露天矿开采中边坡的稳定性研究

聂新豹

（云南磷化集团海口磷业有限公司，云南 昆明 650000）

某矿为了能够顺利生产，多年来一直采用露天开采方式开采，露天设备齐全，生产经验非富，条件成熟。结合矿山开采现状和矿体赋存特点，依据矿区范围内地形地貌条件，矿体的赋存特征及顶底板、夹石厚度等特点，矿体埋藏深度，覆盖层厚度等因素，以及结合境界剥采比小于经济合理剥采比原则。以绿色开采为理念，减少环境破坏。充分发挥露天开采安全、作业条件好、劳动生产率高的优越性，开展边坡参数优化工作。针对边坡的适当位置取样进行试验分析，对堆积体进行天然含水率，并在室内进行剪切试验，确定物料的抗剪强度，为稳定性分析提供基础数据。

1 矿物的物理力学性质

某矿靠帮边坡矿物特性较为单一，主要以灯影组（ZЄd）硅质白云岩为主。选取了适当的位置取样进行试验分析。对于常规物料强度测试，试验方式可分为两种即室内中型剪切试验和大型剪切试验。因受试验场地的限制，大型原位剪切试验持续时间较长，费用较高，想要完成试验十分困难。室内试验虽然也存在一定的缺陷，但作为一种应用范围较广的试验方式，室内试验可以补充现场原位试验的不足之处，可基本反反映出岩土体的基本特征。在现场收集到的散体试样拿到室内进行中型剪切试验，首先将样品进行装样，根据摩尔（Mohr）—库伦（Coulomb）强度理论，对试验样品施加垂直压力P，样品剪切可通过施加水平剪切力F，得到剪切力τ 。使用库伦定律求得抗剪强度参数：内摩擦角φ 和粘聚力c。在室内进行中型剪切试验得到的物料密实度、含水率等参数。

试验结束后将相关数值按照公式（1）和（1）分别计算出法向应力和剪切应力。

向应力：

水平剪切应力：

由物料抗剪强度曲线图，根据莫尔—库仑准则：τ = σtanφ +c，用最小二乘法进行线性回归得出两组试验试体的抗剪强度参数具体岩土层物理力学参数见表1。

表1 计算所用土层物理力学参数

2 边坡安全等级划分

边坡安全系数是衡量边坡稳定性的最终定量指标，它与边坡稳定性研究各项工作内容的原理、方法、代表性、可靠性以及各项定量参数的取用、边坡高度和服务年限、工程的重要性等有关。

此次研究的边坡允许安全系数以《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）的规定为依据，非煤露天矿边坡工程的设计安全系数根据边坡危害等级（见表2）及边坡工程安全等级（见表3）来确定。露天矿边坡工程安全等级根据边坡危害程度和边坡高度确定，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级。

表2 边坡危害等级

根据表2 的边坡危害等级划分，将某磷矿新设计露天采场边坡危害等级确定为Ⅱ级。

表3 边坡工程安全等级划分

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）规定：露天矿应按边坡最终高度分为四级，按表4 划分。

3 边坡稳定性分析评价

3.1 安全系数限值的确定

露天开采对于边坡影响，要将安全系数控制在1.5 以内。矿区的临时边坡安全系数要达到≥1.1，永久边坡安全系数标准要达到≥1.2 以上。如果在极端恶劣条件下进行露天开采，边坡稳定系数1～1.1 之间较为合理。在矿产资源开采过程中所形成的边坡，常见的为非公共边坡，在保证安全开采前提下，边坡局部区域出现垮塌属于正常现象。

3.2 露采边坡安全系数

非煤露天矿边坡工程技术规范（GB 51016-2014)要求，不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数应满足表5 规定的安全系数要求。

本次设计2#采区和3#采区按边坡工程安全等级II 级选定允许安全系数进行边坡安全评价，1#采区按照边坡安全等级III级进行边坡安全评价。

4 露天采场边坡稳定性分析

4.1 计算剖面选择、建立

根据《有色金属矿山工程建设项目设计文件编制标准》中阐述“露天矿最终边坡稳定性计算和验证一般可选择有代表性的剖面进行”，故本次稳定性分析根据圈定的境界分别选取某矿不同采区设计境界内的剖面，具有代表性的剖面进行了设计露天采场边坡的稳定性计算分析。根据选取不同采区露采边坡不同位置的剖面图，结合矿区露采边坡赋存围岩特征对验算剖面进行概化处理，依托采场边坡设计结构形态，建立境界边坡2D 仿真模型，采用极限平衡法借助岩质边坡分析软件Slide 进行了设计采场边坡稳定性计算分析。

4.2 边坡稳定性计算结果分析

本次计算分别考虑自重+地下水、自重+地下水+爆破、自重+地下水+地震三种工况荷载组合，对选取的不同采区典型计算剖面边坡稳定性进行了计算，不同采区设计边坡稳定性计算结果见表6。

表6 矿山露天采坑边坡稳定性计算结果

根据表6 露天采场边坡稳定性计算结果可看出，某矿不同采区露采边坡在荷载组合I（自重+地下水）工况下，采场边坡不同区域边坡计算剖面安全系数均大于1.20，满足规范要求的1.20～1.15；（自重+地下水+爆破）荷载组合II 工况下，采场不同区域计算剖面安全系数均大于1.18，满足规范要求的1.18～1.13；荷载组合III（自重+地下水+地震）工况下，计算剖面安全系数均大于1.15，满足规范要求的1.15～1.10。

5 露天采场边坡设计参数的推荐

表7 露天采坑推荐边坡角

露天开采最终边坡角、台阶边坡角与边坡开采不同部位的岩体条件，结构面产状及组合情况与边坡空间关系、开采扰动情况和边坡存在时间等密切相关， 目前推荐的边坡角度是根据现阶段工程地质资料和矿山开采生产情况确定，在后期生产中，企业可结合深部揭露的岩体工程地质情况，在存在潜在不稳定地段边坡适当放缓边坡，保证安全开采。

6 结论

露天矿边坡既是矿山生产的安全和经济边界，又是生产作业的对象，矿山边坡稳定对矿山安全生产至关重要。虽然将有关已知条件代入公式计算，得出了某矿露天采场边坡设计参数的推荐值。同时还需说明的是，经风化淋滤和采矿作业活动影响，在坡形较陡处重力作用下有发生垮塌风险，开采过程中应引起重视。露天矿边坡稳定性研究工作应贯穿于矿山开采的整个过程，矿山应建立健全的边坡安全管理制度，并应制定针对边坡滑塌事故的应急救援预案。