矿山边坡稳定性计算中的影响条件分析

骆振中，王 俊，孙春光，程世勇

(浙江省应急管理科学研究院/浙江省安全工程与技术研究重点实验室，浙江 杭州 310012)

1 引言

矿山边坡稳定计算分析通常是根据边坡已揭示工程地质条件和以往地勘资料，结合矿山采场现状实际，确定较为合理的边坡岩石强度等参数，选择适合的稳定性分析方法，从而进行边坡稳定性计算分析。

浙江交投矿业有限公司大皇山矿区北侧边坡已经过多年露天开采，形成了较规范的终了边坡，最大开采高度243 m，宕面形成了+200 m、+185 m、+170 m、+155 m、+143 m、+125 m、+110 m、+98 m、+80 m、+67 m、+52 m、+36 m、+21 m、+6 m 等标高终了台阶，平台宽度 4～11 m，边坡坡脚设置有破碎系统及部分车间。北侧边坡经过多年的剥离揭露后，岩体的强度逐渐弱化，且南侧边坡正在进行矿山开采，矿山爆破及开挖过程中将对北侧边坡的稳定性产生影响，直接威胁下部车间人员及设备的生命财产安全。

本文主要是对浙江交投矿业有限公司大皇山矿区边坡稳定性计算中的矿区地震影响、爆破振动对边坡稳定性的影响、地下水条件影响、最危险滑面和边坡工程安全等级及允许安全系数等相关条件进行分析，为下一步边坡稳定性计算提供数据资料和相关依据。

2 矿区地震影响分析

对比参考《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)，浙江交投矿业有限公司大皇山矿区所属地区的抗震设防烈度级别属于Ⅶ度，选取的设计基本地震加速度值为0.1 g，反应谱特征周期0.35 s。

按《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)中的附录要求，抗震稳定性计算时，各条块的地震惯性力影响系数应按(1)式计算：

Kc=αξβi

(1)

式(1)中，α为设计地震加速度，按照矿山所属地区水平方向的地震系数，为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值；ξ为折减系数；取0.25；β为第i条块的动态分布系数，取1.0；最终确定矿山的水平向地震惯性力系数，Kc=0.025。

3 爆破振动对边坡稳定性的影响

矿山爆破时炸药能量释放而产生的爆轰波会在坡体内传播，使边坡岩体承受冲击载荷的作用，具有一定的显著周期和频率高、持续时间短的特征，从而引起坡体介质振动。矿山频繁地爆破会使边坡岩体的抗动载荷能力降低，甚至使边坡失稳而滑移。爆破动载荷对矿山边坡的稳定性情况有较大的影响，在进行矿山边坡稳定性分析时，爆破动力的影响主要考虑作用于坡体上指向采场的最大水平动载荷的影响。

按《非煤露天矿边坡工程技术规范》等规范中边坡稳定性计算的要求时，如果考虑到爆破时的振动力影响，水平爆破力的影响系数按下面的计算公式进行计算：

Kc=αiβi/g

(2)

公式(2)中，αi为第i条块爆破振动质点水平向的最大加速度，取100 cm/s2；βi为第i条块的爆破时的振动力系数，可取βi=0.1～0.3，本次考虑取0.2；g为重力加速度，取9.8 m/s2；

根据《爆破安全规程》(GB6722-2014)与《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)，采场靠帮边坡质点最大爆破振动速度取12 cm/s，参考表1，相对应爆破震动加速度取100 cm/s2。

最终确定矿山水平爆破力影响系数，Kc=0.02。

4 地下水的分析计算

地下水是矿山边坡稳定性计算中的考虑因素，其直接影响矿山边坡的稳定性。地下水对矿山边坡的影响主要表现有2种形式：静水和动水作用。静水作用通常会软化第四系表土和基岩强风化层，增加物料颗粒间的润滑，降低土体的物理力学强度指标。另外，由于静水作用产生的浮托力会减轻矿山岩(土)体的有效重度，影响边坡的稳定性；动水作用不仅冲刷矿山边坡，还会使矿山边坡的土体产生渗透压力，引起渗透变形，使边坡产生破坏。

表1 爆破地震与自然地震的关系

本矿床为露天开采，根据地下水的赋存状态、含水介质及埋藏条件，可分为松散岩类孔隙潜水和块状基岩裂隙水。地下水主要赋存于第四系残坡积层和基岩的风化裂隙中。

松散岩类孔隙潜水赋存在第四系残坡积层中。基岩裂隙水赋存在基岩风化裂隙和节理中。风化程度较浅，平均风化厚度约3.15 m。

地下水主要受大气降水的补给，沿裂隙向低处迳流排泄，可见三处岩面渗流出地表，出水量200～300 mL/m。本矿区位处濒海丘陵，最低开采标高为+6 m，高于当地历史最高潮水位+3.14 m。矿区总体地势中部高，南北两侧低，外部汇水面积不大，且自然地形有利于地表水自然排泄。

