浙江龙泉小岩叶腊石矿床边坡稳定性评价

韩路朋,肖 敏,张邦果,詹梅芬,廖美红,章雄飞

（浙江金安设计研究有限公司，浙江遂昌323300）

在采矿过程中确保安全生产是需要放在第一位的。自2014年新修订的安全生产法实施以来，重视安全生产不单单是国家层面的要求，安全生产隐患排查与分级双管控，同样也需要矿业权人自觉履行安全生产义务，另一方面应在采矿技术上进行提高和改进，使矿山安全风险可控。

1 矿山概况

1.1 矿体赋存情况

矿区位于龙泉—宁波北东向断裂带与遂昌—山门北西向断裂带交会处附近。矿区出露地层为上侏罗统大爽组。一段：以流纹质玻屑凝灰岩为主，夹流纹质玻屑弱熔结凝灰岩。未见底，厚度大于32.3m。二段：以流纹质晶玻屑熔结凝灰岩为主，夹流纹质含角砾玻屑凝灰岩、流纹质晶屑玻屑凝灰岩等。有北西向、南北向、东西向3组断裂构造，其中F6断裂为正断层，倾角78°～82°，在矿区内处伸3.5km，走向5°左右，倾向西。矿区内可见的侵入岩为花岗斑岩体，呈小岩株侵入在上侏罗统火山岩中。

Ⅲ号矿体赋存标高在+650m以上，Ⅲ号矿体附近侵蚀面标高+600m左右，周围沟谷切割深，矿体及围岩含水性差，主要为浅部风化裂隙水，属弱含水岩层。矿床水文地质类型为裂隙充水矿床。根据以往地质资料及矿山多年监测资料显示，坑内正常涌水量10m3/d，最大涌水量40m3/d。矿体顶、底板围岩为流纹质晶玻屑熔结凝灰岩、叶腊石化流纹岩，属硬质岩石，完整性较好，岩体工程地质特性较好。叶腊石含矿层为相对较弱岩层，且部分矿体的倾向与坡面一致，对于矿山开采后山体稳定性有一定程度影响。Ⅲ号矿体似层状，地表出露范围长约260m，宽约140m，矿体总体190°～200°∠28°～41°，平均倾角30°。矿石呈鳞片变晶结构、变余、残余熔岩结构。矿床成因为火山（次火山）热液交代型。

1.2 开采情况周边环境

2011～2017年间，矿业权人对Ⅲ号矿体南侧进行过小规模开采，开采方式为地下开采。开采形成了+630m、+640m、+650m及+670m共4个中段。①PD630（+630m中段）：巷道断面宽2.8～4m，高2.8～3.5m，巷道长约480m，分别在东侧与西侧形成2个采空区，西侧采空区面积为700m2，东侧采空区面积为500m2，标高为+730～+750m。巷道已经进行封闭。②PD640（+640m中段）：巷道断面宽2.2～3m，高2.4～3.5m，巷道长约300m，形成了1个采空区，空区面积约为226m2，标高为+640～+650m。③PD650（+650m中段）：巷道断面宽2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道长约500m，PD650硐口及与+670m相连的巷道已封闭。④PD670（+670m中段）：巷道断面宽2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道长约550m；形成1个采空区，面积约546m2。矿山周边环境复杂，矿山Ⅲ号矿体露采范围东侧300m范围内有民房1间、庙宇1间，距矿区2～3号拐点间最近距离分别为154m和220m。露采范围周边300m范围内有耕地，在矿区2～3号拐点附近，露采区内约10亩。矿山Ⅲ号矿体露采区内有从东岱村通往小岩村的康庄公路。区内有历史遗迹“十二公岩”，不允许破坏。

2 设计边坡

矿区开采标高，拟定最高+790m，最低+650m，高差140m。根据矿区地形、开采技术条件、矿岩物理力学性质f=3～7、矿体赋存产状（28～41°）及矿区周边环境现状，拟定残坡积层及全/强风化层台阶高度不大于8m，工作台阶坡面角不大于60°，台阶坡面角不大于45°；中/微/未风化层台阶高度不大于12m，工作台阶坡面角不大于65°，台阶坡面角不大于45°，边坡高差90m以内时，最终边坡角不大于41°，边坡高差180m以内时，最终边坡角不大于41°。安全平台宽度不小于4m，每间隔2～3个台阶设一个清扫平台，清扫平台宽度不小于6m。矿山作业面狭窄，最小作业平台宽度受到限制，采用传统回采方法，安全作业条件难以满足[1]。

