基于GeoStudio的露天矿边坡稳定性影响特征研究

2023-01-11张诏飞

山西焦煤科技 2022年11期

席伟，张诏飞

(廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北廊坊 065000)

露天矿开采过程中，边坡的稳定状态直接决定矿区生产效率。在实际工程中，因为露天采场边坡失稳造成人员和经济损失是非常惨重的。因此对边坡稳定性的分析判断是重要的研究课题。

目前，针对露天矿边坡稳定性的研究，除了传统的极限平衡方法，众多专家学者将数值模拟分析方法运用到边坡稳定性评价和矿区生产领域[1-4]. 何保等[5]以大连某边坡为例，基于GeoStudio软件分析其稳定性，并提出支护方案。卢茜等[6]基于GeoStudio软件分析模拟土质边坡坝体的安全系数和临界滑动面，确保工程的安全。胡海等[7]基于GeoStudio软件分析某露天矿排土场边坡稳定性，为减少安全事故提供技术支持。刘渊钊等[8]以铜仁市某滑坡为例，采用GeoStudio软件计算边坡在降雨工况下的安全系数，分析了其在不同降雨条件下的稳定性。赵宇宸[9]以甘肃西和某滑坡为研究对象，利用GeoStudio软件对目标滑坡在天然状态下和地震作用下的稳定性进行建模分析计算。张红良[10]采用GeoStudio软件建立某尾矿库的模型，计算分析了该尾矿库校核水位、设计水位两种工况条件下的稳定性。

上述研究表明，采用数值模拟研究边坡稳定性，是一种简便高效的分析方法，GeoStudio软件被广泛运用到滑坡稳定研究和各项矿区生产建设中。

1 工程概况

1.1 矿区地层

刚果(金)某铜钴矿出露地层主要为第四系、新近系及罗安群地层。

第四系、新近系在近地表广泛发育，厚度一般5～8 m，主要是腐殖层、泥沙质及残坡积物。

罗安群是本区的主要地层，是一套浅海相的细碎屑岩和化学岩，层厚>500 m，原岩为白云岩、页岩、黏土岩、砂岩等，主要分为R1组、R2和R3组地层。上部岩层(RGS、CMN、部分SDS、BOMZ)常受构造作用较为松散破碎呈沙状、次棱角、浑圆状角砾状，中下部岩层(部分SDS、BOMZ以及大部分SDB、RSC、RSF、RAT)较为完整。罗安群矿山组地层柱状图见图1.

图1 某矿区罗安群矿山组地层柱状图

1.2 剖面设置

露天采场边坡工程勘察成果资料表明，采场边坡现状处于稳定状态。随着采场范围、深度的增加，采场边坡逐渐变化，最终达到设计境界边坡。在设计境界边坡布置5条具有代表性地质剖面，分别为DE-1剖面、DE-2剖面、MN-1剖面、MN-2剖面、DS-P剖面；采用GeoStudio软件建立设计境界边坡的地质模型，研究分析设计境界边坡的稳定性。各剖面位置见图2.

图2 设计境界边坡剖面位置图

1.3 岩体结构类型

受剖面边坡岩层特性及结构构造的影响，将每个岩组分为3个亚岩组，即：-1为散体状结构体亚岩组,-2为碎裂状结构体亚岩组,-3为层状、块状结构体亚岩组，见图3.

图3 岩体结构图

1.4 剖面参数

根据采场边坡工程地质勘察成果，设计境界边坡岩层参数见表1，岩组物理力学参数见表2.

表1 剖面岩层参数表

表2 剖面岩组的物理力学性质参数表

根据《矿区水文地质工程地质勘查规范》[11]，研究区域内影响剖面边坡稳定性主要为Ⅲ级结构面，表现为散体结构岩组，其受层间断裂和地下水浸蚀作用的双重影响，胶结结构被破坏，呈现出散沙状态，力学强度低，发育厚度约10 m. 根据勘察钻孔、采场外围疏干井和采坑底水位综合形成水头计算边界。

2 数值模拟

2.1 安全系数和极限平衡方法的选取

通过参考国内外矿山边坡的安全系数，结合露天采场边坡实际情况，综合确定在天然状态自重+地下水工况下，设计许用安全系数[K]是1.15.若剖面计算所得的安全系数：K>[K]时属边坡稳定；1

一般情况下，稳定边坡：边坡不会发生明显的变形，对边坡失稳无不利影响。基本稳定边坡：边坡目前处于稳定状态，但近期可能发生明显变形造成小规模的塌滑等地质灾害。不稳定边坡：边界条件不利，边坡已处于不稳定状态，必须进行处理才能达到稳定状态。

因剖面岩体存在第四系残坡积物、三组及以上软弱结构面、碎裂结构岩体等，则综合判定边坡潜在滑坡模式为圆弧形。依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》[12]，“碎裂边坡﹑散体介质边坡，当破坏模式为圆弧破坏时，宜采用简化Bishop 法和M-P进行稳定性计算”。

