龙头-硐底石灰石矿露天采场设计边坡稳定性评价

2022-08-19周勇

露天采矿技术 2022年4期

周勇

（四川铸创安全科技有限公司，四川成都 610000）

露天采场边坡的稳定性受多种因素影响，例如：边坡高度、边坡角、岩土力学性质、岩体结构面等等。边坡体中赋存的结构面较为发育，且赋存有软弱夹层介质，边坡稳定性会受到影响，可能会造成边坡局部垮塌、滑坡等灾害[1-3]。

在露天采场边坡稳定性研究方面，多位学者开展了相关研究工作。余正方等[4]利用2 种方法，对场边坡进行了极限平衡分析与数值模拟分析，得到了边坡稳定性结果；习泳等[5]采用多种分析方式对矿山边坡分析了稳定性问题，进一步解决了矿山生产过程中出现的采剥不协调的问题；李琪琪等[6]利用多种方法，开展了边坡稳定性分析工作，评价了边坡的安全性；尤耿明等[7]以含软弱夹层的边坡体作为研究对象，研究了软弱夹层岩土体致使边坡滑坡的机理；杨天宝[8]依据具体的工程地质条件，将露天采场划分为多个分区，采用极限平衡分析方法对分区进行了边坡稳定性分析，得到了最危险的区域。

龙头－硐底石灰石矿位于四川省境内，根据矿山地形、地质条件及矿山开采规模，采用自上而下、水平分层的露天采矿方法，其设计的采场结构参数为：生产台阶高度15 m；工作台阶坡面角75°；最小工作平台宽度45 m；最小工作线长度150 m（单台采装设备）。该石灰石矿露天采场岩体结构面较为发育，并存在软弱夹层，对露天边坡的稳定性十分不利。因此，为论证该石灰石矿设计边坡的安全稳定状况，采用有限元和极限平衡方法对该露天边坡开展了稳定性分析。

1 矿山地质

矿区出露志留系中统及上统、二叠系下统分布。

1）志留系中。统分布于矿区南部，岩性以砂、页岩夹泥灰岩为主，与下伏地层呈整合接触，厚约426 m。

2）志留系上统。上志留统：分布于矿区南部，岩性主要为紫红色页岩及紫红色泥岩。与下伏地层呈整合接触，厚约134 m。

3）二叠系下统。①栖霞组：分布于矿区中部，岩性主要为浅灰－灰色微晶灰岩夹生物碎屑灰岩，为矿区内石灰岩矿体，与下伏上志留统地层呈假整合接触，厚约129 m；②茅口组：分布于矿区北部，岩性主要为浅灰色至深灰色生物碎屑灰岩夹灰岩，为矿区内石灰岩矿体，与下伏栖霞组地层呈整合接触，厚约390 m；③第四系：矿区内第四系分布较为广泛，总体覆盖率约85%，但厚度较薄。除矿区北部临近公路一侧因地势相对低洼而厚度较大外，其余分布于栖霞、茅口组表面的第四系沉积物厚度均很小，一般厚约0.30～1.30 m，局部漏斗处可达1.50～2.00 m，但漏斗规模极小，第四系覆盖地段亦即矿区耕作土或竹林，覆盖物成分主要为石灰岩风化后形成的残积物及坡积物，由黄灰色粉质黏土及少量碎石组成。

矿区位于珙长背斜西段北翼，地层呈单斜层产出，未见破坏矿层和地层的断裂构造。地层总体呈北西西-南东东向展布，倾向约12°～18°，倾角59°～73°。区内发育有2 组裂隙，1 组为顺层裂隙（层间裂隙），另1 组为垂直裂隙。在地表水和地下水的作用下，灰岩中的这2 组裂隙演变为岩溶裂隙。

岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

2 极限平衡分析

2.1 许用安全系数

采用slide 极限平衡分析软件开展了龙头－硐底石灰石矿边坡的安全系数分析。依据规范要求，边坡需要开展4 种工况的分析：①工况Ⅰ：自重加地下水条件；②工况Ⅱ：自重与地下水、爆破振动力组合条件；③工况Ⅲ：自重与地下水、地震力组合条件；④工况Ⅳ：自重与地下水、降雨组合条件[3-9]。4 种工况下的许用安全系数分别为[10]1.20、1.15、1.10、1.10。

