某露天矿边坡稳定性分析

孙周果，杨 溢，李 睿

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

某露天矿边坡稳定性分析

孙周果，杨 溢，李 睿

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

某露天矿开采深度日益加深，采场上部边坡的稳定性直接关系到矿山的经济命脉。本文以某露天矿西南帮边坡实况为例，结合Slide工程软件建立边坡模型然后进行稳定性分析。其中Slide稳定性计算主要以极限平衡法为主。bishop和janbu两种计算方法的分析结果均说明边坡稳定性没有达到安全标准。为提高边坡稳定性，降低事故发生率，避免因事故造成的不必要的人身财产损失，从爆破技术优化、建立地表水拦截系统、疏排地下水及局部加固等方面提出相关治理措施。

露天矿；稳定性分析；加固措施

0 前 言

大型露天矿山经历数十年的开采，开采深度不断加深，受经济效益的影响，大部分矿山已经由露天采矿转为地下采矿。然而裸露的边坡岩石长期受到风化、雨水冲刷的影响，外部岩石物理力学强度降低很多，如果采场边坡管理不到位，在矿山运输车辆的荷载作用以及地下采场的爆破震动等不利因素的影响下，那么发生滑坡灾害的可能性会很大。边坡失稳不仅会对生态环境造成很大的危害，同时很大程度增加了矿山的经济投入，因此，提前做好边坡防治监测措施，加强隐患边坡治理，强化生产人员安全意识等对矿山的安全生产意义重大。

针对解决露天矿边坡稳定性的问题，胡斌等［1］采用三维有限差分程序模拟优化最终边坡角；贾住平等［2］提出了利用监测系统检测边坡滑移变动并采取锚杆和混凝土回填的办法；何俊才等［3］通过事故树法分析出了导致边坡失稳的因素并做出相应的改善措施；郑惠峰等［4］提出利用块体单元极限分析法来处理岩体边坡安全问题。本文根据某矿山的具体情况，通过Slide软件的分析并提出合理的治理方案，从源头上消除危险有害因素。用经济合理的防治加固措施达到规定的安全性要求，从而提高边坡的安全系数，降低事故发生率。

1 工程背景

1.1 矿区采场现状及地形

从矿山提供的资料及实地观摩学习可知。矿区四周高山环绕，地势由北西向南东倾斜，相对高差为250 ～ 550 m，属于剥蚀地貌的山体。矿体走向北东，倾向北西，倾角为53 （o） ～ 62 （o）。目前矿山开采深度已经达到了270 m，矿区台阶高度为12 ～ 15 m，工作台阶坡面角70 （o） ～ 75 （o）。

矿区矿床形成过程中经历了复杂的地质变动，采区地质条件复杂多变，岩石类型较多，岩性变化较大，岩层产状较稳定，断层发育，岩体破碎现象十分显著，不同时期岩脉相互穿插，地质结构复杂。而且由于矿山规模大，露天开采剥离岩石量较大，采场边坡最终多为高陡边坡，开采过程中的边坡服务年限长短也不一。所以边坡稳定性受很多因素制约。

1.2 矿区滑坡诱发因素

滑坡诱发因素很多，一般分为地形、岩性、地质构造等强度因素和违反自然规律、破坏斜坡稳定性条件等人为因素。此次主要结合矿山实际现状分析总结出以下滑坡诱发因素。

1） 地质条件。矿区内构造裂隙比较发育，主要分布于风化带下部，构造裂隙延伸超过600 m，多为脉状承压水，构造裂隙含水层较深。同时，岩体结构面存在的节理、断层、裂隙、层间错动及软弱夹层等直接影响到了岩体的变形、破坏程度［2］；

2） 水文条件。大量地表水经岩体裂隙渗流到坡体内，地下水形成的动水压力、静水压力及水对岩层的软化作用都会让非均质岩体之间约束力、强度下降。查监测资料可知矿区历史日最大降雨量曾达到118.0 mm，降落到地表的大量雨水会对边坡上部发育较厚的第三系昔格达层及第四系表土有冲刷作用，雨水夹杂大量被冲垮的松散岩土体下流，将对下部稳定性较差的边坡形成冲击作用，进而导致滑坡灾害。

