断层影响下露天矿边坡稳定性分析及优化

刘 武

（中铁资源集团有限公司，北京 100039）

露天矿边坡稳定问题一直是矿山企业的重大安全问题之一，直接关系到企业的生产安全与经济效益、社会效益。随着露天矿开采深度向下延深，非工作边帮形成的永久性边坡高度逐步增加，边坡的稳定性成为影响矿山生产安全的重要因素，及时有效地开展边坡稳定性研究也变得极为重要。露天矿边坡稳定性分析是一个复杂的工程力学问题，由于边坡岩体节理分布不同，从而导致破坏面形态产生变化，因此选择科学合理的边坡稳定性计算方法，对确定和优化边坡结构参数至关重要。长期以来，极限平衡法因安全系数直观，在边坡稳定性评价中得以广泛使用[1]，为此，采用Geo-studio 软件中的Slope/W模块对边坡进行稳定性计算，能够快速、准确地得到边坡稳定性系数[2]。

1 采场概况及分析方法

1.1 采场及边坡概况

大兴安岭某大型露天钼矿初步设计采场东帮边坡最高标高+627 m，采场坑底标高0 m，设计终了边坡最大高差约为627 m，属于超高边坡，开采年限长达51 年。矿山采用分期开采方式开采，其中一期境界与最终境界在西帮、西南帮、西北帮一致，西帮、西南帮与西北帮服务年限较长，边坡高度为345～420 m，矿区西侧存在1 条张扭性断层F3与采场西侧永久边帮直接相交，对边帮稳定性存在较大影响。

随着露天矿开采深度向下延伸，边坡岩层和岩层结构面逐渐揭露，西帮区域地质构造较初步设计存在一定差异，为了进一步摸清该区域主要断层F3的产状结构，矿山于2018—2019 年委托勘探公司对西帮区域进行工程勘察，结合早期勘探钻孔信息，最终确定F3断层走向近南北，倾向向东，倾角55°～60°，倾角较陡，规模较大，断层破碎带宽度最窄处9 m，最宽处达72.3 m。

西南帮边坡岩体完整性程度为破碎，根据GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》，岩体质量等级为Ⅴ～Ⅳ级，以Ⅴ级为主，边坡地质结构类型为散体介质-碎裂岩体边坡。

1.2 边坡稳定性分析方法

该矿西南帮边坡破坏模式为圆弧型、复合型，因此采用圆弧和类圆弧法对整体边坡进行稳定性分析，类圆弧分析方法是采用滑面自动优化的办法，在圆弧滑面的基础上不断进行修改与优化，所得到的稳定性结果更加趋于真实[3]。

目前国内外在边坡稳定评价中应用最为广泛的分析方法为极限平衡法[4]，为此，对西南帮设计境界边坡稳定性分析方面采用Geo-studio 公司研发的SLOPE/W 极限平衡模块[5]，利用该模块中的Morgenstern-Price[6-9]分析方法，Morgenstern-Price 法既能满足力平衡又满足力矩平衡条件，计算出的安全系数更准确可靠[1，10]。

2 稳定性分析方法原理

摩根斯坦（Morgenstern）和普莱斯（Price）将分析区域条块微分，其假定两相邻岩条的法向条间力和切向条间力之间存在1 对水平方向坐标的函数关系，根据整个滑动岩体的边界条件进行迭代求出问题的解[11]。M-P 法计算原理如图1。

图1 M-P 法计算原理图

图中：x 为水平距离，m；dx 为岩条宽度，m；z（x）为已知坡面线，m；y（x）为任意形状滑面线，m；h（x）为推力线，m；W 为条块重力，N；E、E+dE 分别为相邻条块分界面上的法向条间力，N；Y、Y+dY 分别为相邻条块分界面上的切向条间力，N；dT、dN 分别为条块底部的剪切力、有效法向反力，N。

根据条块上的作用力及力的作用位置可建立力学平衡方程。E 和Y 间存在1 个关于x 的函数关系，

式中：λ 为任意常数。

对条块底部中点取力矩平衡方程并化简，

潜在滑体微分条块实际被划分为有限个，其宽度△x 为微量，但不是无穷小。在宽度△x 内，各项函数h（x）、y（x）、f（x）等均可假定为线性函数，使得△x内Ei由Ei+1 求变得简单。根据摩尔-库仑准则及安全系数Fs的定义，引入常数和岩土参数，建立土条底部方向及底部法向方向力平衡微分方程，进而求得法向条间力Ei，由式（2）还可以写出条块侧面的力矩Mi方程如下：

