某白云岩矿露天边坡稳定性分析

杨天宝

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

某白云岩矿露天开采多年，形成一处露天采场，采场上口宽度(长×宽)440 m×270 m，最大边坡高度约为340 m，边坡角52°左右(局部达到69°)，采场边坡属于高陡边坡，易发生坍塌导致安全事故。为确保日常生产安全，采用理论分析和数值模拟相结合的方式对现状条件下的露天采场边坡进行稳定性分析。

1 矿山边坡现状及分区

根据拟定各个分区边坡所在区域的水文地质条件、工程地质条件、矿岩性质以及矿岩结构构造等特征，同时充分考虑边坡几何形状和倾向进行现状条件下边坡分区的划分。对现状条件下边坡进行分区，将相同类似的现状边坡统一在一个分区考虑，定性和定量分析其边坡岩体破坏模式和现状条件下的稳定性。分析结果具有代表性，且分析工作量小。

该矿山矿体为中厚层粉晶白云岩，赋存于长城系高于庄组三段上部，顶板为灰-灰黑色中厚层粗粒白云质灰岩，底板为含燧石条带白云质灰岩。矿体顶、底板围岩岩体结构为整体块状结构，层状结构面，层与层之间具有结合力。

矿山露天开采最终边坡岩性单一，为厚层～中厚层沉积岩体，岩体致密坚硬、力学强度高，矿床地质构造简单。

根据各边坡的边坡几何形状和倾向、倾角，将矿区范围内的露天边坡划分为4个边坡分区[1]，详见表1。

表1 各分区剩余资源量汇总表

2 边坡稳定性分析

2.1 概述

该矿山边坡工程地质条件属于简单类型，最低边坡高度100 m、最高边坡高度340 m；露天边坡靠帮后进行并段，在达到要求的边坡角的前提下，减少剥岩量。

2.2 工程地质经验类比法

工程地质经验类比法作为重要方法之一，在边坡稳定性分析方面应用广泛，在信息高速传播的今天，主要通过与自身相似程度高的矿山进行对比分析，相似程度对比内容主要包括开采矿种、生产规模、露天采场大小和高度、生产年限等。

由表2可以看出，Ⅰ分区、Ⅱ分区、Ⅲ分区采场各边坡的边坡角均位于《采矿设计手册》中推荐的最终边坡角安全范围内，且均靠近下限或者远离下限，边坡稳定性较好，能够保证长期稳定。Ⅳ分区边坡的边坡角均位于《采矿设计手册》中推荐的最终边坡角安全范围外，边坡稳定性比较差，有较大可能出现滑坡等失稳破坏问题。

表2 工程地质类比法安全性分析

根据国内外露天矿山的生产实践经验，采用工程地质类比法选定的边坡角往往都偏于安全保守，安全系数较高，其精确度不如计算法高。

2.3 边坡稳定性计算

边坡稳定性系数是影响边坡安全性的主要因素之一，边坡稳定系数等于边坡沿滑面产生的抗滑力与滑动力的比值。当该比值=1时，边坡处于极限平衡状态；该比值>1时，边坡处于稳定状态；该比值<1时，边坡处于失稳状态[2-4]。

定量分析主要是利用GeoStudio软件中的SLOPE/W模块计算各分区边坡的稳定性系数。

该矿山边坡为岩质边坡，岩体结构为块状结构，采用萨尔玛法(Sarma)进行边坡分析计算。萨尔玛法(Sarma)属于刚体极限平衡法之一，该方法能够同时满足力矩平衡和力的平衡要求，对任意形状的潜在滑动面都能得出较好的计算结果。

1)岩体力学参数的选取

本文根据矿山岩石的物理力学参数，参考《工程岩体分级标准》对该矿的边坡岩体进行岩体基本质量分级，确定各个分区拟分析剖面岩体的物理力学参数。主要选取步骤如下：

(1) 对各个分区拟分析剖面岩体进行基本质量分级，计算BQ值；

(2) 根据BQ值确定各个分区拟分析剖面岩体基本质量级别；

(3) 根据《工程岩体分级标准》附录D.0.1表格的岩体物理力学参数经验值，结合国内露天白云岩矿山的岩体物理力学参数，选取各分区岩体的物理力学参数。

(4)根据《工程岩体分级标准》，计算各个分区拟分析剖面岩体基本质量指标BQ，见公式(1)

BQ=100+3Rc+250Kv

(1)

式中：BQ—岩体基本质量指标；Rc—岩石饱和单轴抗压强度；Kv—岩体完整性指数。

参数选取及各类岩体物理力学参数详见表3。

表3 岩体物理力学参数表

2)地震力

根据矿区及周边地区的地震资料，该地区地震基本烈度按6度设防，加速度取0.05 g，地震影响系数取Ks=0.04。按露天爆破振动频率7 Hz、爆破振动速度8 cm/s、动力系数0.2计算，矿山的爆破振动影响系数取Kz=0.08。按地震影响系数为0.08，据此进行边坡稳定系数求解。

