施后方可下探至 1 1 0 0 m 標高。地下水管控作為關鍵要素，需持續控制軟化深度不超過2 0 m 閾值，以保障開采安全。

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