乌拉根露天边坡稳定性分析及优化设计

陈庆坤

(1.厦门紫金工程设计有限公司；2.紫金矿业集团股份有限公司)



乌拉根露天边坡稳定性分析及优化设计

陈庆坤1,2

(1.厦门紫金工程设计有限公司；2.紫金矿业集团股份有限公司)

摘要为使露天开采的经济性与安全性达到最优平衡，运用数值模拟法对矿山边坡稳定性进行分析，找出边坡潜在滑动面位置，运用极限平衡理论计算不同边坡角下的安全系数，在边坡允许安全系数范围内选取最优边坡角。采用该方法对乌拉根露天铅锌矿边坡进行优化，在降低剥离工程量同时，保证了边坡的稳定性。

关键词边坡稳定性分析极限平衡法数值模拟

对露天矿山而言，边坡问题始终影响着矿山的安全生产和经济效益。较小的边坡角可确保生产过程中开采设备和人员的安全，但难以保证其经济效益；边坡角过大，虽然能在一定程度上降低了剥离成本，但容易留下安全隐患。因此，合理选取露天矿最终边坡角，使开采在安全性和经济性之间达到最优平衡，是解决该问题的关键[1]。

目前，露天边坡设计中通常是根据矿山的地质条件和工程需要，选取一个较为保守的边坡角圈定露天坑境界，然后对其进行稳定性评价和分析以验证，调整边坡角度，满足安全或经济要求。这种方式多是依赖设计人员的经验判断，具有很大的主观性，而边坡稳定性评价与分析则多是对选取的边坡角度进行安全验证，难以满足矿山的经济性要求，易造成工程浪费。为此，本文运用数值模拟法计算出边坡潜在的滑动面[2]，选取合适的边坡角度范围，逐步改变边坡角的大小，用极限平衡法求出安全系数，得出安全系数对应边坡角的变化曲线，从而求出最优边坡角。

1基本原理

数值模拟法适合用于分析边坡的失稳过程，考虑了岩土体变形的影响，但却不足以给出物理意义明确的安全系数。极限平衡法的物理意义清晰明了，但需要事先假定潜在滑动面的位置。鉴于数值模拟和极限平衡法的优缺点，将两者结合起来对边坡稳定性进行分析。

(1)根据工程地质、试验资料，结合采矿条件，对研究区的地质情况进行分析和评价，确定合理的岩体力学参数、初始边坡角。

(2)建立边坡数值模型，采用折减强度法计算边坡稳定性系数，得出边坡塑性区，确定边坡潜在滑动面[3]。

(3)建立边坡稳定性计算的极限平衡模型，计算出边坡稳定性系数。

(4)逐步增加或降低边坡角，计算不同角度下的边坡稳定性系数，得出边坡稳定性系数与边坡角的关系曲线。

(5)根据露天边坡的工程地质状况和服务年限，确定边坡安全系数阈值，从而选择满足安全条件的最优边坡角[4]。

2工程背景

乌拉根露天矿位于乌拉根盆地内，区内构造主要为乌拉根向斜。边坡矿区岩体质量差，遇水易软化，其大型滑坡类型可考虑为似圆弧型滑塌和平面型滑塌。矿山南翼边坡分布于矿体下盘，高度325 m，由14个高24 m、坡面角为55°的台阶组成，总体边坡角42°。北翼边坡分布于矿体上盘，高度240 m，上盘总体边坡角40°，局部52°。建立的边坡模型如图1所示。

边坡岩体质量较差，参照《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)，确定岩体粘聚力强度峰值为0.2～0.7 MPa，结合岩体力学试验及矿区内各类岩体的地质及结构特征，计算选取岩体力学参数，见表1。

3数值模拟

根据图1进行数值模拟计算。一步骤开挖至 2 178 m，二步骤开挖至2 058 m，三步骤开挖至 1 962 m，最后对开挖形成的边坡进行折减强度计算，得出上、下盘边坡的折减强度系数。边坡破坏时的临界位移云图和矢量云图见图2。

计算结果表明，静载条件下，北翼边坡临界破坏时的最大位移为0.49 m，最大剪应变发生在坡脚处，边坡稳定性系数为1.88；南翼边坡临界破坏的最大位移为1.72 m，最大剪应变发生在距坑底第二台阶处，边坡稳定性系数为1.26。

图1　边坡开挖模型

岩层容重/(kN/m3)杨氏模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa摩擦角/(°)粘聚力/MPaN1-N225.040.40.271.73350.50E1W522.340.40.372.10360.26E1W422.258.60.243.36280.25E1W323.730.20.351.73330.20E1W223.555.90.222.60280.25E1W123.02.30.351.07320.24

图2　边坡临界破坏时的位移云图与剪应变云图

4极限平衡计算

根据数值模拟计算得出的边坡临界破坏剪应变云图，可初步确定边坡破坏时的潜在滑动面,由此可用极限平衡法计算边坡安全系数。采用Bishop法，计算不同边坡角度下的稳定性系数，结果见表2。

表2　不同角度下的边坡稳定性系数

根据《有色金属设计规范》(GB 50771—2012)，并考虑露天坑服务年限、工程规模、边坡上是否有重要构筑物等因素，确定边坡允许安全系数：北翼边坡布置有固定运输道路，允许安全系数应取大值，取1.30，南翼边坡允许安全系数取1.15。根据表2可判断边坡角度的合理区间，其中北翼边坡高度较小，稳定程度较好；南边坡由于高度较大，加之岩体强度较低，稳定性差。据此，北翼边坡合理边坡角为47°；南翼最终边坡合理边坡角为44°。

5结论

介绍了露天矿山边坡稳定性分析及边坡优化设计流程，提出采用数值模拟与极限平衡理论相结合的边坡角优化设计思路，使整个设计过程清晰、直观。运用该方法对乌拉根露天铅锌矿的边坡进行优化，确定了合理的最终边坡角，对边坡优化有很好的指导作用。

参考文献

[1]张新建,国利民,杨国华,等.基于极限平衡理论的最终边坡角稳定性分析[J].矿业工程,2010,8(1):11-14.

[2]曾亚武,田伟明.边坡稳定性分析的有限元法与极限平衡法的结合[J].岩石力学与工程学报,2005,24(S2):5355-5359.

[3]刘明维, 郑颖人.基于有限元强度折减法确定滑坡多滑动面方法[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8): 1544-1549.

[4]陈建宏, 钟福生,杨珊.基于有限元折减强度法与极限平衡法结合的岩质边坡稳定性分析[J].科技导报,2012,30(11):38-42.

(收稿日期2015-10-23)

陈庆坤(1986—)，男，硕士研究生，361006 福建省厦门市。