根据式（3）逐条求解Ei和Mi，且必须满足En＝0、Mn＝0，若不满足再继续迭代，迭代过程就是逐步修正Fs和λ 的过程。

3 边坡稳定性分析及优化措施

3.1 西南帮边坡稳定性

在采场西南帮选取剖面进行稳定性分析，该剖面与F3断层相交，与断层倾向存在一定的交角，剖面中断层厚度较断层实际厚度大。西南帮边坡剖面图如图2。

图2 西南帮边坡剖面图

根据勘探及设计资料，西南帮边坡设计境界+150 m 平台以上边坡高度258.7 m，该范围主体边坡角44.1°。F3断层倾角42.0°，大于断层内摩擦角，极易产生沿断层滑动的滑坡。

根据矿区地勘数据及岩石实验数据，岩性及物理力学参数指标取值见表1。

表1 岩性及物理力学参数指标取值一览表

GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》第3.0.2 条规定，西南帮边坡高度大于300 m 小于或等于500 m 属于高边坡，边坡危害可能造成人员伤亡且经济损失较大，边坡危害等级为I、II 级，综合评定等级应为很严重和严重等级，根据规范中对边坡工程安全等级划分，西南帮边坡安全等级应属于Ⅰ级。若考虑荷载组合I（自重+地下水）情况下，边坡设计安全系数应为1.25～1.20。

通过Morgenstern-Price 法稳定性分析得出，原设计境界西南帮选取剖面位置处+150～+408.7 m 标高范围内边坡最小安全系数为0.820，处于不稳状态；+45～+150 m 标高范围内边坡最小安全系数为0.969，+45～+408 m 标高范围内边坡最小安全系数为0.869。上述分析结果显示，边坡剖面安全系数不能满足规范要求。

由此可判断该剖面整体和局部均处于不稳状态，需要采取措施提高其稳定性。

3.2 西南帮边坡稳定性优化措施

选取剖面处于采场与F3断层破碎带的相交部分，F3断层走向与采场西帮为南北方向，该断层水平厚度大，断层水平厚度约118 m，150 m 标高以上厚度约208 m，因此采用剥离全部断层提高稳定性的方式，剥离量巨大，经济上不适宜；并且F3断层岩体破碎，岩性较差，力学强度参数较低，若通过加固治理措施来提高边坡稳定性，工程复杂且造价高昂。为此，通过调整边坡台阶参数的方式，优化整个最终境界边坡的稳定性[9]。边坡台阶参数调整表见表2。

表2 边坡台阶参数调整表

按照上述参数调整，采用Morgenstern-Price 法进行边坡稳定性分析，边坡优化后最小安全系数见表3，边坡稳定性分析结果如图4。

表3 边坡优化后最小安全系数

图4 边坡稳定性分析结果

上述分析结果表明，西南帮边坡采用表2 中的优化台阶参数，使得整体边坡、+150～+408 m 水平（上部）边坡和+45～+150 m 水平（下部）边坡稳定性的最小安全系数均达到1.2 以上，均能满足规范要求。

4 结语

1）该大型钼矿西南帮边坡，通过Morgenstern-Price法进行边坡稳定性分析得出原设计境界选取剖面位置+150～+408 m 水平范围内边坡最小安全系数为0.820，+45～+150 m 水平范围内边坡最小安全系数为0.969，+45～+408 m 水平范围内边坡最小安全系数为0.869，均处于不稳状态。

2）采用边坡台阶参数调整的方式，优化西南帮边坡最终境界边坡，使得整体边坡、+150～+408 m 水平（上部）边坡以及+45～+150 m 水平（下部）边坡稳定性的最小安全系数均达到1.2 以上，均能满足规范要求。同时，在后期生产过程中继续完善F3断层工程与水文地质资料并对上述边坡参数进行校验与评估。

3）F3断层除对采场西南帮稳定性产生影响外，同样也影响着采场西北帮稳定性。