穆利亚希南露天边坡稳定性分析

2021-02-10姚高辉肖云涛

铜业工程 2021年6期

姚高辉，肖云涛

（中色卢安夏铜业有限公司赞比亚卢安夏 90456）

1 引言

在露天矿山开采中，露天边坡角度的大小影响着开采过程中一系列的经济技术指标［1-3］。边坡角度过小，会造成开采成本增加，影响矿山经济效益；边坡角过大，则会影响边坡稳定性，可能造成矿山人员伤亡及经济损失，影响矿山安全生产。因此，为保障露天边坡稳定性及矿山安全生产，同时降低矿山生产成本，合理确定露天边坡角度至关重要。对于露天边坡角，国内外学者做了许多研究，王东等［4］基于CDEM数值算法对边坡稳定性进行计算，对比分析了坡体位移、应力分布及演化特征，进而阐明多个弱层对复合边坡产生的叠加效应，以及清帮减载对边坡稳定性的影响。张涛江等［5］基于摩尔-库伦强度准则与折减理论，运用FLAC有限差分模拟与极限平衡分析技术，对贺斯格乌拉露天矿北排土场进行了模拟分析与研究，确定了沿基底软弱层滑动的滑坡模式。于鑫鑫等［6］依据边坡的自然地质条件、变形的基本特征,采用数值模拟和极限平衡分析相结合的理论方法，系统全面地评价了该区域的边坡稳定性，并提出了边坡稳定性的预控措施。周厚友等［7］在露天边坡的静力稳定性分析基础上，计算边坡在爆破振动下的动态响应特征，进而求得爆破荷载下边坡的位移、应力及动力安全系数等响应特征，分析边坡在爆破振动作用下的稳定状态。罗建林等［8］运用Geo-Slope及极限平衡法中的简化Bishop法、Morgenstern-Price法分别计算分析边坡3个典型剖面在天然及饱和情况下的稳定性，并提出了预防滑坡措施。

通过上述研究可知，除边坡本身的水文地质条件外，边坡稳定性分析采用的计算方法和分析软件也是研究中的重点，而在实际生产过程中，由于经济、外部环境、生产需求等因素制约，边坡往往无法达到理想状态，在设计、施工过程中的每一个环节，都可能产生边坡稳定性隐患。因此，在边坡稳定性分析和设计过程中，应采用科学的研究计算方法，综合考虑各项影响因素，才能保证边坡设计的可靠性。

本文通过采用Geo-slope软件利用极限平衡法并综合考虑矿区地震烈度对穆利亚希南一区、二区不同角度露天边坡稳定性进行计算，得出不同角度露天边坡的安全系数，分析了不同角度露天边坡稳定性，最终得到各区合理的边坡角度，为矿山露天边坡稳定性分析提供技术支撑和借鉴。

2 工程概况

赞比亚卢安夏铜矿的穆利亚希南矿区位于位于福背斜东南部的Roan-Muliashi盆地内，地层主要是加丹加超群的下罗恩（Lower Roan）群和上罗恩（Upper Roan）群沉积变质岩，基底为卢福布（Lufubu）系片岩和穆瓦（Muva）系石英岩。矿区构造主要为褶皱，基本没有断层或断层影响不大［9］。

穆利亚希南地表浅部矿体适用露天开采，其上部边坡为软岩，下部边坡为硬岩。穆利亚希南氧化矿体走向为东西方向，长约1400m，南北宽约220m，平均倾角为30°，平均厚20m，埋深1255～1125m。

3 极限平衡分析法原理

在边坡稳定性分析方法中最经典的就是极限平衡理论，在其基础上派生出了很多边坡稳定分析方法，且大都采用刚体极限平衡法［10］，如图1、图2所示。

图1 边坡极限平衡分析简图

图2 条分法条带受力示意图

极限平衡法的最基本原理［11］是：

（1）假设边坡的抗剪强度服从库仑准则，其构成介质是均匀的。

其中：c为介质的粘结力，φ为介质的内摩擦角，σ为剪切面的法向应力。

（2）假设产生滑动破坏时，其产生错动的面是圆弧形，并对每一个发生滑动破坏的面进行安全系数计算，选择安全系数最小的面为最危险滑动面。

（3）将滑动体划分为许多个垂直的条块，并假设相互作用力不作用在每条块之间。

（4）根据圆弧面上水平力平衡或者力矩平衡确定（以下是力平衡）：

其中，L为剪切面弧长，wi为每条块重量，αi为第i条块的剪切面与水平夹角。

该方法就是得到广泛的应用的瑞典条分法，是极限平衡分析中的最基本的方法。在条块间引入相互作用力后，又发展起来了诸多分析方法，如Bishop法、Krey法、Janbu法等［12］。

