露天铝土矿山开采边坡力学与稳定性分析＊

胡建军

（北京矿冶研究总院， 北京 100160）

露采边坡工程受采矿工程本身特点的影响，与一般工程不同，在既定的工程地质条件下，采掘过程贯穿整个采矿过程，开挖形成的露天边坡在其服务年限内始终处于动态变化过程中，应力状态也会发生不断变化，边坡允许有一定的变形和破坏，但需要维持自身稳定［1－7］。铝土矿开采不同于一般硬质岩体开采，边坡力学性质具有其自身特点，研究铝土矿露天开采边坡稳定性对于正确指导矿山设计具有重要意义［8－10］。

1 矿区基本情况

某铝土矿矿区出露地层由老至新有奥陶系中统白云质泥灰岩、白云岩，石炭系中统铁质粘土岩、铝土矿，耐火粘土、粘土岩，上统灰岩，砂岩、泥岩及薄煤层等。第四系红土、黄土、残坡积及冲洪积物约占全区面积的79.5%。

区内构造简单，断裂与褶皱对铝土矿有一定控制作用，但破坏性不大。矿区虽有断层，但由于规模不大，对铝土矿矿体影响不大。

露天开采采用台阶式开采，开拓运输方案为公路开拓、汽车运输方案。开采工艺为开沟—平整—穿孔—爆破—铲装—运输，剥离台阶高12m，台阶开挖坡角65°。

2 计算模型的建立

2.1 模型简化

对于边坡稳定性分析，合理的简化可以节约大量的时间和计算机资源，本研究根据弹性力学理论，将这种纵向比较长的边坡体结构其受力变形特点可以简化为平面应变问题［6－7］，本次研究选择具有代表性的垂直边坡坡面的典型剖面作为研究对象。

2.2 计算模型

根据该矿山的工程地质勘察报告及相关地质资料选取本次研究的典型剖面，矿山从地表往下主要岩土体有粘土、砂岩、灰岩、铝土矿、石灰岩和白云质泥灰岩等，最终建立数值分析模型如图1所示。模型底宽350m，左侧高144m，右侧高76m。模型共2982个单元，6166个节点，边界条件为下部约束水平及垂直位移，左右两侧约束水平位移，上部为自由边界。研究范围内岩体以灰岩、石灰岩、泥灰岩为主，本构模型采用Mohr－Coulomb准则，分析软件利用FLAC软件。

矿区周围为沟壑，地势较低，岩体地应力不大，地下水也较弱，本计算不考虑地下水作用。

图1 模型网格及尺寸

2.3 参数的确定

综合该铝土矿主要围岩的物理力学性质以及节理裂隙摩擦试验结果，同时考虑试件的尺寸效应、围岩所处环境等多方面的影响，对试验结果进行合理的工程处理后，确定此次计算的矿岩物理力学性质指标参数见表1。

表1 矿岩岩体力学参数

2.4 开采顺序及监测点布置

露天边坡开采是个顺序开挖的过程，岩体应力逐渐释放［11－15］。由于地层本身存在着原始应力，地层中每个质点的岩石都受着三向应力的作用，应力是受约束的，并处于平衡状态。一旦开挖，原岩体的初始应力平衡状态遭到破坏，应力、变形相伴而生，上部岩体的移除会导致下方岩体回弹变形，不同开挖阶段边坡应力、变形、破坏形态不同。本次计算考虑简化计算的同时尽量与实际相符，按照从上至下的开挖顺序，单次模拟开挖一个台阶，台阶高度12m。

为了研究矿山开采过程中边坡坡面的位移变化趋势，本研究对每次开挖的边坡坡脚位置布置了位移监测点K01～K11，具体位置如图2所示，其中K01～K07位于矿体上盘边坡内，K08～K11位于下盘边坡内，①～⑥为边坡开采顺序。

图2 边坡监测点布置情况

3 应力分析

从竖向应力分布来看，由于边坡开挖后边界条件的改变，原岩应力场发生了重新分布，岩体大部分区域仍为压应力区；随着矿山开挖的进行，岩体竖向应力逐渐释放，自由面附近竖向应力较小，向岩体深处应力逐渐增大，岩体竖向应力等值区域随坡面起伏而变化，这一特点随开挖进行逐渐向下发展（见图3）。

图3 不同开挖阶段边坡岩体竖向应力分布（单位：MPa）

开挖坡体的水平应力场（见图4）显示，由于开挖的卸荷作用，解除了坡面的边界约束，这是岩质边坡滑动失稳的一个诱导因素；同时看到，在上覆岩层自重作用下，水平应力在边坡坡脚处叠加产生了应力集中现象，说明水平应力是形成坡脚应力集中现象的主要因素；岩体水平应力的变化梯度与上述竖向应力的变化梯度相比较大，且水平应力分布不均匀，说明岩体水平应力传递效果受边界条件的影响较大。

图4 不同开挖阶段边坡岩体水平应力场（单位：MPa）

4 位移分析

边坡移动或潜在滑动的最明显特点就是水平位移的不断发展［16－18］。边坡岩体开挖过程是地质岩体水平边界约束能力逐渐减弱的过程，边界约束能力降低后，在原岩初始应力作用下，岩体水平方向变形能力增强，发生岩体水平位移，带动上覆岩体移动，最终会对远处岩体引起拉应力作用。岩体具有弱抗拉性质，如果岩体抗拉强度不足则会产生初始裂隙，进而逐渐发展、贯通为滑坡。

本次分析布置的各监测点处，监测的水平位移值最终趋于一个定值，见图5和图6，说明开挖扰动结束后，边坡处于稳定状态，各监测点最终位移见表2（正负号分别表示位移值与坐标轴同向和反向）。

图5 K01～K07监测点水平位移曲线

图6 K08～K11监测点水平位移曲线

表2 不同监测点处最终水平位移量

K01～K07监测点位于上盘岩体坡脚处，各点监测点水平位移随着边坡开挖不断增大，最大水平位移位置发生在K05、K06监测点附近，这一位置即为石灰岩与砂岩的地质分界面附近，在岩体应力作用下此处发生岩体破坏，岩体水平位移量较大；K07监测点位于边坡坡脚处，受到周围岩体的侧向限制，水平位移量相对较小。顶部岩体水平位移量没有随下方岩体移动而增大，说明边坡整体性很好，没有发生整体移动。下盘边坡内K09监测点水平位移量相对较大。

5 稳定性分析

有限元强度折减法的基本原理［19－21］是将岩体强度参数c和φ值同除以一个折减系数f，得到折减后 的 抗 剪 强 度 指 标 为 c1＝c／f、φ1＝arctan（ta n φ／f），将c1、φ1作为新的计算参数输入，当坡体恰好达到应力极限状态时对应的f即为安全系数，同时可得到坡体的破坏滑动面。

通过FLAC程序边坡强度折减FOS计算，得到其潜在滑移面的位置如图7所示，潜在滑移面的下缘位于石灰岩和砂岩的地质分界面，形状似圆弧状，边坡其余位置岩体的变形较为一致，趋于连续，无变形突变，边坡的安全系数为1.71，边坡处于稳定状态，与边坡位移分析结论基本一致。

图7 安全系数及潜在滑动面（位移单位：mm）

6 结 语

利用大型非线性有限差分软件对铝土矿露天边坡的应力状态进行分析，可以反映矿山露天开采过程中的力学变化特点，揭示引起边坡失稳的主要原因，与程序自带强度折减算法FOS结合，可以判断边坡的潜在破坏滑动面，判定其稳定性，对矿山设计具有重要意义，该分析方法可供类似矿山借鉴。

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