基于强度折减法的露天矿边坡稳定性分析

王永松，黄小燕，许保国，李孝敏

（1.广东广物金属产业集团有限公司，广东 广州 510000；2.紫金矿业集团股份有限公司紫金山金铜矿，福建 上杭 364200）

0 引言

广东广物金属产业集团有限公司旗下大纱帽矿区为建筑用花岗岩露天矿，该露天矿最低开采标高80 m，最高开采标高245 m，最大边坡高度达165 m，设计最终边坡角为42°～48°。随着采场向下延伸，边坡破坏的风险越高，边坡安全管理成为公司安全管理中最重要的环节之一，因此对露天矿边坡稳定性进行分析是必不可少的步骤[1]，其中数值模拟方法是边坡稳定性分析方法中一种较成熟的方法[2]。本文采用RS2软件进行模型构建与分析计算，基于强度折减法模拟分析广东大纱帽花岗岩露天矿终了边坡在不同工况下的稳定性系数，对于边坡安全管理具有指导意义。

1 矿区终了边坡区划

1.1 边坡工程地质

通过钻孔揭露情况及现场地质勘查，矿体上部覆盖层为残坡积层、全-半风化花岗岩，残坡积层、全风化花岗岩主要呈散体结构，全风化花岗岩下部呈半岩半土状，工程物理力学性质较差，遇水易软化崩解，稳定性差，工程地质条件差。半风化花岗岩属较坚硬岩组，岩石风化裂隙发育，大多破碎，质量指标RQD 值为0～94%，平均43%，多在20%～40%；饱和抗压强度较差-中等，组成的边坡总体稳定性一般-中等，工程地质条件一般-中等。矿体及围岩岩性均为微-未风化花岗岩，均为坚硬岩组，岩矿石裂隙不发育，岩石质量指标RQD 值70%～92%、平均83%，局部岩石破碎，整体上岩矿石较完整；饱和抗压强度较好，其组成的边坡总体稳定性好，工程地质条件好。

1.2 边坡分区

根据矿区内不同方位边坡工程地质情况及矿山设计的终了边坡的坡面倾向、坡度及高度等参数，将该矿山设计的终了边坡划分为3 个区域，即A 区、B区和C 区，各区域的位置如图1 所示。

各个区域的边坡要素如表1 所示。

表1 各分区边坡要素

2 数值计算基本条件

RS2 属于数值模拟方法中的有限单位分析方法，将边坡离散成有限个单元体，通过分析单元体应力或应变来评价整个边坡稳定性[3]，为了保证本次计算结果更加贴近大纱帽矿区实际，需要对边坡岩体介质的性质以及本次计算模型作出适当的假设及必要的简化处理[4]。该露天矿采用的假设条件如表2 所示。

表2 数值模拟假设条件

3 模型构建

本次模型构建计算分析程序采用加拿大岩土工程分析软件RS2，软件使用mohr-Coulomb 或者Hoek-Brown 强度准则，对强度折减的安全系数的计算完全自动进行。根据各分区边坡剖面要素及工程地质条件，采用如下力学模型：

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；c为材料内聚力；φ 为材料内摩擦角；fs为破坏判断系数。

计算模型采用的边界条件为：固定边坡模型左右两侧，采场底部x 方向与y 方向、z 方向的速度以及边坡上部速度不作固定，以此作为该模型的自由边界，只考虑自重应力场，忽略该矿区的构造应力场影响。各剖面模型构建如图2 所示。

图2 各剖面模型构建

4 计算结果

由弹塑性力学理论及mohr-Coulomb 强度理论[5-8]可知，采用RS2 软件进行强度折减法时破坏面由剪应变增量控制。因此，剪切应变增量对大纱帽矿区终了边坡的稳定具有很重要的影响。

A 区边坡I-I'—Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切应变增量云图如图3—图5 所示。以图3 为例，在自然工况下，在岩体力学参数折减系数fos达到1.55 时，边坡处于即将失稳状态，此刻折减系数即为稳定性系数。由此可知，此时最大剪切应变增量位置处于80 m 水平坡脚位置并指向临空自由面方向。

图3 Ⅰ-Ⅰ'剖面最大剪切应变增量云图

图4 Ⅱ-Ⅱ'剖面最大剪切应变增量云图

图5 Ⅲ-Ⅲ'剖面最大剪切应变增量云图

根据以上强度折减法计算分析结果，汇总得到该露天矿各分区边坡的代表性剖面在各种工况下的稳定性系数，如表3 所示。

表3 稳定性系数计算结果

5 结论

1）利用RS2 软件建模并计算，同时基于强度折减法分析了设计的终了边坡在自重+地下水工况、自重+地下水+爆破工况、自重+暴雨+地震工况条件下的稳定性系数。结果表明，三种工况下各分区边坡的稳定性系数均大于规范要求的许用安全系数，表明设计的边坡角满足安全要求，该露天花岗岩矿山终了边坡处于稳定状态。

2）通过各分区稳定性系数对比可以知道，分区B在三种工况下的稳定系数均比其他分区小，在实际边坡安全管理中应重点关注B 分区的边坡稳定。

3）在日常管理中，即非地震工况下，各分区在自重+地下水+爆破工况下边坡安全系数较接近于规范的安全系数，因此在完成采场爆破作业后，因加强边坡巡检。