某露天矿含空区边坡稳定性分析

刘晁君，王利楠(.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 00038；.北京金风科创风电设备有限公司，北京 0076)

某露天矿含空区边坡稳定性分析

刘晁君1，王利楠2
(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2.北京金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

本文以某矿山含空区边坡突然滑坡为研究背景，为了找出造成此次滑坡的原因，预测边坡的稳定性状态，探讨此次滑坡的机理以及空区对边坡稳定性的影响。本文利用FLAC和Geo-Slope软件进行数值模拟，结合现场位移监测数据来综合判断边坡的稳定性状态，分析滑坡的机理和空区对边坡的影响。结果表明：边坡目前处于稳定状态，但是在以后的开挖过程中，铁路平台附近边坡可能会发生局部滑坡，需要重点治理；上部边坡岩体比较破碎，加上雨水入渗和爆破振动等外部因素的干扰，是造成此次滑坡的主要原因；空区对边坡的稳定不产生影响。

边坡稳定；空区；FLAC；Geo-Slope；数值模拟

影响边坡稳定的因素很多，比如：震动、降雨、采空区等。在我国许多露天矿中，由于各种原因形成了大量的采空区，采空区的存在改变了边坡内部应力分布状态，对露天矿边坡的稳定性造成严重影响，并由此带来了巨大的经济损失[1-2]。经过多年专家学者对含空区边坡的稳定性研究，取得了丰硕的成果。

申超霞等[3]针对大冶铁矿采空区回填问题，利用数值模拟计算分析了空区填充前后的塑性区、应力分布情况，对空区治理很有借鉴意义。胡建军等[4]利用FLAC3D对含空区的金矿边坡进行数值模拟计算，通过比较边坡安全系数和剪应变增量来评价边坡的稳定性。唐胜利等[5]通过分析空洞型采空区稳定性的影响因素，依照BP神经网络原理，构建出适合空洞型采空区稳定性评价的BP神经网络模型，并应用检测样本检测其准确性，取得了合理的结果。刘殿军等[6]采用有限差分法和极限平衡法分析了空区的大小和位置对边坡的稳定性的影响规律，该规律对地下开采转露天开采很有指导意义。

本论文以某露天矿铁路平台滑坡为研究背景，采用FLAC2D和Geo-Slope软件进行数值模拟，结合现场变形监测来综合分析边坡的稳定性状态，探讨造成此次滑坡的机理，研究空区对边坡稳定性的影响。

1 工程概况

该露天铁矿年生产400万t铁矿石，生产状态良好。但是，从2014年秋季开始，采区北帮248铁路平台突然出现下沉现象。边坡下沉速度由快到慢，到2015年3月份，变形基本稳定，没有继续下沉的趋势。通过现场测量，测算248平台个别区域最大下沉量将近1 m。通过一系列地质勘探手段，已经发现北帮边坡中部和下部存在大量采空区，这些空区密密麻麻主要存在于边坡的下部，具有空间大、分层多、分布凌乱、时间久等特点。这些空区或大或小，形状各异，严重影响边坡的稳定。为了保障矿区的安全生产，必须对北帮进行稳定性评价，找出滑坡的原因，探究滑坡的机理。为此，通过现场的地质踏勘、节理裂隙的测量分析、钻孔实验、岩块的室内实验以及对地质资料的收集、整理和分析，最后在北帮选择1个较危险的剖面进行稳定性分析(图1)，显示了最终的设计边坡和现状边坡。

2 数值模拟分析

利用FLAC[7]和Geo-slope[8]软件对典型剖面现状及开采过程进行数值模拟，所用岩体力学参数见表1。通过对塑性区分布、水平位移、垂直位移和最大剪应变增量、潜在滑移面和边坡安全系数的分析，来综合判断边坡在开挖过程中的稳定性情况，研究边坡变形滑坡的机理。

图1 含空区边坡模型

表1 数值模拟选用的岩体力学参数

2.1 边坡稳定性分析的假定

由于空区走向与边坡走向所成角度的不同对边坡的影响也不同：如果空区走向与边坡走向垂直，那么空区只对附近局部边坡的稳定性有影响；如果空区走向与边坡走向平行或者相差很小角度，则空区影响整个边坡的稳定性。空区的形状也不规则，所以特别对空区作如下假设：①将地下空区断面假定为规则的四边形；②假设地下空区走向与坡面平行或者近似平行。通过以上假设，地下采空区对边坡稳定的影响就可以看作是一种平面应变问题来计算考虑。

