露天矿滚石灾害分析及控制

田坤，李国明，罗会良，赵德高，张君

（1.中国地质矿业总公司沙特分公司，沙特阿拉伯；2.北京矿冶研究总院，北京100160）

露天矿滚石灾害分析及控制

田坤1，李国明1，罗会良1，赵德高1，张君2

（1.中国地质矿业总公司沙特分公司，沙特阿拉伯；2.北京矿冶研究总院，北京100160）

滚石灾害是露天矿山经常出现的地质灾害，因其突发性和不确定性，无法对其进行主动和有效的防护。以某露天矿为研究对象，把露天边坡稳定性和滚石灾害研究结合起来，形成一个完整的从滚石灾害区域辨识、滚石灾害模拟到滚石灾害防治的灾害预警防治系统。采用软件模拟的方法对滚石灾害的分布区域以及滚石落点的时空分布进行深入研究。首先采用模拟软件对露天坑的14个地质剖面进行边坡稳定性分析，根据模拟结果圈定矿山的边坡滚石的多发区域，并采用模拟软件对滚石进行模拟，获取滚石的运动路径、滚石落点和滚石速度的统计规律，进而提出了有针对性的滚石灾害防治措施，以减少灾害对矿山生产和施工人员人身安全的威胁。

露天矿；滚石；地质灾害；边坡防护

露天开采后期，边坡高而陡，另外由于露天边坡长期暴露，在降雨、爆破振动和风化等因素的影响下，在边坡不稳定的位置常会发生松动岩块滚落，滚落的岩块会对采掘人员的生命安全和设备构成威胁［1］。

滚石是危岩体与母岩分离后，在斜坡上运动的一种边坡失稳方式［2］。滚石灾害是一种具有突发性、随机性和多发性的灾害，一直以来对其缺乏有效的预测和控制措施。20世纪中期以来，国内众多学者对滚石的运动特征以及冲击力的计算进行了一些卓有成效的探索［4－7］。黄润秋和刘卫华等采用不同的试验方法对不同形状的滚石的运动特征进行了研究［2－3］。唐红梅和易朋莹采用理论计算的方法对滚石的运动路径进行研究，并建立了滚石各运动阶段的轨迹方程［8］。叶四桥和陈洪凯等通过对国内外通用的滚石冲击力计算公式结合实测数据进行比较，并给出冲击力放大系数，给出了实际的滚石冲击力计算公式［9－10］。连永庆采用数值模拟的方法模拟滚石对桥墩的碰撞，取得了一系列的研究成果［11］。何思明等对滚石在运动中的恢复系数以及滚石对防护物的特性和冲击力计算进行了广泛的研究，并提出了一种计算泥石流中滚石对构筑物的冲击力的简化方法［12－15］。

国内外对滚石的运动路径和滚石冲击力计算的研究已经取得了很多研究成果，但是国内对露天转地下过程中滚石灾害影响的研究较少，鉴于此本文以某露天转地下矿山为例，对露天转地下过程中滚石落点的时空分布和滚石对露天坑底预留的境界顶柱安全的危害进行评价分析。

1 研究方案

1.1 概述

某矿山是一座以硫、铜、铁为主，伴生金、银等多种金属元素的露天地下联合开采的矿山。矿山露天坑位于山脚处，因此一侧依山形成一个高边坡，矿区降雨较多，矿区面临较大的滚石潜在威胁。

1.2 研究思路

为了对矿山滚石进行模拟，首先需要对露天边坡滚石的多发地进行辨识，然后滚石多发地进行滚石模拟，从而获得滚石在露天坑地落点的分布图和滚石落点处的速度，进而对滚石冲击力进行计算。根据模拟和计算结果对边坡滚石的防护提供建议，也可以对境界顶柱的安全性进行校验，并以此提出可行的保护措施。研究路线如图1所示。

图1 研究路线Fig.1 Research route

2 滚石多发区域辨识

2.1 剖面选取

选取涵盖露天坑所有高边坡一侧的15－28地质剖面作为研究对象，对边坡滚石多发区域进行辨识，剖面位置如图2所示。

图2 地质剖面Fig.2 Geological profile

2.2 计算模型

根据矿山的地质剖面资料建立边坡稳定计算模型，模型边界约束采用位移约束方式，对地面和两侧进行约束。计算模型分为三部分，如图3所示的上盘边坡、下盘边坡和矿体。

图3 计算模型Fig.3 Computational model

计算模型的力学参数如表1所示。

表1 模型力学参数Table 1 Mechanical parameters of numerical model

2.3 结果分析

模型的计算结果以剖面15为例，边坡两侧高度悬殊，只对高边坡一侧进行模拟，通过模拟计算获得剖面中安全系数最小的滑动面以及滑动面的参数信息，结合滑动面信息和安全系数，我们可以对剖面位置的边坡安全进行评价，以判断该剖面区域是否为滚石灾害多发区，模型的计算结果如图4所示。