5 最危险滑面的确定

本文分析过程中对圆弧形破坏的关键滑面定位考虑采用三点定弧方法，即选定可能滑动面上的3个特殊点确定此关键滑面的位置。

滑坡现象通常是滑坡上有张裂缝，下有滑出口(表现为底鼓、坡面开裂等)，因此在剖面上首先选定这两点作为滑弧上2点，然后再在这2点之间选定一点作为滑弧上的第三点，从而便可确定一个滑面。

矿山边坡可能滑坡的张裂面通常可以结合经验而确定相应的范围，相应的范围可以包含所有可能发生滑坡的张裂面；滑坡时滑出口范围也同样可以根据经验或需要给定，两点之间的第三点总是处于最浅滑面(张裂点与滑出口的连线，即为平面滑坡)和最深滑弧(与垂直张裂面相切的圆弧)之间，这样便可通过在此3个范围内有规律有秩序地变化上述3个点完成滑面的全局搜索，找出最小安全系数对应的滑弧。

通过分析考虑，可以按照以下的步骤来实现矿山边坡的开裂和滑出口的搜寻。

(1)首先要确定的是滑面底部的出口范围(可分段计算，也可以凭借经验和判断预先判别最危险的滑弧出口范围)。

(2)之后需要确定的是滑裂面的作用范围。

(3)最后在以上2个范围之内，确定若干个滑出口和滑裂面的位置，并在两个选定的区域内各任意选择一点形成一个组合。如图1所示。

图1 三点定弧全局搜寻示意

(4)计算最浅滑弧(平面型)和最深滑弧位置。

Hmax=Rmin(1-sinα)

Rmin=L/cosα

(5)在0～Hmax范围平均分成若干段，依次选取滑弧的深度H，用来计算对应的滑弧圆心坐标及半径。

R=0.5(L2/H+H)

x0=(x1+x2)/2-(R-H)sinα

y0=(y1+y2)/2+(R-H)cosα

结合文献资料，通常在0～Hmax这个范围均匀的分成35～45条滑弧，首先需要的是初算最危险滑弧的大致位置，之后在初算的最危险滑弧的大致位置附近进一步试算选取的几条滑弧。循环多次以上步骤，直至前后两步的试算最小安全系数之差能够满足矿山边坡稳定性分析计算的精度(取0.001)为止。

同时，还应该考虑矿山的岩体情况，比如矿山边坡存在较薄的软弱层，则需要以1 mm为一个步距给出滑弧深度，以防止局部优化的干扰。

(6)确定移动滑出口和滑入口的位置，需要重复以上步骤，最后得到最小安全系数所对应的关键滑面滑弧参数。

6 矿山边坡的安全等级及其允许的安全系数

矿山边坡的安全等级及其允许的安全系数是判断矿山边坡稳定性情况的最终指标，它取决于多方因素，包括矿山边坡稳定性分析时的工作原理、方法、取用的各项定量参数、矿山边坡岩体情况等。因此，如何确定矿山边坡的最小允许安全系数非常复杂。

边坡允许安全系数依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》，非煤露天矿边坡工程的设计安全系数根据边坡工程安全等级来确定。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》，边坡安全系数如下。

(1)边坡工程安全等级Ⅰ级：荷载组合Ⅰ为1.25～1.20，荷载组合Ⅱ为1.23～1.18，荷载组合Ⅲ为1.20～1.15。

(2)边坡工程安全等级Ⅱ级：荷载组合Ⅰ为1.20～1.15，荷载组合Ⅱ为1.18～1.13，荷载组合Ⅲ为1.15～1.10。

(3)边坡工程安全等级Ⅲ级：荷载组合Ⅰ为1.15～1.10，荷载组合Ⅱ为1.13～1.08，荷载组合Ⅲ为1.10～1.05。

荷载组合Ⅰ为自重+地下水；荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破震动力；荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力。

本次边坡稳定性分析计算时考虑到不同荷载组合下，边坡的最小安全系数也不一样。按照边坡工程设计安全系数要求，浙江交投矿业有限公司大皇山矿区参照Ⅱ级边坡工程进行分析，从而计算得出本次矿山边坡的不同荷载组合下矿山边坡的最小安全系数：荷载组合Ⅰ为1.19，荷载组合Ⅱ为1.17，荷载组合Ⅲ为1.14。

7 结语

通过以上对浙江交投矿业有限公司大皇山矿区边坡稳定性计算中的矿区地震影响、爆破振动对边坡稳定性的影响、地下水条件影响、最危险滑面和边坡工程安全等级及允许安全系数等相关条件的分析，可使矿山管理人员进一步了解到矿区地震、爆破振动、地下水等对矿山边坡稳定性的影响，对矿山边坡处理有了新的认识，为下一步边坡稳定性计算提供了基础数据依据。