昆阳磷矿露天采场最终边坡稳定性分析及控制

夏钢源

（云南磷化集团有限公司）

维护露天边坡的稳定是矿山安全管理的重点之一，必须采取可靠的技术和管理手段维护采场边坡安全［1-3］。诸多专家学者开展了大量研究工作，余国等［4］建立了基于GIS 的三维边坡稳定性分析扩展模块，实现多种组合荷载下的边坡稳定性计算；吴孟龙等［5］建立了定性与定量相结合的RAG-APPC 等级评价云模型，指出影响边坡稳定性的最主要因素是边坡高度；王杰等［6］建立了基于未确知测度理论的露天边坡稳定性评价模型；黄笃学等［7］采用了有限元极限平衡法开展了边坡模拟计算，提出边坡节理倾角、内摩擦角、黏聚力是控制滑坡破坏模式的主要因素；周子涵等［8］建立了爆破荷载下岩质边坡失稳的尖点突变理论模型，导出了边坡的动态自稳临界高度，并提出了失稳判据。

论文以昆阳磷矿露天采场南部边坡为研究对象，开展边坡岩体质量分级及稳定性计算分析，并提出可靠的安全控制措施，为类似条件边坡稳定性控制提供参考［9-11］。

1 概况

昆阳磷矿矿区范围内地层由老至新为震旦系灯影组（Zbdn）、寒武系下统渔户村组（ϵ1y）、中谊村组（ϵ1z）、筇竹寺组（ϵ1q）、泥盆系中统海口组（D2h）、下石炭统大塘组（C1d）及第四系（Q）。昆阳磷矿矿体在香条冲背斜南翼，东西走向，倾向向南缓倾斜的单斜构造，平均倾角为16°，其产状完全与围岩地层产状一致。

矿山露天采矿工作帮和最终边帮的边坡类型为逆向层状岩质边坡，其组成岩层为筇竹寺组一至四段（ϵ1q1-4）黑色粉砂岩、白色质泥质粉砂岩、杂色粉砂质黑色页岩、灰色暗绿色页岩、泥盆系中统海口组石英砂岩（D2h）。岩组单轴抗压强度为71.8～193.7 MPa，属坚硬岩类。依据设计台阶参数，南部靠帮边坡角为42°～50°，边坡最高高度为130 m。设计采场最终边坡设计参数见表1。

2 岩石力学测试及岩体质量分级

2.1 岩石力学参数测试

依据昆阳磷矿采场边坡揭露的工程地质岩体，有针对性地选筇竹寺组（ϵ1q1-4）黑色粉砂岩、矿体、底板砂质白云岩进行室内物理力学参数测试试验；以黄油作为耦合剂，进行6个黑页岩试块的纵波波速测试，试块为标准圆柱形试件，直径为50 mm，高度为10 cm。测试结果见表2、表3。

2.2 边坡岩体质量分级

采场边坡工程岩体因块度和不连续面的影响，现场岩体的强度往往小于岩块的强度，在岩体工程设计中，应采用岩体强度指标。因此，通过室内试验掌握岩块强度参数后，应采用规范和经验公式进行力学参数的折减。

为掌握边坡岩体的完整性类型，首先在+2 040 m水平黑页岩中布置2 个孔进行波速测试；结果表明，岩体的波速随着深度发生变化，至分界深度7 m 时纵波波速增长较小并趋于稳定值，经测试，岩体的稳定波速均值为2 189.45 m/s。

由表1 可知，黑页岩的单轴抗压强度Rc为65.65 MPa，属坚硬岩类。

岩体完整性系数Kv用声波试验结果按下式确定：

式中，V为岩体的波速，m/s；Vr为岩块的波速，m/s。

经计算，Kv=0.69。黑页岩完整性系数0.69 介于0.55～0.75，属于较完整的岩体。

边坡工程岩体质量指标：

式中，BQ 为岩体基本质量指标；［BQ］为BQ 的修正值；λ为边坡结构面修正系数，取0.65；k4为地下水影响修正系数，边坡位于浸润线以上时取0；k5为边坡工程结构面产状修正系数，因边坡倾角与结构面倾角反向，k5=0。

