平坝山大型石灰岩露天矿边坡稳定性分析

2021-06-03童志鹏李栓柱吕林洪

有色金属设计 2021年1期

童志鹏，李栓柱，吕林洪

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

平坝山石灰岩矿山为1座在建露天矿山，该石灰岩露天矿每年生产规模100万 t/a，设计采用露天开采方式、缓帮开采工艺、公路汽车开拓运输方式。平坝山石灰岩矿露天矿为山坡露天—凹陷露天开采，采场形成的最终边坡绝大部分为岩质边坡。该露天矿采场边坡分别由西帮、南帮、北帮和东帮边坡构成，其中西帮边坡为近似顺层边坡，稳定性条件较差；南帮和北帮边坡为切向边坡，东帮边坡为逆向边坡，切向边坡和逆向边坡稳定性条件好。平坝山石灰岩矿开采形成的最终边坡最大标高为1 315 m，最大标高点位于矿区西北边界上，露天坑底最终标高1 125 m，最终边坡高差为190 m，即边坡最大高度为190 m；其中1 215 m平台标高以上已绿化复垦，除去绿化复垦高度，今后露天采场裸露的边坡最大高度为90 m；生成的三维立体露天开采终了境界模型详见图1。

随着露天开采深度不断下降，边坡高度逐年加大，逐步形成高陡露天边坡和深凹采场，进而对采矿作业安全性提出了越来越高的要求。露天矿边坡结构参数的设计、确定以及边坡稳定性的评价等工作的重要性日趋显示出来，使得露天矿边坡稳定性分析成为一项很突出且亟待要解决的问题。

综上所述，矿区露天开采规模大，加之边坡高度较高，层理结构面较密集发育，露天开采高陡边坡岩石力学问题较为突出，为此开展对该露天矿采场边坡的稳定性研究。该文通过FLAC2D有限差分法数值软件来模拟计算该露天矿高陡边坡稳定性安全系数。

1 矿区地层特征

矿区位于开远盆地西南边缘谷坡地带，地形西高东低，高程1 140～1 355 m，相对高差215 m，为构造侵蚀、溶蚀低中山缓坡地貌。

矿区内出露地层比较稳定且简单，由老至新主要分布的地层有三叠系中统个旧组上段(T2g2)、三叠系中统法郎组上—下段(T2f1～T2f3)、三叠系上统鸟格组(T3n)、第四系残坡积(QedL)及人工堆积(Qs)。

图1 三维立体露天开采终了境界模型(露天坑底640 m)Fig.1 Three-dimensional ultimate limit model of the open pit mining

1.1 三叠系中统个旧组上段(T2g2)

矿层赋存于中三叠统个旧组上段(T2g2)，为区内出露的主要地层，岩性为灰—深灰色，黄灰色致密状、角砾状、条带状、薄层状灰岩夹泥灰岩、页岩。该段为矿区石灰岩矿的赋存层位，根据云南地质工程勘察设计研究院2018年8月提交的《云南省开远市平坝山矿区水泥原料用石灰岩泥灰岩砂岩矿资源储量核实报告》三叠系中统个旧组上段(T2g2)由下至上细分为9层，其划分原则是：层位基本稳定、岩性差异明显、野外识别方便。现分述如下：

T2g2-1：深灰色灰岩、角砾状灰岩夹黄灰色钙质页岩、泥灰岩，厚度>150.00 m。

T2g2-2：分布于矿区西部。岩性为黄灰色条带状灰岩，灰黄色页岩、钙质页岩，其中常见眼球状泥灰岩砾石。该层出露位置较高，且岩性与其他层位差异较大，在工程控制范围内可作为1个标志层，厚度0～20 m。是该矿区页岩矿的主要含矿层位，也是矿体最终开采边坡的主要构成部分。

T2g2-3：深灰色角砾状灰岩夹黄灰、灰黑色薄层条带状灰岩、泥灰岩透镜体，厚度17.70～70.00 m。

T2g2-4：浅灰—深灰色夹灰白色灰岩，局部夹条带状灰岩、泥灰岩及白云质灰岩透镜体，厚度32.00～119 m。

T2g2-5：灰—黄灰色条带状灰岩、竹叶状灰岩，灰岩夹泥灰岩、钙质页岩，厚度4.00～33.00 m。

T2g2-6：浅灰—深灰色条带状灰岩、角砾状灰岩，局部夹泥灰岩，厚度7.5～41 m。

T2g2-7：黄灰色泥灰岩、钙质页岩、页岩夹条带状灰岩，厚度3.5～46.95 m。

T2g2-8：深灰色灰岩，局部夹条带状灰岩，厚度17.5～48.50 m。

T2g2-9：浅灰、褐灰、黄灰色泥灰岩、薄层灰岩夹钙质页岩，厚度>150.00 m。

其中，1、2层(T2g2-1、T2g2-2)为底板；3～8层(T2g2-3、T2g2-4、T2g2-5、T2g2-6、T2g2-7、T2g2-8)为矿层；9层(T2g2-9)为顶板。