3)模型的建立

根据矿山的水文地质条件、工程地质条件、矿岩性质、矿岩结构构造等特征及边坡现状等情况，同时充分考虑边坡几何形状和倾向进行现状条件下边坡分区的划分，最终将露天采场现状边坡划分为4个分区，在划分的各分区选择最具代表性的边坡剖面分别建立分析模型，对各分区的边坡整体稳定性进行分析计算。

以下以Ⅱ分区B线为例，建立的边坡分析模型参数见图1，单元尺寸为m。

图1 B-B′线边坡分析模型

4)各分区总体边坡稳定性计算分析

目前露天采场最低平台处于最低侵蚀基准面以上，边坡岩体内没有地下水存在，因此本文不考虑地下水对边坡稳定性的影响。在正常工况(自重)和地震工况(自重+地震力)两种条件下分别分析计算边坡稳定性系数。

利用SLOPE/W 模块，采用sarma法，分别对建立的各分区露天边坡模型进行了正常工况(自重)和地震工况(自重+地震力)两种条件下分别分析计算边坡稳定性系数。

表4 采场边坡稳定系数计算结果表

图2 D-D′剖面线稳定性系数(正常工况)

图3 D-D′剖面线稳定性系数(地震工况)

图4 E-E′剖面线稳定性系数(正常工况)

图5 E-E′剖面线稳定性系数(地震工况)

5)结论分析

(1)通过对各剖面线边坡的稳定系数进行计算，Ⅰ分区、Ⅱ分区、Ⅲ分区露天采场在正常工况下，各剖面线边坡稳定系数均>1.15；地震工况下，各剖面线边坡稳定系数均>1.10。

由以上计算结果可知：在正常工况和地震工况下，Ⅰ分区、Ⅱ分区、Ⅲ分区各剖面线边坡稳定性较好，边坡稳定系数能够达到《非煤露天矿山边坡工程技术规范》的安全要求，安全系数较高，总体边坡发生大规模滑坡的可能性很小。

(2)通过对各剖面线边坡的稳定系数进行计算，Ⅳ分区高陡边坡在正常工况下，各剖面线边坡稳定系数在1.2～1.25之间，在规定的安全范围临界值1.2附近；地震工况下，各剖面线边坡稳定系数在1.103～1.123之间，小于规定的安全范围临界值1.15。

由以上计算结果可知：在正常工况下，Ⅳ分区高陡边坡的稳定系数在《非煤露天矿山边坡工程技术规范》规定的安全范围临界值附近，目前处于临界稳定状态，安全系数偏低，受外界因素(降雨、温差、冻融、振动等)影响，有发生失稳破坏的可能；在地震工况下，Ⅳ分区高陡边坡的稳定系数小于《非煤露天矿山边坡工程技术规范》规定的安全范围临界值，安全系数不能满足安全生产的要求，存在一定的安全隐患。

3 边坡处理建议

1)Ⅳ分区高陡边坡应立即进行削坡处理，降低最终边坡角，以确保安全。

2)在高陡边坡整治完成之前，Ⅳ分区高陡边坡底部修筑防滚石挡墙，并在外边缘设立警示标志，禁止无关人员靠近，并派专人定期检查和维护该露天边坡，及时清扫滚落的岩石。

3)靠近地表的上部岩体，风化比较严重，且节理裂隙比较发育，对降雨、温差、冻融等外部因素的变化比较敏感，矿山在后期应加强对这部分边坡的监测工作，并采取相应的措施，以控制外界因素对边坡稳定的影响。

4)露天采场边坡的稳定性受爆破效应和风化作用影响，最容易发生的变形破坏形式是破碎岩体的崩塌和剥离，矿山在降雨和强风天气应暂停运输作业，大雨过后和爆破作业结束后应对边坡的安全进行全面排查，重点对强风化带进行检查，确认安全后再恢复生产。

4 结语

1)通过定性、定量分析，四个分区当中Ⅰ分区、Ⅱ分区、Ⅲ分区现有边坡比较稳定，保持规范生产，按设计留设边坡和平台，可确保生产安全。

2)Ⅳ分区高陡边坡稳定性较差，计算两个剖面线边坡稳定系数小于规定的安全范围，出现失稳破坏的可能性较大，矿山应尽快采取治理措施。

3)GeoStudio软件中的SLOPE/W模块计算各分区边坡的稳定系数安全可靠，随着生产进行，边坡形态不断变化，矿山应及时绘制剖面，重新进行稳定系数计算，以便更好地指导生产。