3） 爆破及运输载荷。矿区生产爆破引起的应力波会对岩层形成巨大的破坏作用，造成岩层间裂隙扩大，强度降低。因此爆破产生的应力波对边坡稳定性影响极大。

矿区道路满足生产需要，设计为二级露天矿道路，运输车辆为100 t自卸矿车，长期运输给地面带来的荷载会对地面岩层造成破坏，对运输段坡面也会造成很大的影响。

2 边坡稳定性分析方法

边坡工程稳定性计算分析的方法主要有能量法、有限元法和极限平衡法等三种［5］。三种方法都存在优势与不足。能量法虽然涉及到了土体的应力应变关系，但由于滑动面设定的局限性，其精度并不是很高。有限元法虽然在应力应变考虑上有了进一步提升，但因材料本构关系与岩土实际性质的差异很大，所以有限元法分析结果不太理想。极限平衡法在分析过程中虽然也存在不足，但是相对来说它的理论发展比较完善，在大量工程实例中得到了广泛利用及认可。

在稳定性计算方法中，极限平衡法的理论步骤是将潜在滑动区域内的岩体划分为多个小块体，最后利用块体建立平衡方程来进行稳定性计算。这种方法因为模型建立简便、公式简单、能解决多种剖面形状等优点而得到广泛应用。此次我们在考虑采场边坡地质条件，岩体物理力学参数和边坡稳定性影响因素的前提下来分析破坏形式。主要选用Slide工程软件中的Bishop和Janbu两种极限平衡方法进行分析计算。其中Bishop法是考虑力矩中心的平衡点和垂直力的平衡，而Janbu法是考虑水平与垂直两个方向的力平衡，他们分别根据自己考虑的平衡条件来列举平衡方程，最终求得安全系数的解。

2.1 摩尔—库仑强度准则

当坡体随滑动面滑动时，坡体内部一点达到极限平衡的状态，即：

2.2 安全系数

安全系数有两种常规定义方法：a通过加大外力以达到极限平衡状态，具有超载系数的性质；b通过降低材料的强度达到极限平衡状态，具有强度储备系数的性质。安全系数即滑面上的抗剪强度与达到平衡所须的剪应力之比［6］：

3 模型创建及稳定性计算

3.1 剖面选取及参数确定

此次露天采场边坡属于工程地质条件复杂的边坡，采场长度、宽度很大，矿山将采场分为多个分区，各分区的开采深度、边坡形状、地形条件和坡体内部岩层构成都不相同。现场各分区边坡均出现不同程度的破坏，从收集到的资料分析可知，矿区西南帮相对于其他边帮有发生平面滑移的可能。所以此次分析将以采场西南帮（Ⅲ区）为分析体。Ⅲ区边坡的倾角为10 （o） ～ 30 （o），最终坡角为40 （o）～ 47 （o），边坡形状为凸型，最终坡高为260 m。

根据从矿山取得的数据，本次将利用86号勘探线资料构建一个均质，无地下水，无地震影响的边坡模型进行分析计算。边坡从上至下岩体依次为第四系表土、细粒辉长岩及粗粒辉长岩。模型建立所需各岩体物理力学性质如表1所示。

表1 岩体岩石物理力学参数

在充分了解矿区现有采矿工艺、运输线路布设及各种约束条件的情况下，并根据采场各分区的地质构造、岩性、岩体结构类型、节理裂隙分布规律、地下水的特性，采场边坡现有的几何形态以及它们之间的相互关系等因素。查阅《滑坡防治工程设计与施工技术规范》［7］可知本次露天矿山边坡实际矿区情况属于Ⅱ级边坡设计要求。综合此次模型建立没有考虑到生产爆破（或地震）和地下水影响等因素对边坡稳定性的影响，查阅《建筑边坡工程技术规范》［8］Ⅱ级边坡的达标安全系数至少取 1.30。

3.2 稳定性计算及分析

Ⅲ区边坡岩体分布特征为细粒辉长岩层与粗粒辉长岩层相交错，边坡顶部堆积着一层15 ～ 25 m厚的第四纪堆积物。

86号勘探线南帮（即Ⅲ区）通过Bishop法计算的边坡安全系数如图1所示。Ⅲ区通过Janbu法的计算结果如图2所示。将边坡各岩层的物理力学性质导入模型之后计算得到的安全系数如表2所示。

图1 Ⅲ区Bishop法计算结果

图2 Ⅲ区 Janbu法分析结果

从表二计算分析结果来看，Bishop和Janbu两种方法对Ⅲ区边坡的模拟计算结果均没有达到边坡等级安全系数1.30，说明Ⅲ区边坡处于不稳定状态。

表2 Ⅲ区边坡稳定性计算结果

Ⅲ区边坡由于细粒辉长岩与粗粒辉长岩的接触带强度较弱，故推断此边坡可能会发生沿接触带的复合型平面剪切破坏，从而引起滑坡。

4 结 语

通过Slide工程软件对该矿区西南帮边坡安全性系数进行了模拟计算，得出以下结论：鉴于模型只是依据采场现状参数和岩体力学参数而建立的，并且计算结果没有达到标准安全系数，断定矿山西南边帮为不稳定坡体。由于矿区岩层地质条件比较发育，岩体物理性质相对较弱，且存在的爆破、水文、运输载荷等滑坡诱发因素，容易发生滑坡灾害。所以针对相应的情况提出以下几点边坡维护治理建议。

