某采石场露天边坡稳定性分析及治理

保瑞，郁华嘉，朱辉，狄巍，叶淑芬

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500；3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

露天采场边坡安全稳定是矿山企业的生命线，是高效开采的最重要保障[1]；一旦发生滑坡将会造成极其严重的人员伤亡，也会给企业带来重大的损失。因此，露天矿边坡稳定性分析及治理一直是采矿工程界、岩石力学界与工程地质界共同关注的重要课题之一。杜时贵等[2]精细化、分级评价了大型露天矿山总体边坡、组合台阶边坡和台阶边坡的稳定性，确定了关键性结构面及其组合的控制效应。张科等[3]提出了基于 Dimine-AutoCAD-Slide-二分法的边坡稳定性评价及优化设计集成技术，并将其应用于城门山铜矿高陡边坡。李克钢等[4]引入Hoek-Brown准则和强度折减法，通过数值研究了岩体扰动参数对露天矿边坡稳定性的影响规律，提出了边坡安全系数“玫瑰花”图。张志军等[5]运用简化Bishop法和Spencer法评估了山达克铜金矿扩帮区边坡的稳定状态。刘长青等[6]采用离散单元强度折减法计算了琅琊山矿业露天矿边坡的安全系数。邓帆等[7]运用 FLAC3D强度折减法和极限平衡法分析了某露天矿高陡边坡的稳定性，给出了优化后的边坡结构参数。衣瑛等[8]根据鞍千矿业哑巴岭矿区水文地质及工程地质条件，对露天采场进行工程地质分区，并分析了不同工况下的边坡失稳模式和安全系数。崔松军等[9]通过Phase 2二维有限元分析软件，结合位移场、剪应变场和塑性区分布研究了刚果（金）某露天矿山多台阶滑坡的发生机制，提出了削坡减载治理方案。

随着开采范围的扩大，云南某采石场露天边坡坡脚超挖、边坡过高等问题逐渐显现，对矿山安全生产构成威胁。本文通过RMR岩体质量分级及力学参数确定、极限平衡法，系统地分析了采场的边坡稳定性，评估了整治方案的可行性，为该矿山滑坡灾害防治和安全开采提供了科学的指导。

1 工程背景

云南某采石场露天边坡长约320 m，高约5～100 m，出露地层主要为元古界昆阳群绿汁江组灰、深灰色灰岩，中度风化，如图1所示。节理现场调查发现，研究区域主要发育有2组节理：第1组产状122°∠66°，间距3～20 cm，平均间距约7.3 cm，密度约13.69条/m；第2组产状132°∠53°，间距2～42 cm，平均间距约14.1 cm，密度约7.1条/m。节理多数呈闭合状态，个别微张开；节理面多数较平整，少数呈波状起伏；岩壁干燥，表面风化。水文地质调查发现，主要岩层地下水径流模数为 2.0～2.5 L/（s·km2），研究区位于补给径流区，主要接受大气降水的补给，地表水和地下水向低洼处排泄，采场边坡不会受到地表水的影响。

图1 采石场边坡现状

2 岩体质量分级及力学参数取值

结合矿区水文地质工程地质勘察结果、钻孔岩心数据以及矿岩力学特性室内测试结果，运用岩体地质力学分级（RMR）[10]对边坡岩体质量进行分析与评价，为岩体稳定程度提供一种初步的宏观判断。RMR值由岩块强度（R1）、RQD值（R2）、节理间距（R3）、节理状态（R4）、地下水状态（R5）及节理产状修正（R6）6种指标组成，见式（1）。

采石场主要出露岩体即灰岩的质量分级评价结果见表1，计算得RMR总分为43，说明矿区边坡岩体质量等级为III级，属于一般岩体。

表1 岩体质量分级结果

边坡岩体的Hoek-Brown分级参数及强度参数见表2，运用Hoek-Brown强度准则将室内测试所得的完整岩块力学参数转换为边坡岩体力学参数[11]，相应的岩体力学参数取值见表3，为后续边坡稳定性分析及治理提供了合理的计算参数。

表2 边坡岩体Hoek-Brown分级参数及强度参数

表3 灰岩力学参数

3 稳定性分析

在采石场露天边坡最高最陡区域设置典型分析剖面，该边坡高度为 136.86 m，整体边坡角为50°，如图2所示。选取瑞典条分法、简化 Bishop法、Janbu法这3种常用的极限平衡方法计算现状边坡稳定状况。根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）[12]，考虑3种荷载组合：荷载组合I为自重+地下水、荷载组合II为自重+地下水+爆破振动力、荷载组合III为自重+地下水+地震力，相应的安全系数应分别不小于 1.10～1.15，1.08～1.13，1.05～1.10。

图2 典型分析剖面

不同荷载组合下现状边坡的临界滑动面和最小安全系数搜索结果见图3至图5和表4。从图3至图5和表4中可知，3种荷载组合下边坡表现为整体破坏模式，安全系数均不满足规范要求[12]，坡体处于不稳定状态，尤其在荷载组合III下安全系数小于1，威胁矿山的后续开采，这是因为边坡坡脚处超挖，使得整体稳定性极大降低。另外，发现爆破振动对边坡安全系数的影响约为1.76%～2.43%，而地震对边坡安全系数的影响约为4.96%～6.13%，所以荷载组合III为最不利工况。

表4 现状边坡安全系数计算结果

图3 荷载组合I条件下现状边坡临界滑动面和最小安全系数搜索结果

图5 荷载组合III条件下现状边坡临界滑动面和最小安全系数搜索结果

4 治理方案

本着“安全可靠、经济合理、技术可行”的滑坡防治原则，考虑到矿区周边500 m范围内无人居住，破坏后果不是很严重，且服务年限较短，因此提出了“固脚+削坡减载”综合治理方案，即对边坡底部超挖区域处进行废石堆填，对坡面进行削坡处理以及增加台阶级数，如图6所示。

图6 边坡治理示意

图4 荷载组合II条件下现状边坡临界滑动面和最小安全系数搜索结果

采用瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法对治理后的边坡进行稳定性分析，最不利工况即荷载组合 III条件下边坡的临界滑动面和最小安全系数搜索结果见图7和表5。从图7和表5中可以看出，3种极限平衡法计算所得的安全系数为1.152～1.201，均符合规范要求[12]，说明提出的治理方案合理，能够提高边坡稳定性，有效地消除滑坡隐患，保障该矿山的安全生产。建议矿山应完善采场边坡监测系统，在后续生产过程中实时掌握边坡治理效果和运行状况。

表5 治理后边坡安全系数计算结果

图7 治理后边坡临界滑动面和最小安全系数搜索结果

5 结论

（1）RMR分级评价结果表明云南某采场边坡主要出露的灰岩RMR评分为43，岩体质量等级为III级，属于一般岩体；基于Hoek-Brown强度准则确定了边坡岩体力学参数，为稳定性分析提供了合理的参数依据。

（2）采用瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法3种极限平衡方法综合评判了采场边坡的稳定状况，并考虑自重、地下水、爆破振动及地震的荷载组合作用，发现所有工况下现状边坡发生整体失稳，相应的安全系数不符合规范要求。

（3）提出固脚和削坡减载联合治理方案，即回填坡脚超挖区和消减坡面，可以提高采场边坡安全系数，消除矿山安全隐患；极限平衡方法计算结果表明最不利荷载组合条件下整治后的边坡稳定性符合规范要求。