1.2 第四系残坡积(QedL)、人工堆积(Qs)

主要分布于矿区东部山脚低缓平坦处及西部山顶，矿体间接底板(T2g2-1)之上亦有较大面积的分布。岩性为褐红色粘土，具泥质结构，松散土状构造，偶含灰岩砾石，地表常含植物根茎。厚度0～10 m。第四系人工堆积(Qs)：分布于矿床各开采平台以及剥离物堆放处，系矿山开采过程中产生的各种灰岩、泥灰岩、钙质页岩等碎块及粘土混杂堆积。厚度0～2 m。

上述各层经工程揭露，均为整合接触，其接触界线较清楚，各层岩性差别较大，肉眼即可分辨，因地层倾向与坡向一致，加之厂方多年的开采，地形破坏严重，致使各细层地表出露形态极不规则，平面上呈时宽时窄的“香肠”状、条带状。

2 矿体及围岩稳固性评价

第四系人工堆积(Qs)，系采矿剥离形成的岩石碎屑、碎石、块石松散堆积层(体)和残坡积(Qedl)粘土层。Qs分布局限，顺坡堆积，在季节性地表水流侵蚀作用下，易坍塌，不构成露采矿坑最终边坡；Qedl于东部低凹平缓地段广泛分布，结构松散，强度低，干燥易碎，浸水具可塑性，构成局部露采矿坑最终边坡(⑥坡)顶部坡体，厚度≤3 m，对边坡稳定影响不大，可不予考虑。

矿区边坡层理结构面总体呈向北东倾的单斜层状产出，产状较为稳定。矿体倾角在靠近底板处较陡(35°～42°)，局部达64°，顺倾向延伸100 m后倾角变缓(20°～35°)，之后又变陡，总体产状60°～80°(倾向)，<19°～36°(倾角)；局部地段产状变化较大，并伴有皱曲现象。

矿层为T2g2-3-T2g2-8，岩性主要为灰岩、角砾状灰岩、条带状灰岩夹泥灰岩、钙质页岩等，该矿层岩体是将来矿床开采构成切向边坡和逆向边坡的主要岩体。该层边坡岩体岩溶不发育，边坡岩层分布着大量层理结构面，其边坡稳定性由层理结构面控制。岩石致密，微风化，力学强度较高，岩石坚硬；岩体层理结构面闭合比较紧密，结构面较粗糙，层间裂隙发育一般，岩体完整性一般，属于岩体中等完整，岩体中等稳固。

顶板为T2g2-9，岩性为泥灰岩、灰岩夹钙质页岩。该层中的泥灰岩岩体部分构成逆向边坡的坡顶。

T2g2-2为直接底板，岩性为条带状灰岩、页岩、钙质页岩互层，页岩、钙质页岩多呈透镜状顺层产出，为软弱夹层。由于该层有2～3个软弱夹层，整体稳固性较差，将来作为顺层边坡，势必存在较大的安全隐患。因此建议将该层不作为顺层大面积暴露的最终边坡岩体，在矿床实际开采过程，应给予足够重视。

T2g2-1为间接底板，岩性为灰岩、角砾状灰岩夹泥灰岩、钙质页岩。将来T2g2-2剥离后，由该层的可溶盐岩体构成顺层最终边坡，岩层单层厚度0.3～0.8 m，平均0.5 m。边坡形成后，坡顶及附近无软弱夹层。该层岩石致密，未风化，力学强度高，岩石坚硬；岩体完整性较好，层间裂隙不发育，结构面闭合紧密，结构面很粗糙，属于稳固的岩体。

从现场实际工程地质调查来看，该露天矿最终形成的边坡性质总体为西部为顺层边坡、北部及南部为切向边坡，东部为逆向边坡。最终顺层边坡顶部地层岩组为直接底板(T2g2-2)构成，厚度不稳定，空间分布连续性差。

总之，建议顺层最终边坡应设置在T2g2-1岩体或T2g2-3～T2g2-8岩体上，不应设置在T2g2-2层，以防可能出现的滑移。

3 边坡岩体物理力学性质

根据中国建筑材料工业地质勘查中心云南总队2000年8月提交的《云南省开远市平坝山石灰岩矿勘探报告》和云南地质工程勘察设计研究院2018年8月提交的《云南省开远市平坝山矿区水泥原料用石灰岩泥灰岩砂岩矿资源储量核实报告》中所反映的该矿床岩石物理力学性质测试结果可知，灰岩岩石平均抗压强度天然状态74.1 MPa，岩石平均抗拉强度4.64 MPa；岩石抗剪强度天然状态内聚力7～10 MPa，平均8 MPa；内摩擦角40.61°～43.63°，平均42.12°。矿石的破碎性能良好，煅烧性能、易磨性能好，满足水泥用石灰质原料矿加工技术性能要求。该石灰岩岩性的普氏坚固性系数f=7，属于较坚硬类型，坚固等级处于Ⅳ级。