矿山地质资料显示，黑页岩属于常规地质岩体，无其他特殊性，BQ值可按下式计算：

经计算，BQ=469.45。

依据《工程岩体分级标准》（GB 50218T—2014），黑页岩具体划分如下：从定性而言，黑页岩属坚硬岩类，较完整的岩体，划分为Ⅱ级。从定量而言，黑页岩BQ 值为469.45，在451～550，属于Ⅱ级。结合定性、定量分析确定，昆阳磷矿边坡岩体质量分级为Ⅱ级。

3 边坡稳定性计算分析

3.1 边坡工程安全等级

矿山西侧开挖边坡与岩层结构面倾向相反，属于反坡，处于稳定状态，边坡稳定主要受控于岩体自身强度。

采场最终边坡高度平均小于130 m，为中边坡，危害等级为III 级，确定昆阳磷矿露天采场边坡工程安全等级为III级。

3.2 采场边坡稳定性分析

露天边坡稳定性计算一般选择有代表性的剖面进行，根据矿山采场边坡分布情况，这里分别在采场东部、中部和西部各选择1个计算剖面，对应剖面1—1、A—A和2—2；采用极限平衡法借助岩质边坡分析软件SLIDE进行各个剖面的稳定性计算，各剖面稳定性系数计算结果见表4。这里列出剖面1—1 计算结果，如图1所示。

注：工况I—自重+地下水工况；工况II—自重+地下水+爆破工况；工况III—自重+地下水+地震工况。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）［14］，不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数应满足表5的规定。

由边坡剖面稳定性计算结果可知，在自重+地下水工况下（工况I），采场边坡不同区域边坡剖面安全系数为1.264～1.295，均大于1.15；自重+地下水+爆破工况下（工况II），采场不同区域计算剖面安全系数为1.161～1.198，均大于1.13；自重+地下水+地震工况下（工况III），采场不同区域计算剖面安全系数为1.175～1.211，均大于1.10。

综上可知，3 个剖面计算的边坡安全系数均满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》边坡工程安全等级III 级的安全系数要求，不同区域边坡均处于稳定状态；按照设计参数进行矿山开采后，最终形成的采场边坡见图2，边坡稳定性较好，未发生失稳垮塌事故，有力证明了设计参数和计算分析结果的可靠性。

4 边坡稳定性控制措施

为进一步提高采场边坡稳定性系数，保证生产作业过程中采场边坡的安全与稳定，采取了以下控制措施：

（1）严格按照设计台阶参数开采，根据设计的最终边坡角确定采场南部开采境界线，并在实地设置明显标识，采掘工作面沿着警戒线布置。

（2）靠帮边坡采用预裂爆破技术［15］，通过精准测量、布孔等技术措施保证预裂线严格与边坡线平行，降低规模开采爆破振动对边坡稳定性的影响。

（3）邻帮爆破时控制每次爆破的规模，减小单次爆破炸药使用量，降低爆破振动危害。

（4）为减少边坡岩体的暴露时间，采用沿矿体走向分区开采，提高分区回采效率。

（5）设置采场边坡位移监测系统，布置多个位移监测点，及时掌握边坡变形演变规律，指导生产边坡稳定性控制。

5 结论与建议

（1）昆阳磷矿南部边坡是逆层边坡，边坡工程安全等级为III 级。典型剖面的SLIDE 计算分析表明，采场边坡安全系数满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》的要求，采场边坡处于整体稳定状态。按照采场设计参数回采后，边坡稳定性较好，证明了设计参数和计算分析结果的可靠性。

（2）在矿山开采过程中，采取靠帮预裂爆破、控制邻帮爆破规模和炸药使用量、设置边坡变形监测点等控制措施，是保证采场边坡安全的重要技术手段，对于提高昆阳磷矿南部边坡的安全与稳定发挥积极作用。

（3）建议采用“客土喷播”等技术进行采场边坡的复垦绿化，创建优良的矿区生态环境，为绿色矿山建设创造有利条件。