3 边坡稳定性安全评价

3.1 评价方法与数据建模

运用边坡滑动Slide软件，使用有限元法、垂直条块极限平衡分析方法来分析滑动面的稳定性，可分析单条滑面，找出给定边坡的临界滑动面，如图1所示。模块可以模拟载荷在地基中产生的超孔隙水压力，可对施工前后边坡的稳定性进行分析，有助于确定加固措施。极限平衡法中的关键内容有2个：

（1）剪切滑动破坏面的强度。采用库仑推则：τf=c+σtanφ

图1 数据模型

式中：c、φ——滑动面的内粘聚力和内摩擦角；

σ、τ——滑动面上的剪应力和正应力。

（2）边坡的稳定系数Fs。Fs被定义为阻止滑动的总力与致滑总力之比，当Fs＞1时，边坡稳定；当Fs＜1时，边坡不稳定；当Fs=1时，处于极限平衡状态。

3.2 临界滑动面

区内可能对矿体开采造成影响的断裂为F6，断裂产状与矿体倾向斜交，断裂带充填构造角砾岩、碎裂岩，胶结较好，近期活动性差。故断裂构造对矿区内岩石块体稳定性有一定的影响，但影响不大。临界滑动面即最不利的滑坡倾角β，如图2所示。

图2 临界滑动面与边坡位移量

即Z=0，U=V=P=0时，则：

在Fs=1条件下：

即：

3.3 边坡稳定性评价

一方面滑带岩体的进一步碎裂从物理上降低了滑带的摩阻力；另一方面，也是更为重要的是，由于滑带的夯击扩容，地下水将强力挤入扩容空间，从而可能激发水击作用机制，导致孔隙水压力激增，滑带抗剪能力急剧降低，从而促使滑坡骤然启动，产生高速滑动[2]。矿山叶腊石粘聚力c=0.69MPa，内摩擦角φ=43.4°，矿石容重2620kg/m3，拟定台阶坡面角α=45°，最终边坡角不大于41°。

（1）单平面滑动的滑体受力分析如图3所示。根据《岩土边坡稳定性分析》（中南大学出版社）4.2.1章节[3]，计算如下：

抗滑力：

致滑力：

安全系数：

当平台边坡Fs≥1.5时，边坡处于稳定状态；

当最终边坡Fs≥1.3时，边坡处于稳定状态。式中：W——滑体自重，N；

U——滑面静水浮托力，N；

V——张裂隙静水推力，N；

l——滑面长度，m；

H——坡面高度，m；

Z——裂隙深度，m；

Zw——充水深度，m；

γ——滑体容重，kg/m3；

β——滑动面倾角。

（2）安全系数计算。区内台阶坡面角稳定性：

W=417837N

Fs=5.627＞1.5

说明矿山开采后形成的边坡稳定。

区内最终边坡稳定性：

W=3140361N

Fs=3.168＞1.3

考虑地下水和爆破振动联合作用的边坡安全系数随时间呈波动变化，边坡最小安全系数为1.024，此时边坡为欠稳定状态[4]。通过模型分析计算结合类比，矿山开采矿体形成的最终边坡处于稳定状态。

4 结束语

通过运用Slide软件模拟与有限元、极限平衡法有效结合，较为全面地对小岩缓倾斜矿床边坡稳定性进行了安全评价，为矿业权人开采活动提供客观依据。小岩叶腊石矿床赋存倾角较缓，周边环境复杂，露天矿山开采存在着一系列的不稳定因素，矿山设计过程中考虑生产时期留设安全平台而终了时不留台阶。岩土在处于休止角状态，且不考虑外界影响因素（地表水、地下水、复垦覆土等）时，岩土可保持长期稳定，然考虑了外界影响因素，即使处于休止角状态下的岩土也不一定是稳定的。因此，矿山安全这个永恒的主体是当前矿业权人面临的主要难题，边坡留设的时候，需要综合考虑各种可能因素，仅考虑自然安息角是片面的。

文章结合具体矿山实践经验，综合Slide软件模拟与有限元、极限平衡法的理论思想，针对矿山边坡稳定性研究方面进行了阐述，在国内缓倾斜露天开采矿床安全高效开采具有一定的借鉴意义。

[1] 韩路朋，姜志金，肖敏，章雄飞.某饰面用辉绿岩矿回采方法优化设计[J].世界有色金属，2017.

[2] 黄润秋，裴向军，等.大光包滑坡滑带岩体碎裂特征及其形成机制研究[J].岩石力学与工程学报,2016（1）.

[3] 饶运章.岩土边坡稳定性分析[M].中南大学出版社，2012.

[4] 赵奎，余乐兴，何文，等.降雨及爆破振动条件下岩质边坡稳定性研究[J].江西理工大学学报，2005（2）.