露天矿凸边坡稳定性分析与优化设计

陈 徵

（煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司 矿井设计一所，河南 郑州 450000）

露天矿凸边坡稳定性分析与优化设计

陈 徵

（煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司 矿井设计一所，河南 郑州 450000）

针对露天矿凸边坡稳定性较差的问题，以白音华一号露天矿东帮工程地质条件为基础，基于刚体极限平衡理论和强度折减理论，定量评价该矿山凸边坡的稳定性，并对其进行了优化设计。通过在坡面处设置水平位移监测点监测位移变化特征。

露天矿；凸边坡；监测；边坡稳定性

0 引 言

边坡稳定性是露天开采领域的重要研究课题，直接影响露天矿山的安全效益及经济利益。国内大型露天矿山边坡高度达到数百米，边坡角每增加1°，其剥离量可减少数千万m3，带来的经济效益是非常可观的[1]。因此，露天矿在形成到界边坡时往往在下部进行局部加陡，造成整体边坡坡面局部凸起，形成凸边坡，相对于平面边坡、凹形边坡其稳定性较差。统计的300个滑坡资料中，凸形边坡占49.3%，平面边坡占37.3%，凹形边坡占13.4%[2]，因此对于凸边坡稳定性的研究具有重要的研究意义。

对于凸边坡稳定性的研究可追溯至20世纪70年代。蒋斌松等[3]对张裂缝和静水压力的凸边坡进行极限平衡原理分析，并对函数极值进行求导分析，确定张裂缝、静水压力及地震力对凸边坡的影响进行分析，建立了最不利滑动面倾角和最小安全系数的解析计算公式。李静涛等[4]基于IBIS-M监测系统对于安家岭露天煤矿凸边坡变形进行监测，进而对矿体边帮微小变形进行评价分析，确定该矿山边坡变形的发生区域，并反映该矿山凸边坡的变化规律。近些年，随着计算机技术的高速发展，基于RFPA2D、FLAC3D等计算机模型对于凸边坡稳定性的分析逐渐引入到边坡评价体系中。曹兰柱等[5]基于平庄西露天矿凸边坡的地质条件，应用RFPA2D模型进行边坡岩体破坏过程进行数值模拟，并应用FLAC3D理论进行应力、位移分析，将分析结果与刚体极限平衡分析法进行比对，取得了良好效果,进而确定平庄西露天矿深部开采境界最终帮坡角。

白音华一号露天矿东帮靠帮开采过程中，三系地层以下形成的局部边坡角高达41°，边坡局部加陡形成凸边坡，造成2#煤顶板在距坡脚65 m附近出现地裂缝现象。地鼓区边坡稳定与否直接关系到露天矿山的安全生产，一旦滑坡将严重影响露天矿的经济效益和社会效益。对于这类特殊坡面形态的边坡稳定性问题，传统的刚体极限平衡理论无法分析边坡岩体内部变形破坏的发生和发展过程，不能揭示滑坡机理[3]。因此，以白音华一号露天矿东帮凸边坡为研究对象，采用刚体极限平衡理论与数值模拟相结合的手段，对凸边坡稳定性进行定量评价，揭示凸边坡变形破坏机理，并对其进行优化设计，进而解决了白音华一号露天矿东帮凸边坡的安全问题，同时为类似边坡稳定性问题提供借鉴。

1 边坡工程地质特征

白音华一号矿东帮揭露的地层自下而上依次是白垩系煤系地层、第三系、第四系。白垩系是主要煤系地层，煤质为褐煤煤质，厚度变化为3.5～14.5 m，力学性质稳定；第四系主要由细砂、中砂、粉砂质黏土及砾砂等构成，区内普遍发育厚度变化在3.50～17.35 m，其岩体结构形状态为细颗粒均匀介质，力学性质各向同性，属不稳定土体，受地下水作用易于流动，地下水会加剧边坡失稳。第三系主要为棕红色黏土层，赋存厚度小于28.20 m，因系泥质胶结并呈半胶结状，故岩体固结程度较差，可视为均质连续的介质。该黏土层粘结性较强，一般呈硬塑状，风干后破碎，由于其亲水性好，工程地质性质差，边坡失稳率亦高。

东帮在靠帮过程中，在三系地层以下形成凸边坡，通过在地鼓区挖掘探槽发现2#煤顶板存在有以泥岩、炭质泥岩为主的软弱夹层，其控制该区边坡的稳定性。2#煤顶板在距坡脚65 m附近出现地裂缝现象。考虑到边坡稳定性计算结果的准确性选取典型工程地质剖面2-2作为计算剖面，所选剖面线的平面位置如图1所示，各地层岩体物理力学参数见表1所示。

图1 边坡计算剖面位置

2 凸边坡稳定性分析与优化设计

2.1 稳定性分析方法与安全储备系数的确定

表1岩土体变形参数

采用二维刚体极限平衡分析法与FLAC3D数值模拟相结合的方法对白音华一号露天矿东帮凸边坡进行稳定性分析与优化设计，2种计算方法之间可以相互验证、相互补充，进而提高计算结果的准确性[6]。

