穿岩洞矿采场边坡参数优化及稳定性分析

易先良

（瓮福（集团）有限责任公司瓮福磷矿）

目前，随着露天开采深度的逐步增加，许多矿山已形成高陡边坡，采场边坡失稳时有发生，超采问题逐渐凸显，需要以稳定性为前提，对边坡参数进行精细化设计［1-2］。随着露天开采揭露的地层越来越多，更多的地质信息被获取，从而很有必要对矿山边坡岩体工程重新进行稳定性分级与优化［3-4］，以达到更好的安全和经济效益，同时，可以为边坡不稳定地段防治的精细决策提供依据［5-7］。

本研究针对穿岩洞矿露天采场边坡存在的问题，在原设计方案基础上进行精细化优化设计，并利用数值模拟对优化后的边坡安全稳定性进行分析，为矿山后期精细化开采和安全生产提供依据。

1 工程概况

瓮福磷矿穿岩洞矿为露天开采矿山，矿区南北长2.4 km，东西宽1.4 km，面积约为3.36 km2。穿岩洞矿位于白岩矿段南部，矿体为背斜产出，呈南北走向、东西倾向。矿体为层状（A 层和B 层），平均厚度为16.855 m，矿床埋藏深，剥采量大。目前，穿岩洞露天矿采场最高生产标高为1 392 m，最低标高为996 m，开采露天坑南北长约1 650 m，东西宽约1 010 m，台阶高度为12 m，个别平台进行了并段。本次研究的区域为采场的东南帮和南帮边坡，现生产标高在1 080～1 392 m，垂直高差为312 m。

瓮福磷矿穿岩洞矿经过近10 a的开采，因实际开采顺序发生变化，导致边坡参数计算初始条件有所改变。同时，原设计中穿岩洞矿各区边坡只按分区进行了简单设计，部分边坡安全系数偏大，存在优化空间。且按照原设计方案继续开采，南帮将存在一定超采问题。因此，需要对东南帮与南帮终了边坡重新进行优化。

2 采场边坡优化设计与稳定性计算

南帮和东南帮终了边坡原设计最终边坡角均为42°。在待优化区域选取10 条剖面对终了边坡进行优化，具体剖面位置见图1。考虑矿山开采工艺及设备保持不变，优化平台宽度和台阶高度维持原设计不变，分别为10 和24 m，以安全、不超采和经济性为基准，寻找最优台阶坡面角和最终边坡角。

参照相应规范，穿岩洞矿边坡工程安全等级为Ⅰ级，其安全系数限值为1.15～1.25。爆破是露天矿生产的常态，而地震是一种偶发瞬时荷载，规范中指出，考虑地震时其安全系数限值可适当降低。为此，在自重工况下边坡评价为“稳定”时取区间上限值1.25，自重+爆破工况下取值1.23，在自重+地震工况下则取区间下限值1.15。据此，本次计算安全系数评判标准见表1。

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2.1 东南帮边坡优化设计

东南帮不存在超界问题，同时原设计边坡的安全稳定系数较大（台阶坡面角55°，最终帮坡角42°），具有优化空间，目标是通过增大台阶坡面角来提高整体边坡角。

利用GeoStudio 软件计算剖面的边坡安全系数。根据现场评估，研究区段内的边坡岩体主要为陡山沱组白云岩，边坡白云岩RMR 值介于50～60，矿体介于53～55，所使用的岩体力学参数见表2。采用Bishop Simplified（简化毕肖普法）与Morgenstern-price（摩根斯坦-普拉斯法）2 种极限平衡法，在自重条件下，计算出各剖面的安全稳定性系数。图2 为东南帮新增4#剖面计算结果。

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参考穿岩洞矿已靠帮边坡角情况，提出不同优化方案进行比选。经过计算分析，通过整体增大台阶坡面角进而提高最终边坡角不适用于东南帮边坡，因此本研究提出上缓下陡两段式与上缓下陡中间过渡三段式2 种变角度优化方案。因1 164 m 平台有断层出露，需要考虑断层的影响，故上缓下陡分界线以1 164 m 平台为界，即下部996～1 164 m 采用陡帮开采，上部1 164 m 平台至坡顶采用缓帮开采。在考虑现场实际情况下，通过极限平衡法广泛计算对比后发现，所有剖面在下部陡帮开采采用65°台阶坡面角的情况下已经处于基本稳定状态，同时，方案中上缓下陡两阶段区域在下陡65°、上缓59°，上缓下陡中间过渡三阶段区域在下陡65°、中间过渡56°/59°、上缓43°时，各剖面在相应工况下的安全系数均满足或超过“稳定”的安全系数要求。部分计算结果见表3。

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按照优化后的边坡参数进行开采，每个剖面平均单位长度减少的剥离量均在1万m3以上，经济效益良好，具体计算结果见表4。

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2.2 南帮边坡优化设计

根据计算，为保证不超采（终了开采境界在矿权界线内），主要调整新增8#剖面，其顶界控制点至少应回缩75.58 m。为此，本研究的优化目标：①满足南帮采场边界不超界，缩回至矿权界限内；②确保调整后的南帮、东南帮采场边坡安全稳定；③提升经济效益。

通过计算，在顶界控制点回缩75.58 m 但底界不变时，最终边坡角为48.13°，此时其自重条件下的安全系数为1.21，小于1.25，不满足“稳定”条件，在爆破振动与地震工况下同样如此。故仅回收顶界而底界不变无法满足安全稳定条件，因此，需将其底部回缩。经过广泛计算，当8#剖面底部边界向坑内回收20.83 m 时（图3），安全系数满足各工况安全稳定要求。

