某高海拔高寒地区露天矿边坡稳定性分析*

段进超 李华华

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

露天矿山最终境界边坡角的选取与矿山安全生产关系密切，准确获取矿山最终边坡角是确定露天矿山最优开采境界的关键[1-4]。目前，有关高海拔高寒地区边坡稳定性评价的研究成果丰硕，但已有的研究主要集中于高寒地区小尺寸路堑边坡稳定性评价方面[5-7]。某高海拔高寒地区露天矿前期研究中采用BP人工神经网络获得的最终境界边坡角预测值为45°，据此设计了露天矿最终境界。本研究结合边坡冻融损伤岩体力学参数修正方法和有限元CAD-MIDAS耦合建模技术，对该矿设计边坡的稳定性进行数值模拟分析，对前期研究推荐的边坡角进行验证。

1 工程概况

某露天矿位于高海拔高寒地区，采场边坡揭露的岩体暴露于昼夜循环、四季更替的大温差循环环境下，经受着剧烈的冻融循环作用，边坡稳定性的影响因素比常温地区更多、更复杂[8]。矿体赋存标高为4 000～5 407 m，昼夜温差达36 ℃以上。露天采场边坡岩体主要有大理岩、矽卡岩、灰岩和角岩，其中矿体顶板以角岩、矽卡岩为主，矿体底板以灰岩、大理岩为主。根据边坡岩石物理力学试验结果与主要岩石的力学特性，上述几类岩石除矽卡岩外，其余岩石整体稳定性较好，故岩体总体对边坡稳定性的影响较小。露天坑底位于当地侵蚀基准面以上，矿区充水主要为大气降水，而矿区处于水资源贫乏地区，降雨量少，故大气降水不易补给，加之地形切割强烈，相对高差大且坡陡，有利于地下水、地表水排泄，故地下水及地表水对边坡稳定性的影响也较小[9]。

2 边坡岩体物理力学参数

鉴于边坡内部岩体结构的复杂性和岩石力学参数与实际工程存在的差别，本研究以各类岩石的实验室力学参数为基础，采用工程类比法获得与露天边坡工程地质条件相适应的折减方法，并运用该方法对岩石力学参数(黏结力、内摩擦角、弹性模量、抗压强度、抗拉强度等)进行工程处理，并参考国内外类似矿山的相关资料，获得了工程处理后的岩石力学参数综合取值，如表1所示。

表1 边坡岩体力学参数综合取值

本研究运用边坡冻融损伤岩体力学参数修正方法，结合露天矿开采服务年限等实际情况，选取冻融循环次数为20次，对边坡岩体的力学参数进行了冻融损伤修正，结果见表2。

表2 岩体冻融修正后的力学参数

3 有限元模型构建

3.1 边坡分析剖面选取

该露天矿采场受矿体产状及地形制约，采取条带式开采方式，由内向外分3个条带，分别为第1条带、中间条带和最后条带，各条带最终边帮角均为45°，第1条带、中间条带以及最后条带的最大边坡高度分别为345，405，525 m。边坡稳定性与边坡高度关系密切，本研究尽可能选择各境界内最大坡高处的剖面作为稳定性分析对象。计算剖面由SURPAC软件对矿区边坡DTM实体文件进行切割获取，3条分析剖面的切取位置如图1所示。参照临近地质剖面及露采边坡参数分别绘制了如图2所示的剖面图。

图1 露天境界分析剖面切取位置

图2 各条带分析剖面

3.2 模型构建

首先在CAD软件中处理剖面图，使其符合MIDAS软件的GTS模块分析要求；然后将处理过的剖面图导入GTS模块中，构建露天矿边坡剖面的有限元模型。计算范围根据圣维南原理选取，即边坡左右两侧扩展不小于80 m，下部延伸不小于50 m。各剖面的网格模型如图3所示。

图3 各剖面GTS网格模型

4 模拟分析

4.1 应力分析

分析图4可知：①号剖面最大主应力为-1.2～8.4 MPa，边坡浅层最大主应力为-0.4～2.0 MPa，最小主应力为-15～5.4 MPa，边坡浅层最大主应力为-1.4～0.3 MPa；②号剖面最大主应力为-0.9～9.9 MPa，边坡浅层最大主应力为-0.9～2.7 MPa；最小主应力为-16～5.6 MPa，边坡浅层最小主应力为-1.6～0.9 MPa；③号剖面最大主应力为-1.0～11 MPa，边坡浅层最大主应力为-1.0～3.0 MPa；最小主应力为-5～8 MPa，边坡浅层最小主应力为-1.9～1.1 MPa。由此可知，随着边坡高度的增加，边坡最大、最小主应力逐渐增加，各边坡均出现了拉应力区，主要集中于边坡上部，尤其是最上部的第四系黏土层和风化层以及临近台阶处的局部最大拉应力达到5 MPa，因此，边坡顶部表层可能出现土层垮塌，需要进行局部加固。

图4 各剖面最大和最小主应力分布特征

4.2 位移分析

由图5可知：①号剖面水平位移为-1.62～0.54 cm，垂直位移为-4.6～0.2 cm；②号剖面水平位移为-2.4～1.2 cm，垂直位移为-6.9～0.3 cm；③号剖面水平位移为-2.25～1.35 cm，垂直位移为-7.3～1.1 cm。由此可知，随着边坡高度的增加，水平位移和垂直位移有逐渐增加的趋势，边坡水平位移最大值即集中于边坡顶部，局部最大值约为2.4 cm；边坡垂直方向的位移最大值都集中于边坡中上部，往两侧逐渐减小，局部最大值约为7.3 cm；整体上，边坡位移以垂直位移为主，边坡稳定性较好，矿山可采用边坡位移监测系统实时观测边坡位移变化。

图5 各剖面水平和垂直位移分布特征

4.3 边坡安全系数

①、②、③号边坡的安全系数取值分别为1.356，1.334，1.116。总体上，随着边坡高度的增加，边坡安全系数逐渐减小，但均大于《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)的规定值1.1，可见设计的边坡均为安全边坡。

5 结 语

根据某露天矿所处的高海拔高寒环境和矿山实际开采情况，运用边坡冻融损伤岩体力学参数修正方法，对边坡岩体力学参数进行了修正，并对采场3个条带境界的最终边坡(最终边坡角为45°)进行了数值模拟分析。研究表明：但随着边坡高度的增加，边坡应力和位移逐渐增加，且最大位移较易出现于边坡中上部；边坡安全系数均大于1.1，满足设计要求，边坡整体稳定性较好，但顶部需进行局部加固。