由于边坡稳定系数F是通过极限平衡法获得，这里没有考虑降雨入渗和爆破震动等不利因素，根据相关工程经验，一般要对它进行折减，即乘以一个折减系数，这里取折减系数K=0.85，所以最终边坡安全系数为Fs=F×K。在矿山开采中所形成的边坡为非公共边坡，对公共安全威胁较小，故为了保证矿山的经济效益，允许边坡出现局部小范围的垮塌，边坡稳定系数可以适当降低。结合边坡稳定性判别准则[9]和矿山生产经验，定义边坡稳定性状态：若安全系数Fs≥1.15，则边坡状态为稳定；若1.05≤Fs<1.15，则边坡状态为欠稳定；若Fs<1.05，则边坡为不稳定。

2.2 计算结果及分析

图2～6分别为边坡开挖到不同水平时塑性区分布、水平位移、垂直位移、最大剪应变增量和垂直条分图计算结果，表2为剖面1边坡开挖到不同水平时的安全系数。

各开挖阶段坡面附近均发生剪切破坏，空区附近产生拉伸破坏，这是因为开挖坡体产生应力卸荷作用，使得坡面岩体发生剪切破坏，而空区附近拉应力比较集中，故产生了拉伸破坏。

由于边坡的开挖，岩体都向凌空面运动，尤其是坡面附近的岩体。该坡面各开挖阶段的位移变形量不大，水平位移最大为20 cm，竖向位移最大为12.5 cm，空区附近位移变形不大，说明空区附近岩体变形达到稳定状态。边坡开挖到80 m水平和56 m水平最大位移相同，说明开挖到最后阶段，边坡变形达到了稳定状态，并且最大位移始终处在边坡的上部。

图2 剖面1开采到不同水平边坡塑性区分布图

图3 剖面1开采到不同水平边坡水平位移分布图

图4 剖面1开采到不同水平边坡竖向位移分布图

图5 剖面1开采到不同水平边坡最大剪应变增量云图

图6 剖面1开采到不同水平边坡垂直条分图

图5显示边坡最大剪应变增量云图，该最大剪应变在各个阶段几乎没有发生变化，均呈弧形位于边坡上部，与位移最大变形量趋势相符。图6是用Geo-Slope模拟得到的边坡垂直条分图，该图显示了边坡的潜在滑移面，各开挖阶段的滑移面变化不是很大，均位于边坡上部，与最大剪应变发展趋势相近。

表2为边坡各开挖阶段，4种极限平衡法计算的安全系数，由表可知，安全系数从现状边坡到最终境界边坡安全系数变化不大，这是由于边坡潜在滑移面改变不大。通过比较4种方法得出的计算结果，安全起见，确定最小值为边坡的安全系数，表3为边坡稳定系数折减结果。 由表3可知，最终边坡安全系数在现状阶段安全系数最大，为1.21，边坡处于稳定状态；但是在开挖过程中边坡安全系数在1.05～1.15之间，处于欠稳定状态。在开挖128 m平台和104 m平台过程中，安全系数变化较大，但是开挖后面两个平台过程中，安全系数变化不大。

表2 边坡稳定性系数计算结果

表3 边坡稳定性系数折减结果

根据边坡塑性区图、最大剪应变增量云图和边坡的潜在滑移面可以确定边坡的潜在破坏模式为单纯圆弧剪切破坏，由图5和图6比较可知，最大剪应变的增加趋势同Geo-Slope确定的潜在滑移面近乎相同，所以增加了由该潜在滑移面确定出的边坡稳定系数可靠度。由于边坡下部是磁铁矿，岩体结构和物理力学性质较好，故在开挖80 m平台和56 m平台时，位移变形和安全系数相同，说明下部磁铁矿的开挖不影响上部岩体的变形，对边坡整体稳定性也影响不大。

3 铁路平台位移监测

248铁路平台发生下沉以后，矿山相关部门立即组织工作人员对边坡进行监测，掌握边坡变形情况。监测工作的主要任务是针对何家采区铁路平台下沉情况，根据实际地质环境和工程地质特征，建立完整的、长期的位移监测网，以确定变形关键部位，突出重点。同时还可以监测边坡剧烈下沉后的位移变形规律，预测边坡的稳定性情况，为边坡治理和开挖提供设计依据。