2.2 Geo-SLOPE/W模拟计算

通过Geo-SLOPE /W 模块进行极限平衡分析，首先根据露天采场边坡工程勘察成果，建立设计境界剖面的2 D模型，将模型导入SLOPE /W 模块中，形成模拟边界范围。采用Fix约束模型水平方向和底部位移，模型顶部为自由边界不受约束，研究天然工况(自重+地下水)下剖面最终境界边坡的稳定性。模块的可视图形化界面可以清晰地看到最危险滑动面、滑动中心位置和相应的安全系数，计算边坡稳定系数的效率高。

2.3 剖面稳定性分析

1) DE-1剖面。

该剖面位于采场东北部，现状边坡高度155 m. 随着边坡开采境界逐渐向北扩展，最终在剖面北段(1 290～1 425 m)形成坡面角50°左右、总边坡角27°的缓坡，南段1 290 m以下为宽大台阶的设计境界边坡，模型见图4.

图4 DE-1剖面设计境界边坡模型图

在自重+地下水工况下，DE-1剖面设计境界边坡稳定性计算结果见表3，图5. 结果显示：剖面整体安全系数大于设计许用安全系数，剖面上部岩体安全系数小于设计许用安全系数。表明DE-1剖面设计境界边坡整体处于稳定状态，但上部岩体的极软岩组RGS和散体结构岩组CMN2是影响边坡稳定的主要因素，边坡岩体在自重、地下水作用下，上部的极软岩体易发生变形，可能沿以上岩组的接触面剪出，潜在破坏模式为沿软弱结构面的圆弧型滑动。

图5 DE-1剖面设计境界边坡稳定性计算图

表3 DE-1设计境界边坡稳定性计算表

2) DE-2剖面。

该剖面位于采场西北部，现状边坡高度205 m. 随着边坡开采境界逐渐向北扩展，最终形成坡底标高达1 155 m，边坡总高度达到247 m，总边坡角27°，南段1 155 m为宽大台阶的设计境界边坡，模型见图6.

图6 DE-2剖面设计境界边坡模型图

在自重+地下水工况下，DE-2剖面设计境界边坡稳定性计算结果见表4，图7. 结果显示：剖面上部、中部安全系数均大于设计许用安全系数。表明DE-2剖面设计境界边坡整体处于稳定状态，边坡上部的RGS极软岩组是影响边坡稳定的主要因素，在自重力、水压力的作用下，潜在破坏模式为岩层内部的圆弧型滑动。

图7 DE-2剖面设计境界边坡稳定性计算图

表4 DE-2设计境界边坡稳定性计算表

3) MN-1剖面。

该剖面位于采场东部，现状边坡高度156 m. 随着边坡采深进一步推进，最终形成坡底标高为1 260 m，边坡总高度达到173 m，总边坡角32°，坡底1 260 m为宽大台阶的设计境界边坡，模型见图8.

图8 MN-1剖面设计境界边坡模型图

在自重+地下水工况下，MN-1剖面设计境界边坡稳定性计算结果见表5，图9. 结果显示：剖面上部、中部安全系数均大于设计许用安全系数。表明MN-1剖面设计境界边坡整体处于稳定状态，坡顶的第四系及CMN2散体结构岩组是影响边坡稳定的主要因素，在自重力、水压力作用下，可能沿坡面挤出，潜在破坏模式为岩层内部的圆弧型滑动。

表5 MN-1设计境界边坡稳定性计算表

图9 MN-1剖面设计境界边坡稳定性计算图

4) MN-2剖面。

该剖面位于采场东北部，现状边坡高度93 m. 随着开采境界向东北少量扩展，采深进一步推进，最终形成坡底标高为1 260 m，边坡总高度为165 m，1 275 m以上总边坡角28°，以下是宽大台阶的设计境界边坡，模型见图10.

图10 MN-2剖面设计境界边坡模型图

在自重+地下水工况下，MN-2剖面设计境界边坡稳定性计算结果见表6，图11. 结果显示：剖面上部、整体安全系数均略小于设计许用安全系数。表明MN-2剖面设计境界边坡整体处于基本稳定状态，但剖面上部的第四系尾砂、尾砂层下部覆盖的极软岩组RGS区域和散体结构岩组CMN2是影响边坡稳定的主要因素；在自重力、水压力的作用下，可能沿坡面挤出，潜在破坏模式为软弱岩层内部的圆弧型滑动。

表6 MN-2设计境界边坡稳定性计算表

图11 MN-2剖面设计境界边坡稳定性计算图

5) DS-P剖面。

该剖面位于采场东南部，边坡与南排土场连成一体。随着采深进一步推进，最终形成坡底标高为1 140 m，边坡总高度达336 m，总边坡角23°的设计境界边坡，模型见图12.

图12 DS-P剖面设计境界边坡模型图

在自重+地下水工况下，该剖面设计境界边坡稳定性计算结果见表7，图13. 结果显示：剖面整体安全系数大于设计许用安全系数，剖面中部安全系数略小于设计许用安全系数。表明该剖面设计境界边坡整体处于稳定状态，但剖面中部的极软岩RAT岩组在附近地表水的持续作用下，可能沿坡面挤出，发生弧形破坏，潜在破坏模式为岩层内部的圆弧-平面形滑动。