某石墨露天矿边坡稳定性分析研究*

2022-07-13谢东伟

现代矿业 2022年6期

赵彬谢东伟

（1.五矿勘查开发有限公司；2.萝北县经济技术开发区管理委员会）

露天矿山边坡参数选取的合理性关乎矿山安全生产，决定着矿山经济效益。科学有效地进行边坡稳定性分析与评估，是确定矿山边坡参数选取合理性的主要手段，根据评估结果对边坡参数进一步优化调整，才能实现安全生产和企业经济效益最大化［1-2］。随着数值模拟技术的发展与应用，越来越多的专家和学者借助ABAQUS、Geo-studio、Midas、FLAC等大型模拟软件［3-7］，对边坡稳定性进行模拟分析，提高了露天矿山边坡稳定性评估的准确性，提升了边坡稳定性评估工作效率。

边坡稳定性影响因素较多，需要综合考虑工程、地质、水文等多方面要素，而Geo-slope软件具有内嵌模块多、计算精度高等优势，能够对复杂条件下的边坡稳定性进行有效模拟。潘祖瑛等［8］将Geo-slope软件应用到露天矿山边坡稳定性分析中，取得了良好效果。鉴于此，为判断某石墨矿边坡设计参数是否合理，考虑了边坡稳定性具有随机性和不确定性的特点，本研究采用Geo-slope软件，基于简化Bishop法极限平衡理论，模拟边坡在不同工况条件下的稳定性状态，与设计允许安全系数进行比较，分析判定边坡稳定性情况；并使用博弈论—云模型边坡稳定性综合评价模型进行分析，以对结果做出综合评判。

1 工程概况及评估方案

1.1 露天矿概况

萝北县某石墨矿区矿石以片岩型和变粒岩型石墨矿石为主，其次为片麻岩型、混合岩型和含大理岩型石墨矿石，岩性以坚硬岩—较坚硬岩为主，完整程度以较完整—较破碎为主，岩体整体上为Ⅲ类岩体，工程地质条件中等。该矿区已探明石墨工业矿石量为26 438.39万t（（332）+（333））。该矿区已开采近30 a，原有采矿权范围内已完全形成采坑，地表植被全部破坏，采坑面积约373 125 m2，采坑底部标高为240～260 m，南北长约700 m，东西宽约500 m，边坡高度为20～60 m，工作面边坡角一般为70°，局部有滚石及土体滚落滑落，稳定性较差。为对矿产资源安全、高效、规范化开发，对该矿区重新进行了开采设计。

根据矿山岩石力学条件，初步圈定了露天开采境界：采坑东西长2 480 m，南北宽1 185 m，采场最高水平为406 m，底部标高为230 m，边坡最高为176 m。对露天采场边坡参数进行了设计：台阶高度为12 m，台阶坡面角为65°～70°，边坡靠近地表覆盖层坡面角为55°～60°，安全清扫平台宽度为6～20 m；不考虑路肩及挡车堆，道路路面宽度设计为单车道7 m，双车道12 m；采用类比法确定露天采场最终边坡角42°。

结合项目地质报告、现场调研和室内岩石力学试验，得到各类岩石主要力学参数见表1。

1.2 边坡剖面选择

根据采场几何形状以及边坡高度分布情况，本次选取A—A、B—B、C—C、D—D共4个典型边坡剖面进行稳定性评估。露天采场开采境界及典型边坡剖面位置关系如图1所示。4个典型边坡剖面的高程信息及岩体主要构成情况如图2所示。

1.3 边坡允许安全系数

研究表明，边坡稳定性受到工程（如边坡高度、边坡坡度、地震烈度、爆破质点振动速度等）、地质（如单轴抗压强度、RQD、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等）、环境（如地下水、最大过程降雨量等）等多方面的综合影响。为便于模拟与综合评估，本次考虑自重+地下水（工况1）、自重+地下水+爆破振动力（工况2）以及自重+地下水+地震力（工况3）3种情况，应用Geo-slope软件，计算不同工况条件下的边坡最小安全系数。依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）的相关规定，综合考虑露天矿边坡高度以及危害等级，初步判定边坡工程安全等级为Ⅱ级。不同工况条件下总体边坡允许安全系数见表2。为提高数值模拟的可靠性，各工况条件下的边坡允许安全系数取规范要求的最大值，即工况1～工况3允许安全系数分别为1.20、1.18、1.15。