滑体位移监测采用地表埋桩观测方法，在248铁路平台按设计位置浇筑钢筋混凝土监测桩，见图7和图8。观测桩是在2014年11月开始制作，2014年12月8日第一批观测桩投入使用并开始第一次观测，随后又投入2批观测桩，共计40根，主要分布在248铁路平台剖面1和剖面3之间，地表位移采用全站仪监测边坡岩体的绝对位移变化情况。从严格意义上讲，是观测滑坡以后边坡的变形情况，统计部分测点水平和垂直位移的累计值见表4和表5。通过定期、长期观测，掌握边坡变形移动规律，判定边坡稳定程度。

图7 铁路平台钢筋混凝土监测桩

图8 观测点平面布置图

选取部分观测点的数据进行统计分析，选取的9个点均位于剖面附近，因为那块区域沉降较大。统计9个点从2014-12-08到2015-07-03的位移监测数据，将每个点的位移随时间的变化情况用折线表示出来，来最终表示监测点的移动趋势情况，见图9和图10。由图9、图10可知，各测点位移形变量趋于稳定，滑体没有继续下滑的趋势，水平位移最大变形量在3号点测定，为570 mm，竖向位移最大变形量在4号点测定，为216 mm。水平位移累积量一直在增加，说明监测桩一直向凌空面移动；而竖向位移累计量时而增加，时而减少，说明监测桩不是一直在向下运动，不过长期来看整体趋势还是向下运动。

图9 各测点水平位移变化趋势

图10 各测点竖向位移变化趋势

通过7个多月的观测，总体来看，边坡还在微小的移动，但位移变化率渐趋于稳定。边坡还在移动的原因可能是一些填埋的石子逐步压实的结果，因为在第一次铁路平台突然下沉后，为了不影响铁路的正常运行，而对下沉区域进行了石子填埋处理。通过现场的实际调查，铁路平台下部边坡没有明显的隆起、变形等特征，铁路平台变形也趋于稳定，边坡在近期不会发生大的滑坡。

4 边坡稳定性综合分析

1)边坡潜在滑移面贯通248铁路平台及其以下3～4个台阶，由于边坡下部岩体的整体性和物理力学性质都比较好，故对边坡下部岩体的开挖，对上部边坡影响很小，所以潜在滑移面在各开挖阶段均变化不大。数值模拟得出的潜在滑移面是由短折线组成的弧形，近似对数螺旋曲线，边坡的潜在滑移模式为单纯的剪切圆弧滑动，这是由于边坡上部岩体较破碎，岩体内剪应力超过滑动面的抗剪强度，致使滑坡体沿弧形滑面下滑。

2)由于边坡开挖，使得坡面附近的岩体严重受到卸荷作用的影响，在应力重新达到平衡的过程中，坡面附近岩体向凌空面移动。由位移云图可知，竖向位移最大值出现在248铁路平台上，水平位移最大值出现在潜在滑坡体出口处，符合现场的实际情况和滑坡机理。由于边坡下部岩体质量要好于上部岩体，故边坡上部岩体位移变形较大，边坡上部有可能发生局部滑坡。

3)空区集中分布在边坡的中下部，空区位于滑移面之外，并且空区存在时间比较长，周围岩体变形趋于稳定，没有发生垮塌的危险，所以不会对边坡稳定产生影响。北帮中下部空区不影响边坡的稳定，也不会导致248铁路平台的突然下沉。248铁路平台突然下沉，又在一段时间内趋于稳定，可能与降雨及爆破振动有关。由于边坡上部岩体比较破碎，降雨渗透会降低滑移面的抗滑力同时又增加滑坡体的重量，使得抗滑力小于下滑力，会使得边坡突然下滑。待天气转晴，水分蒸发完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力减小，故滑坡体又慢慢趋于稳定。露天矿爆破作业所产生的震动力，一是增加了边坡的滑动力，二是破坏了边坡岩体的完整性，降低了岩体的强度，从而降低了边坡的抗滑力，也会使边坡突然滑坡。

4)边坡在不同开挖阶段由FLAC确定的潜在滑移面和Geo-Slope确定的潜在滑移面几乎相同，这样就增加了由极限平衡法计算得到边坡安全系数的可靠度。经计算系数折减得到最终边坡的安全系数，边坡在现状阶段的安全系数大于1.15，处于稳定状态；但是在随后的开采过程中，边坡稳定系数均小于1.15且大于1.05，处于欠稳定状态。