工程界常用的刚体极限平衡分析方法主要包括简化bishop法、剩余推力法以及janbu法等[7]。其中简化bishop法主要适用于土质边坡、均质边坡等圆弧滑面滑动计算[8]，任意形滑面边坡稳定性计算易采用剩余推力法。考虑到白音华一号露天矿东帮凸边坡区域边坡滑坡模式为剪切圆弧-切层顺层滑动，因此基于简化bishop法计算原理进行软件开发，用于计算边坡稳定系数。由于刚体极限平衡法无法考虑地形以及应力应变对边坡稳定性的影响，因此在二维刚体极限平衡计算的基础上应用大型岩土分析软件FLAC3D对计算结果进行对比分析[9-11]。

FLAC3D是一款基于强度折减原理的三维有限差分数值模拟软件[12-13]，采用了混合-离散分区技术和显式拉格朗日算法，在分析计算过程中采用摩尔库伦破坏准则，能够非常准确地模拟松散或胶结的粒状材料的塑性破坏和流动，能够对土质边坡、岩石边坡等其它类型边坡进行塑性流动分析以及三维结构受力特性模拟。单元材料的本构模型可以是线性亦或是非线性，当外界力作用于模型材料时，其会发生屈服流动，与此同时网格也随之能够发生相应的变形和移动[14]。

根据GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范，服务年限在10～20 a非工作帮边坡安全储备系数Fs宜取1.2～1.3。考虑到白音华一号露天矿东帮已出现地裂缝以及在1#煤底板上布置有胶带运输系统的实际情况现选取安全储备系数为1.2。

2.2 结果分析与优化设计

研究区2#煤顶板在距坡脚65 m附近出现地鼓现象，一旦滑坡将影响1#煤底板上胶带运输系统的正常运行以及整个露天矿的经济效益。因此，需对现状边坡进行稳定性评价，并对不满足安全要求的区段进行优化设计。位移监测点分布与数值模拟模型如图2所示，现状边坡刚体极限平衡计算结果为1.04，如图3所示，数值模拟计算结果表明边坡安全储备系数为1.05，模拟结果如图4所示。

图2 位移监测点分布与模型

图3 现状边坡稳定性计算结果

图4 数值模拟计算结果

图4中（a）与（b）分别为x方向位移云图与x方向位移曲线，从图4（a）中可以清晰的看出凸边坡区域以及地裂缝与坡角之间位移最大，其中位移最大可达到 0.69 m；由图 4（b）可知坡角处、1#顶板、凸边坡坡肩处位移较大，地裂缝处位移由小逐渐增大，在折减到7×104步后其位移急剧变大直到边坡破坏。两种计算方法结果相差无几，且在误差范围之内，计算结果可靠度高。

由于白音华一号露天矿开采现状边坡稳定性无法满足安全储备系数的要求，因此，现需对其进行优化设计。在边坡优化设计的过程中，考虑到1#底板位置处布置有胶带运输系统，平盘宽度不得小于40 m，设计1#底板平盘宽度按40 m计算，其他各平盘宽度平分。优化后边坡参数为：台阶高度11 m，平盘宽度16 m，台阶坡面角55°，整体边坡角23°。优化后边坡安全储备系数计算结果为1.2，如图5所示，数值模拟计算结果边坡安全储备系数为1.22，刚体极限平衡计算结果与数值模拟结果具有很高的一致性。

图5 优化后边坡稳定性计算结果

3 结论

经过以上研究结果，可得出如下结论：

1）弱层是控制白音华一号矿东帮凸边坡稳定性的主要因素，极限平衡理论与数值模拟计算结果表明白音华一号露天矿开采现状边坡稳定性无法满足安全储备系数的要求；

2）从位移分布云图与边坡位移监测曲线结果显示白音华一号露天矿东帮凸边坡在地裂缝处、坡角处、1#顶板以及凸边坡坡肩处位移较大，反映了该处凸边坡的稳定性较差；

3）针对白音华一号露天矿东帮凸边坡存在的安全隐患，提出合理的优化方法，优化后边坡参数为：台阶高度11 m，平盘宽度16 m，台阶坡面角55°，整体边坡角23°。

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［14］ 赵尚毅，郑颖人，邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（2）：254-260.

【责任编辑：解连江】

Stability analysis and optimization design for convex slope in open-pit mine

CHEN Zheng
(Mining Design Institute,Zhengzhou Design and Research Institute of Coal Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)

In view of the poor problems of the convex slope stability,for the geological engineering conditions of eastern convex slope in Baiyinhua NO.1 Open-pit Mine,based on the limit equilibrium theory and the strength reduction theory,the article evaluates the stability of convex slope in quantitative,and carries out the optimization design on the convex slope.By setting horizontal displacement monitoring on the slope surface,the mine monitors the displacement variation characteristics of the model.

open-pit mine;convex slope;monitoring;slope stability

TD824

B

1671－9816（2017）07－0031－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.009

陈徵.露天矿凸边坡稳定性分析与优化设计［J］.露天采矿技术，2017，32（7）：31-34.

2017-03-04

陈 徵（1990—）男，河南郑州人，助理工程师，学士，2013年毕业于辽宁工程技术大学露天开采专业。