4 剖面选取及岩石力学参数

本次计算主要使用Geo-slope软件，此软件中的SLOPE/W模块是专门用来分析边坡问题的模块，其在广泛应用在岩土工程界中［13-15］。

该模块主要使用有限元法并结合极限平衡理论对土木工程、地质构造、采矿工程中的边坡问题进行计算，同时也可以使用参数进行随机稳定性分析，其能有效的对孔隙水的压力状况、滑移面形状的改变、不同加载方式、土体性质等岩土工程问题进行计算。

为应用Geo-slope软件对穆利亚希南矿区边坡稳定性进行分析，需要选取典型的边坡剖面进行安全系数计算。

4.1 剖面选取

为对卢安夏穆利亚希南露采边坡进行稳定性评价，在其一区和二区共选取了10个典型计算剖面，其中一区编号分别为：P1-1、P1-2、P1-3、P1-4、P1-5，二区编号分别为：P2-1、P2-2、P2-3、P2-4、P2-5，如图3所示。

图3 露天边坡剖面选取

在Auto-CAD中处理各剖面，获取各分区不同边坡角地质剖面模型（36°、37°、38°、39°、40°和41°），为Geo-Slope极限平衡计算提供基础模型，各分区断面如图4、图5所示（由于篇幅原因，只列出了一、二分区第一个断面图）。

图4 P1-1断面图

图5 P2-1断面图

4.2 岩石力学参数

在岩石力学试验结果的基础上，结合现场岩体完整性调查情况、岩石室内强度试验、饱水试验等结果，同时考虑水对岩体强度的影响，综合进行合理工程处理后得到本次计算采用的岩体强度参数［16］。如表1所示。

表1 岩体力学参数表

5 边坡稳定性计算

采用Geo-slope软件分别使用Ordinary法、Bishop法、Janbu法及Morgenstern-Price法对穆利亚希南矿区边坡不同边坡角（36°、37°、38°、39°、40°和41°）稳定性进行计算，同时在模拟计算中考虑地震对边坡稳定性的影响［17］，根据拟静态方程：

式中：F为地震引起水平推力；KC为综合地震系数；W为滑体重量。

根据矿山提供的资料，穆利亚希南露天矿区历史上基本未见地震，地震设防烈度按7度考虑，地震加速度为0.1g，并结合《水工建筑物抗震设计规范》，综合地震系数计算公式为［18］：

式中：Kh为水平向地震系数，七度烈度地震区Kh为0.1； CZ为综合影响系数，一般取0.5；ai为考虑滑体重心高度的系数，一般取1.0。

根据地震危险性分析，考虑边坡的结构参数、服务年限，采用震动对边坡稳定性综合地震系数为0.05，因此卢安夏穆利亚希南矿区在地震基本烈度为VII度的工况条件下进行边坡稳定性分析。

按照规范设置边坡安全系数最小值，在考虑地震荷载条件下取Fs=1.15。即边坡安全系数Fs计算值大于1.15，才说明边坡处于安全状态。

5.1 一区边坡稳定性分析

在考虑地震影响因素情况下，对一区边坡稳定性进行计算，各剖面安全系数计算结果如表2所示，极限平衡计算结果图如图6所示（由于篇幅原因，只列出了P1-1 Morgenstern-Price法计算结果图）。

表2 一区安全系数计算结果表

图6 剖面P1-1边坡极限平衡计算结果图

从表中可知，各方法计算结果趋势大致相同，由于瑞典圆弧法未考虑滑动土体内部的相互作用力，Janbu法忽略了条块间剪应力，假定条间合力为水平推力，但是没有满足力矩平衡条件，而Bishop法考虑了条间力的作用对瑞典法进行修正，Morgenstern-Price法给出了条间合力的作用位置，满足了力矩平衡，因此瑞典圆弧法和Janbu法计算结果偏小，Bishop法和Morgenstern-Price法计算结果偏大。综合四种计算方法的适用性和合理性，本次主要依据Morgenstern-Price法的安全系数计算结果与选定的1.15安全系数阀值进行对比，选定各分区的边坡角。

一分区在边坡角小于40°时，五个计算剖面的安全系数值均大于选定的安全系数阀值1.15，此时边坡处于稳定状态；在边坡角为41°时，五个计算断面的安全系数Fs＜1.15，边坡处于欠稳定状态。因此边坡角为40°时，边坡为平衡状态，推荐一区的边坡角为40°。