5)结合数值模拟的结果和现场监测桩的监测数据，边坡变形趋于稳定，北帮边坡在近期不会发生大滑坡。目前虽然不会发生大滑坡，但是随着开挖的进行，248铁路平台及其以下几个台阶存在局部滑坡的危险，需要重点治理。

5 结 论

1)空区主要位于边坡的中下部，处于潜在滑移面之外，不会对边坡的稳定造成不利影响。248铁路突然下沉可能与降雨和爆破振动有关，因为降雨会降低滑移面的抗滑力同时又增加了滑坡体的重量，使得抗滑力小于下滑力，会使边坡突然下滑。待天气转晴，水分蒸发完全，滑移面的抗滑力增加，下滑力减小，故滑坡体又慢慢趋于稳定。露天矿爆破作业所产生的震动力，一是增加了边坡的滑动力，二是破坏了边坡岩体的完整性，降低了岩体的强度，从而降低了边坡的抗滑力，也会使边坡突然滑坡。

2)现状边坡变形趋于稳定，但是248铁路平台及其以下几个台阶的仍有局部滑坡的危险，因此在开挖过程中需要采取一定的措施，提高边坡的稳定性，如靠帮时采取减震爆破，减少雨水的入渗或降低一定的边坡角。

3)出现铁路平台滑坡的根本原因是该区域边坡岩体裂隙发育破碎，局部3～4个台阶比较陡峭，容易发生滑坡。由于岩体比较破碎，滑坡的破坏模式是单纯的剪切圆弧滑动。

4)为了保证铁路的正常运行，不影响矿山的正常生产，建议对248铁路平台以下第3个台阶或第4个台阶进行预应力锚索加固处理，阻挡滑坡体的出口，防止铁路附近边坡再次发生滑坡。

[1] 万文.地下空区对边坡稳定性的影响研究[D].长沙：中南大学，2006.

[2] 肖超，郑怀昌，武文治，等.基于集对分析的石膏矿采空区稳定性评价[J].中国矿业，2014，23(10)：107-110，114.

[3] 申超霞，宋园园，王如坤，等.大冶铁矿采空区稳定性模拟分析[J].金属矿山，2014(6)：46-49.

[4] 胡建军，黄玉柱，吴鹏，等.复杂空区群影响下矿山边坡稳定性数值模拟[J].金属矿山，2013(11)：25-28.

[5] 唐胜利，唐皓，郭辉.基于BP神经网络的空洞型采空区稳定性评价研究[J].西安科技大学学报，2012(2)：234-238，258.

[6] 刘殿军，韩连生，卢晓辉.弓长岭露天矿含空区边坡稳定性研究[J].金属矿山，2015(11)：1-6.

[7] 陈育民.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[8] GEO-SLOPE International Ltd.边坡稳定性分析软件SLPOE/W用户指南[M].北京：冶金工业出版社，2011：4-28.

[9] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2002：18-42.

Analysis of stability of slope with goafs in a open-pit mine

LIU Chaojun1，WANG Linan2

(1.BGI Engineering Consultants Ltd.，Beijing 100038,China；2.China Goldwind Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)

In this paper，the research background is the sudden landslide of the slope with goafs in a certain mine is studied.In order to find out the causes of the landslide，predict the stability of the slope，explore the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the stability of the slope.FLAC and Geo-Slope software are used for numerical simulation in this paper.Combined with the field displacement monitoring data to comprehensively judge the stability state of the slope，and analyze the mechanism of the landslide and the effect of goafs on the slope.The results show that the slope is in a stable state，but in the later excavation process，the slope near the railway platform may be local landslide，which needs the key treatment.Relatively broken rock mass in the upper slope，and the interference of external factors such as rain infiltration and blasting vibration is the main cause of the landslide.Goafs have no influence on the stability of the slope.

slope stability；goaf；FLAC；Geo-Slope；numerical simulation

2016-09-21 责任编辑：刘艳敏

刘晁君(1987-)，男，汉族，甘肃白银人，工程师，学士，主要从事工程勘察和边坡治理方面的工作。

王利楠(1988-)，男，汉族，河北张家口人，工程师，硕士，主要从事塔架基础研发方面的工作。

TD804

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1004-4051(2017)06-0121-05