图4 剖面15高边坡一侧模拟结果Fig.4 Simulation result of No.15profile of high slope side

从图4中可以获得对边坡滑动体最高点、最低点的高程、滑动体的深度以及其安全系数等信息，根据模拟结果对各剖面的滑动体信息进行汇总，结果如表2所示。

表2 模拟结果汇总Table 2 Summary of simulation results

根据《建筑边坡工程技术规范GB50330－2002》中边坡安全系数如表3所示。

表3 稳定边坡安全系数Table 3 Safety factor of permanent slope

由于露天边坡高度较大，其稳定安全系数标准可按表3的标准适当提高，本研究采用1.4作为安全系数。据此我们可以圈定18、19、20和21线之间为边坡的不稳定区域及滚石多发区。下面对该区域的滚石进行模拟。

3 滚石灾害及时空分布分析

由于边坡失稳而形成滑动，在下滑的过程中会形成两种运动，一种是沿节理裂隙解体形成单个滚石滚落，另一种是沿边坡整体滑落，速度相对较慢，由于节理裂隙的存在，大规模的深度滑坡很难出现。由于滚石的速度快并且具有不确定性，对矿山的危害更大，本论文主要对滚石的危害进行研究。在进行模拟研究之前我们需要设定几个基本假设：

1）在二维空间内分析滚石；

2）相对边坡来说，滚石体积很小，假设滚石为无限小的颗粒，忽略空气阻力；

3）滚石滚落过程中，质量用于滚石的能量计算且质量在滚落过程中不发生变化；

4）滚石滚落时，不引起坡体的变化；5）露天坑底部为与边坡同性的岩石。

根据矿区资料，结合相关文献研究成果，得到物理参数的经验值。取边坡法向恢复系数为0.50，标准差0.04，切向恢复系数为0.80，标准差0.04，摩擦角为25°，粗糙度为2°。

3.1 滚石模拟

每次计算滚石50块，采用Pseudo－random方法。应用随机数来进行计算机模拟，滚石的迹线为抛物线形。

剖面18的计算结果如图5所示。

图5 滚石路径图Fig.5 Route of rock－fall

露天坑左侧边坡底部坡脚X坐标为4050，图6为滚石滚落最后停留的剖面位置。

从图中可以得出大概有60%的滚石会留在边坡上，其余的最终会滚落到坑底，并且大部分停留在4 070～4 100，也就是露天坑靠近滚石边坡坡脚的位置，从图5的滚石运动迹线中可以看出，其中有一部分滚石是滚落到另一边的边坡滚落回来最终停留在该区域的。实际情况中，露天坑底部不如模型中平整和坚硬，因此切向和法向恢复系数都会比较低，滚石基本上会在与露天坑底进行一两次撞击之后停下来，模拟中出现的滚石滚落到另一边边坡再反弹回来的情况很难出现。由于滚石的第一落点集中在高边坡坡脚位置，因此大部分滚石依然会停留在靠滚石边坡的一侧。这也表明滚石从边坡滚落后，高边坡的坡脚附近位置会受到直接冲击，此处造成的危害最大。

在滚石灾害的研究中我们关心的另一个因素就是滚石的速度，滚石在不同位置的平均速度如图7所示。

对18－19剖面中滚石在滚落过程中的速度分布进行统计如图8所示。这里为了数据的处理方便，以滚石边坡对面边坡的坡脚位置作为位移零点。图7中可以看出滚石的最大速度可以达到30m/s，出现在66和83区域之间，滚石的速度曲线呈锯齿上升状，这反映的是滚石在下落的过程中不停的进行动能和势能转换的过程。图8中显示滚石的速度分布近似地符合一个以速度为自变量x，与另一次坡脚的水平距离为因变量y的一元三次方程。方程在图中已经给出。从方程的曲线我们可以得出，在距坡脚100m的位置处滚石具有最大的动能，从另一方面说也就是该处的滚石势能也处于最小值，在该区域大部分的滚石处于动能和势能转换的临界位置，该区域滚石更贴近边坡，与边坡的撞击概率最大，在该区域设置防护设施的防护效率最高，可以在此处建立柔性防护网或者铺设缓冲物。下盘边坡的坡脚位置为滚石掉落的集中区域，因此我们应该尽量避免在这一区域布置永久工程。