同时，经过极限平衡法计算，若将南帮作为整体进行优化，台阶坡面角统一取59°时，即可保证整个南帮区域在不超界的情况下，满足安全稳定条件。但当采用这种整体优化方式时，虽在安全性上已符合要求，但并不是最经济的方案。在保证安全稳定性的前提下，尽量减少矿山的剥离量，选择了上缓下陡分段式变角度优化方案。基于矿山地质条件，南帮区域若要实现整体分段设计，应以断层出露的1 164 m 平台为界，上段台阶坡面角应≤59°，下段台阶坡面角应≥62°，才能不超过各剖面的最大允许台阶边坡角。但通过极限平衡法计算发现，当下段台阶坡面角＞65°时，新增7#剖面的安全系数不满足要求。为保证南帮边坡的稳定与不超采，南帮最优方案建议采用上缓56°下陡65°的分段式开采方案，此时不仅能满足南帮不超采和安全稳定，同时该方案经济性优于整体式优化方案。如表5所示，与整体式优化方案相比，分段式能减少更多剥离量，从而获得更好的经济效益。

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因此采用上分段（1 164 m平台以上）台阶坡面角56°、下分段（996～1 164 m 平台）台阶坡面角65°的分段式剥离回采方案时，可以同时满足开采不超界、安全且更经济的要求，优化后南帮边坡参数如表6 所示。上缓下陡分段式优化方案相比原设计方案每单位长度共减少剥离总量7 993 m3。

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3 数值模拟验证

基于前述优化方案，建立优化后的三维数值模拟模型，研究整体边坡的稳定性情况，确保调整后的南帮、东南帮采场边坡安全。

3.1 模型的建立

本研究中采场边坡稳定性分析所需的三维数值模型采用Midas GTS 创建生成，通过3DMine 数字矿山软件构建的三角网模型与Midas GTS 数值分析软件结合，实现三维地质建模并进行网格剖分，最后导入有限差分计算软件FLAC3D中进行计算。图4为最终形成的穿岩洞采场边坡稳定性分析FLAC3D三维数值模型，模型X方向尺寸为1 613 m、Y方向尺寸为1 652 m，由140 余万个四面体、六面体单元混合形成。建模完成并进行地应力平衡后，对优化设计的最终境界进行模拟，分析穿岩洞矿露天开采过程中应力、位移的分布规律。

3.2 数值计算模型与参数

研究区段内的边坡岩体主要为陡山沱组白云岩，数值模拟所采用的岩体力学参数采用表1中的数据。重力加速度设置为9.8 N/kg。模型除了地表自由面以外，其余各面均采用位移约束作为边界条件。模型采用摩尔-库伦准则进行计算。

3.3 模拟结果

3.3.1 位移场

从位移变化计算结果（图5）来看，按推荐最优方案设计回采时，其危险区域集中于东南帮边坡较高位置，南帮区域未出现明显的位移变形。因此，所推荐的最优方案对于南帮开采满足要求；对于东南帮，由于边坡总体坡高较高，1 188 m 平台以上依然属于高风险区，其变形相对明显，剥离回采应尽可能减少工 程扰动，并做好该区域的现场实时监测与信息反馈。

3.3.2 应力场

图6 为按推荐最优方案开采至终了境界时，采场边坡应力分布云图。根据计算结果，优化开挖区域最大主应力主要集中于露天坑坑底位置，边帮体上未出现最大剪应力集中，也没有出现最大剪应力区贯通现象，根据最大剪应力破坏准则，优化后的采场边坡不会发生规模性失稳。

3.3.3 剪变场

由图7 可知，最大剪应变发生在采场东南帮边坡新增2#～4#剖面底部，该区域风险相对较高，新增2#与原21+150#剖面上的最大剪应变增量均不大，分别为6.97×10-2与6.40×10-2。同时安全系数计算结果显示，研究区域的安全系数为1.316，满足安全稳定要求，所推荐优化方案基本能维持稳定。

4 结 论

（1）东南帮终了边坡采用上缓下陡两段式与上缓下陡中间过渡三段式2种分段优化方案，方案中台阶剖面角在下陡65°、上缓59°的两阶段，在下陡65°、中间过渡56°/59°、上缓43°的三阶段时，各剖面在相应工况下的安全系数均满足要求，同时每剖面平均单位长度减少的剥离量均将在1万m3以上，经济效益良好。

（2）南帮终了边坡采用上缓下陡两段式分段优化方案，同时为解决终了边坡超界问题，新增8#剖面顶界控制点回缩75.58 m，底部边界向坑内回收20.83 m。方案中两阶段区域台阶剖面角在上缓分段56°、下陡分段65°的分段式剥离回采方案时，可同时满足开采不超界并安全稳定的要求，并且优化方案每剖面平均单位长度减少剥离量数千方。

（3）根据穿岩洞采场边坡数值模拟计算结果，南帮、东南帮最终边坡角若从42°提高至最优推荐方案最终边坡角，安全系数为1.316，满足安全稳定要求，推荐的最优方案能保证整个区域的稳定。从位移场、应力场等结果分析可知，在东南帮新增2#～4#剖面边坡位置发生较大变形位移风险相对较高，此区域回采剥离时应加强监测预警管理力度。