根据钻孔岩芯工程地质编录、统计，结构面间距1～95 cm，平均16 cm。钻孔岩芯采取率高，岩石质量指标(RQD值)44.3 %～65.1 %，平均55.5 %，岩石质量中等，岩体中等完整。

综合工程地质调查、岩体质量评价以及现场围岩实际稳固情况进行分析研究，利用Hoek-Brown准则进行岩石物理力学参数的折减处理，所得边坡岩体物理力学参数结果见表1。

表1 边坡岩体物理力学参数取值表Tab.1 Physical-mechanical parameters of slope rock mass

4 边坡稳定性判别标准

按照满足矿山经济性与安全性兼顾的要求并结合各规范对边坡稳定性安全系数的要求，依据上述边坡稳定性判别准则，平坝山石灰岩露天矿采场设计终了边坡最大高度为190 m，若除去绿化复垦高度，今后露天采场裸露的边坡最大高度为90 m，拟定该露天矿边坡工程安全等级为Ⅱ级，其边坡安全系数评价标准为：

荷载组合Ⅰ为自重+地下水工况Fs≥1.2；

荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破振动力工况Fs≥1.15；

荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力工况Fs≥1.10。

5 计算剖面选择、模型建立

露天矿最终边坡稳定性计算和验证要选择有代表性的剖面进行计算，终了境界边坡稳定性分析根据露天境界不同分区选取了有代表性的剖面，不同位置的剖面图模型详见图2-7。并采用数值分析法分别进行了设计终了采场边坡稳定性验算分析。

图2 A-A开挖形态剖面图Fig.2 A-A profile of excavation

图3 B-B开挖形态剖面图Fig.3 B-B profile of excavation

图4 D-D开挖形态剖面图Fig.4 D-D profile of excavation

图5 E-E开挖形态剖面图Fig.5 E-E profile of excavation

图6 G-G开挖形态剖面图Fig.6 G-G profile of excavation

图7 K-K开挖形态剖面图Fig.7 K-K profile of excavation

6 露采终了境界边坡稳定性分析

平坝山石灰岩露天矿终了境界，考虑了安全平台和清扫平台宽度，进行了露天终了境界的圈定。充分考虑矿山现状西帮边坡1 215平台以上台阶已经复垦的开采现状情况，按确定的采场边坡结构参数，圈定了华新水泥(红河)有限公司平坝山石灰石矿露天开采终了境界，终了境界边坡结构参数如下：台阶高度15 m(由现场挖掘设备确定)，台阶坡面角60°，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度8 m(每隔2个台阶设置1个清扫平台)，最终控制边坡角控制在46.5°以内，同时在实际生产中，台阶坡面角及平台宽度可在保证边坡安全稳定的条件下灵活进行调整。

设计终了境界平面图及剖面图位置详见图8。并采用数值分析法分别进行了设计终了采场边坡稳定性验算分析。

稳定性计算过程：计算剖面模型建立→软件中选择破坏准则(摩尔-库伦准则)→输入岩土体物理力学指标→软件中选择工况条件→点击安全系数计算命令菜单，所有的安全系数FS值都会不断地在屏幕上显示出来。命令结束时，最终的FS值会显示出来。

6.1 基于强度折减法FLAC2D边坡稳定性分析

FLAC2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是二维快速拉格朗日法，是一种基于二维显示有限差分的数值分析软件。该次采用强度折减法FLAC2D7.0岩质边坡分析软件对景洪曼空石灰岩露天矿设计终了境界边坡稳定性进行计算分析，搜索边坡的最危险滑动面，并计算出边坡的安全系数，计算结果见表2。

图8 设计终了境界平面图及剖面位置图Fig.8 Plan and location profile of designed ultimate limit

表2 设计终了境界边坡安全系数计算结果表(FLAC2D法)Tab.2 Calculation result of slope safety factors of designed ultimate limit

图9-14是根据计算结果得出的露天开挖后边坡潜在的最不利滑动面位置图。

6.2 计算结果分析

从表2和计算结果云图中可以看出：

(1)设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水工况下(荷载组合I)，露天采场不同区域边坡剖面安全系数FS均大于1.20，满足规范II级边坡工程安全等级要求，说明开采终了境界边坡处于稳定状态，安全有一定保障，也论证了该露天开采终了境界设计方案具有一定的可行性和合理性，为后期的露天边坡开挖布置提供了指导依据。