图6 滚石停留位置Fig.6 Residence location of rock－fall

图7 滚石平均速度Fig.7 Average velocity of rock－fall

图8 滚石速度分布Fig.8 Distribution of rock－fall velocity

4 结论

通过对某露天矿滚石灾害的研究分析得出以下结论。

1）滚石灾害研究中，滚石多发区域的辨识是基础，这样对滚石灾害的研究才有针对性，对矿山的实际生产才更有指导意义。

2）边坡滚石前端主要以滚动为主，后期随着速度的增大，会产生跳跃。统计分析结果显示，大概有40%的滚石会到达露天坑底部。

3）滚石第一落点集中在露天坑坡脚位置，大部分为经过最后一级边坡反弹后冲击坑底。

4）露天矿对于滚石的防护可以从两方面着手，一方面可以采取措施减少滚石危险源的威胁，可以采用锚索支护、锚网支护或者喷射混凝土支护等措施，加固滚石多发区域。另外可以在滚石发生大幅度弹跳的运动前端设置柔性的防护网，还可以在露天坑的最后一级边坡位置铺设缓冲物，让更多的滚石通过缓冲物的缓冲作用最终留在边坡上，避免对坑底生产产生威胁，也可以分阶段设置防护网拦截滚石。

［1］陈敬刚，李爱兵 .铜山口露天采场东帮滚石灾害与预防措施［J］.采矿技术，2007，7（4）：21－24.

［2］黄润秋，刘卫华，周江平，等 .滚石运动特征试验研究［J］.岩土工程学报，2007，29（9）：1296－1302.

［3］黄润秋，刘卫华.基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（5）：882－889.

［4］Ritchie A M.Evaluation of rockfall and its control［J］.Highway Research Record of USA，Record 17，Washington D C，1963：13－28.

［5］Peckover F L，Kerr J W G.Treatment and maintenance of slopes on transportation route［J］.Can.Geotech.J，1977，14：487－507.

［6］Piteau D R，Peckover F L.Engineering rock slopes［J］.Land slide analysis and control（editor：Schouster R L and Krizek R J），National Academy of Science，1978：192－227.

［7］于怀昌，余宏明，刘汉东 .高速公路边坡滚石运动学参数敏感性研究［J］.公路，2010（4）：16－21.

［8］唐红梅，易朋莹 .危岩落石运动路径研究［J］.重庆建筑大学学报，2003，25（1）：17－23.

［9］叶四桥，陈洪凯，唐红梅 .落石冲击力计算方法［J］.中国铁道科学，2010，31（6）：57－61.

［10］叶四桥，陈洪凯，唐红梅 .落石冲击力计算方法的比较研究［J］.水文地质工程地质，2010，37（2）：59－64.

［11］连永庆.滚石与桥墩碰撞的数值仿真分析及防撞研究［D］.重庆：重庆交通大学，2011.

［12］何思明，吴 永，李新坡 .滚石冲击碰撞恢复系数研究［J］.岩土力学，2009，30（3）：623－627.

［13］何思明 .滚石对防护结构的冲击压力计算［J］.工程力学，2010，27（9）：175－180.

［14］沈均，何思明，吴永.滚石对垫层材料的冲击特性研究［J］.安徽农业科学，2009，37（17）：8286－8288.

［15］何思明，吴永，沈均.泥石流大块石冲击力的简化计算［J］.自然灾害科学，2009，18（5）：51－56.

Analysis and control of rock－fall disaster in open－pit mine

TIAN Kun1，LI Guoming1，LUO Huiliang1，ZHAO Degao1，ZHANG Jun2
（1.Saudi Arabia Branch of China National Geology ＆Mining Corporation，Saudi Arabia；2.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China）

Rock－fall is a frequent geological disaster in open－pit mine.Due to the abruptness and uncertainty，it is difficult to take some active and effect measures to prevent it.The study in this paper is based on a certain open－pit combining the stability analysis of open－pit slope with rock－fall hazard study to establish an early warning system consists of hazard identification，rock－fall numerical simulation and rock－fall prevention.Using numerical simulation to identify the hazard zone of the slope and analyze the movement path of rock－fall from the hazard zone，the distribution of impact points at the bottom of the open－pit and rock－fall velocity are got.Based on the result，we can take some targeted measures to minimize the threat of rock－fall to production and workers.

open－pit mine；rock－fall；geological disaster；slope protection

TD77

A

1671－4172（2015）05－0095－05

田坤（1987－），男，助理工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事地下矿开采设计、露天转地下境界顶柱厚度、露天转地下灾害防治等领域的研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.020