若剖面极限平衡分析得到的安全系数结果大于许用安全系数时就属于稳定状态；当安全系数结果大于1 且小于许用安全系数时就属于基本稳定；当安全系数结果小于1 时就属于不稳定状态。

2.2 分析结果

3 个边坡剖面的安全系数见表2。

表2 边坡剖面安全系数

由表2 已知，各边坡稳定性工程地质分区在4种工况条件下，计算所得边坡整体安全系数均大于规范要求的安全系数。分析结果说明了设计的边坡角的角度能够保证边坡稳定性。

分析软件采用了Bishop、Spencer 与M－P 计算方法，最终得到的安全系数大小差异较小。因此，可以说明本次采用的3 种计算方法对边坡安全系数影响较小，分析方法对边坡安全系数计算结果影响可以忽略不计。通过计算结果可知，在同一个边坡角前提下，边坡高度越高，安全系数越小。边坡角大小是影响边坡安全系数大小的重要因素之一，其中剖面3 是3 个计算剖面中安全系数最小，主要是因为剖面3 处设计的整体边坡角为51.15°，边坡角比其他区域的要大。由表2 可得到，剖面3 的安全系数在工况Ⅰ条件下为1.203，比较接近规范要求的1.20；在工况Ⅱ条件下的安全系数为1.163，比较接近规范要求的1.15；在工况Ⅲ条件下的安全系数为1.117，比较接近规范要求的1.10；在工况IV 条件下的安全系数为1.110，比较接近规范要求的1.10。因此，可以判定剖面3 处边坡的边坡角已经达到优化结果最大化程度了。

在4 种工况条件下，工况IV 与工况III 的安全系数接近，总体工况IV 比工况III 的安全系数要小。在相同许用安全系数标准下，需要使边坡安全系数较小的工况满足要求。

3 二维有限元分析

采用phase 有限元模拟软件，开展了石灰矿边坡稳定性二维模型计算分析。

3.1 剖面1 结果

剖面1 剪应力计算结果云图如图1，剖面1 位移计算结果云图如图2。

图1 剖面1 剪应力计算结果云图

图2 剖面1 位移计算结果云图

由图1 已知，剖面1 模型坡体的破坏区主要为拉剪破坏区，拉破坏区主要分布在台阶坡面及坡面底部与平台交接区域，整体分布在边坡中部区域。

剪切破坏区主要分布在坡体深部岩体和坡脚。主要表现为从边坡坡顶后部往坡体岩体内部发展变化，贯穿到坡脚，类似圆弧形滑动的潜滑面。强度折减法计算的安全系数为F＝1.79。

由图2 已知，剖面1 模型开挖坡体的位移主要是向采场移动，位移较大处为坡体中部范围，最大值为0.30 m。

3.2 剖面2 结果

剖面2 剪应力计算结果云图如图3，剖面2 的剪应力计算结果云图如图4。

图3 剖面2 的剪应力计算结果云图

图4 剖面2 位移计算结果云图

由图3 已知，剖面2 模型坡体的破坏区主要为拉应力破坏区和剪切破坏区。拉破坏区主要分布在台阶坡面及坡面底部与平台交接区域，整体分布在边坡中部区域。剪切破坏区主要分布在坡体深部岩体和坡脚。主要表现为从边坡坡顶后部往坡体岩体内部发展变化，贯穿到坡脚，类似圆弧形滑动的潜滑面。强度折减法计算的安全系数为F＝1.33。

由图4 已知，剖面2 模型开挖坡体的位移主要是向采场移动变化，位移较大处为坡体中部范围，最大值为0.10 m。

3.3 剖面3 结果

剖面3 剪应力计算结果云图如图5。剖面3 位移计算结果云图如图6。

图5 剖面3 剪应力计算结果云图

图6 剖面3 位移计算结果云图

由图5 已知，剖面3 模型坡体的破坏区主要为拉应力破坏区和剪切破坏区，拉破坏区主要分布在台阶坡面及坡面底部与平台交接区域，整体分布在边坡中部区域。剪切破坏区主要分布在坡体深部岩体和坡脚。主要表现为从边坡坡顶后部往坡体岩体内部发展变化，贯穿到坡脚，类似圆弧形滑动的潜滑面。强度折减法计算的安全系数为F＝1.27。

由图6 已知，剖面3 模型开挖坡体的位移主要是向采场移动变化，位移较大处为坡体中部范围岩体，最大值为0.119 m。