1）为满足露天开采规模扩大采用的较高台阶高度，大孔径炮孔和高爆炸药造成的后冲破碎和超深破裂，坡面松动岩石的增多。因此临近边坡的爆破生产需要采用减震爆破、预裂爆破等控制爆破技术来减弱冲击波对坡体的损害。

2）拦截地表水。需要在采场上部和中部易积水渗水地段建立一套排洪系统来拦截大量的地表水。避免地表水冲刷边坡表层岩土体及渗入坡面内的地下水对岩层的软化侵蚀作用。

3）疏排坡体内地下水，地下水压力会造成岩层抗剪强度降低。因为构成边坡的岩体类型渗透系数很低，这给有效疏干地下水带来很大的困难。因此截流系统需要和地下水疏干措施相结合才能使地下水的影响降到最低。

4）局部的加固及维护，由于边坡局部构造发育，长年累月的风化作用将造成岩土体强度降低，岩体质量变差，进而引起小面积的滑坡，为保证矿山安全生产，可采用抗滑桩加固给潜在滑动面进行固定，为基岩稳定性提供保障。或者也可采用喷浆支护进一步加强支护岩体的强度，同时也可起到防止边坡外部岩层风化脱落的作用。

［1］ 胡斌，王伟，张腾等.露天矿最终边坡角优化设计模拟分析［J］.金属矿山，2013（9）：14-18.

［2］ 贾住平，郑禄璟，郑禄林.露天边坡大型滑坡稳定性分析与治理方案［J］.金属矿山，2014（5）：27-31.

［3］ 何俊才，朱恒忠.基于事故树理论的露天矿山边坡失稳分析［J］.现代矿业，2014（7）： 12-14.

［4］ 郑惠峰，陈胜宏，吴关叶.岩石边坡稳定的块体单元极限分析上限法［J］.岩土力学，2008，11（29）：323-327.

［5］ 王珣，张斌，宋保强.边坡稳定性分析及治理设计软件Slide CAD的开发［J］.岩土工程技术，2006（6）：39-41.

［6］ 吕擎峰.土坡稳定性分析方法研究［D］.江苏南京：河海大学，2005，（7）：12-14.

［7］ 中华人民共和国地质矿产行业标准.DZ/T 0219-2006 滑坡防治工程设计与施工技术规范［S］.2006.

［8］ 中华人民共和国建设部.GB 50330-2002 建筑边坡工程技术规范［S］.北京：中国建筑资讯网，2002.

［9］ 张文平，胡建华，林允.多因素作用下的露天矿边坡稳定性分析［J］.现代矿业，2015，（3）： 10-12.

［10］ 倪彬，张伟，刘晓明.基于Slide的露天采场边坡稳定性分析［J］.中国矿山工程，2013，（9）： 9-13.

［11］ 赵元章.露天矿滑坡灾害及其防治［J］.甘肃冶金，2010，（4）： 12-14.

Slope Stability Analysis of an Open Iron Pit M ine

SUN Zhouguo，YANG Yi，LIU Rui
（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

W ith the increasing of an open-pit m ining depth， the slope stability of the upper slope is directly related to the mine's econom ic lifeline. In this paper， the southwest open-pit m ine slope makes as an example. The stability analysis of the slope model was built w ith the software Slide. The main use calculations method of stability analysis is limit equilibrium. The slope stability analysis in the calculation of Janbu and bishop methods shows that the slope did not meet the standard degree of safety. In order to improve the coeff cient of slope stability， reduce the possibility of the accident， to avoid unnecessary accident caused by the loss of personal property， Special methods are put forward to utilize the control blasting technique， establish an interception system of surface water， unchoke the groundwater and consolidate partial of the slope.

Open-pit m ine；Slide；Stability analysis；Safety measures

TD854+.6

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.016

2016-06-17

孙周果（1992-），男，云南曲靖人，在读硕士研究生，研究方向：安全技术及工程，手机：18087065631，E-mail：279821421@qq.com.；通信作者：杨溢（1965-），男，博士，教授，研究方向：岩土及爆破工程方面研究.