2 露天矿山边坡稳定性分析

2.1 Geo-slope软件

Geo-slope软件是一款大型有限元数值模拟与分析软件，该软件内嵌了边坡分析计算模块（SLOPE/W）、渗流分析模块（SEEP/W）、岩土应力应变场分析模块（SIGMA/W）、温度场分析模块（TEMP/W）、地震应力应变场分析模块（QUAKE/W）及介质运输分析模块（CTRAN/W）。Geo-slope软件模块之间可以紧密结合，不仅可以应用于边坡稳定性分析，还可以对温度、应力应变、地震等进行综合分析。本研究主要应用Geo-slope软件中的SLOPE/W模块进行边坡稳定性分析。

2.2 安全系数计算原理

采用极限分析法中计算精度较高的简化Bishop法，在计算时，假定条块间的切向力忽略不计，边坡力系分析如图3所示，此时简化Bishop法边坡安全系数计算公式可以表示为［8］

式中，Fs为安全系数；mai为第i个条块的计算系数；αi为第i个条块底部的倾角，（°）；Wi为第i个条块的重力，N；Ci为第i个条块的黏聚力，N；bi为第i个条块的长度，m；Ui为第i个条块的孔隙水压力，N；φi为第i个条块的有限内摩擦角，（°）；R为滑面半径，m；Qi为第i个条块所受的水平作用力，N；ei为第i条块所受的法向条间力，N。

2.3 边坡岩体力学参数

在实际工程中，由于边坡围岩存在断层或者结构面等缺陷，工程岩体强度并不同于岩石强度，本研究采用经验法对边坡岩石强度进行折减（表3）。

2.4 模拟结果

根据岩体力学参数，运行Geo-slope软件，计算各边坡剖面不同工况条件下的最小安全系数。在计算数值模拟时，对坡面设定为自由边界，对边坡底部设定位固定约束边界，模型四周设为单向边界。限于篇幅，仅展示各边坡剖面工况3的模拟结果，如图4所示，最小安全系数计算结果统计见表4。

根据以上结果，各边坡在工况1条件下最小安全系数分别为1.559、1.282、1.495和1.534，均大于边坡允许安全系数1.20；在工况2条件下最小安全系数分别为1.517、1.250、1.456和1.493，均大于边坡允许安全系数1.18；在工况3条件下最小安全系数分别为1.479、1.219、1.421和1.456，均大于边坡允许安全系数1.15，表明4个边坡安全性较高，稳定性较好，属于基本稳定状态；受边坡高度等因素影响，边坡B—B最小安全系数最小，稳定性稍差；平面滑动、圆弧滑动、楔形破坏、倾倒破坏和溃屈破坏是岩质边坡最常见的破坏类型，该矿区边坡岩体以较完整性—较破碎为主，从模拟边坡破坏与发展情况来看，主要表现为圆弧滑动。

2.5 边坡稳定性综合评价

考虑到云模型在处理具有随机性和不确定性问题的突出优势，为提高边坡稳定性评估结果的可信性，建立了基于博弈论—云模型的边坡稳定性综合评价模型。在计算过程中，首先，选取了坡高、坡角、黏聚力、内摩擦角、岩石质量指标、地震烈度等指标构建综合评价指标体系；其次，采用改进FAHPCRITIC法和博弈论计算指标综合权重；通过运行MATLAB软件，生成单指标云模型云图，并计算单指标隶属度和综合确定度，最后，基于最大隶属度原则，判断分析边坡稳定性。考虑到工况3为极限条件，以该条件为研究基础，进行边坡稳定性综合评估。各指标分级标准及具体计算过程见文献［9］，其中Ⅰ级～Ⅴ级分别表示为稳定、较稳定、基本稳定、不稳定和极不稳定，计算结果见表5。

根据表5计算结果，选取的4个典型边坡剖面稳定性均为Ⅲ级，即属于基本稳定等级，与Geo-slope模拟计算结果完全一致，表明边坡参数设计能够满足工程安全性要求。现场调研发现，边坡B—B岩性结构相对复杂，高度较高，岩性相对破碎，边坡稳定性稍差，在实际开采过程中需要格外关注。