大西沟铁矿边坡稳定性数值模拟研究

摘要：基于现场工程地质调查与室内岩石物理力学试验数据，对大西沟铁矿边坡岩体质量进行评价，确定了岩体的物理力学参数。采用数值模拟方法，对露天矿不同开采阶段的边坡应力、位移、滑移带及安全系数进行了分析，研究结果表明：边坡安全系数随台阶高度下降不断降低；自然条件下，边坡开挖不同阶段安全系数均在1.8以上，边坡稳定性较好。降雨对边坡的稳定性影响显著，饱和状态下终了边坡的安全系数降至1.36，但高于GB 51016—2014 《非煤露天矿边坡工程技术规范》规定的安全系数（1.25～1.20），说明矿山采场边坡设计参数合理。研究结果可为矿山后续安全设施设计提供参考依据。

关键词：露天矿边坡；稳定性；数值模拟；安全系数；岩体质量评价；应力

中图分类号：TD854.6文章编号：1001-1277（2024）10-0109-07

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20241018

引言

随着露天开采深度的不断延伸，矿山边坡高度逐渐增加，形成高陡边坡［1-2］。高陡边坡的稳定性不仅取决于边坡高度与边坡角度，也受边坡岩体强度、岩体内部节理特征及降雨、爆破振动、地下水等内外因素的影响，从而存在崩塌、倾倒及滑坡等地质灾害的可能性，严重威胁矿山安全生产［3-7］。因DYMzaiYFJ+anoDtDlw//zfPFQNd8YEPZ6G51cmIHBc4=此，开展露天矿边坡稳定性分析，无论是在设计阶段还是生产阶段都是十分重要的环节。根据GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》，在设计阶段，需结合开采条件，对边坡进行稳定性分析并确定最终边坡角；在生产阶段，露天矿山每5年至少进行一次边坡稳定性分析。

目前，边坡稳定性研究方法很多，主要分为定性分析法、定量分析法与数值分析法。其中，定性分析法主要包括工程类比法、图解法［8-11］；定量分析法中运用最广泛的是极限平衡法，如瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu简化法和Spencer法等［12-15］；数值分析法包括有限元法、离散元法、边界元法等［16-18］。此外，随着各种新型理论的引入及对边坡认识的深入，不确定性分析法也运用到了边坡稳定性研究中，其中，有代表性的研究方法包括可靠性评价法、模糊理论评价法、灰色系统理论评价法、神经网络评价法、突变理论评价法及分形理论评价法等［19-20］。

由于边坡工程情况不同，使得目前尚无统一的方法对边坡进行稳定性分析、评价。根据大西沟铁矿已有的边坡失稳模式与现场调研，矿区范围内的边坡失稳模式以岩体内部的圆弧滑动为主［21］。因此，本次边坡稳定性分析采用强度折减法，利用Flac3D软件有限差分程序计算边坡的安全系数，对终了边坡的稳定性进行评价。

1工程概况

大西沟铁矿位于陕西省柞水县小岭镇，于1988年4月正式投产，前期为地下开采，年产能5万t，主要开采矿种为磁铁矿。2006年后改为露天开采，开采矿种为磁铁矿、菱铁矿，生产规模90万t/a。露天开采采用从上至下的台阶式开采方法，设计台阶高度12 m，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度8 m。采用公路开拓，自卸式汽车运输。目前，矿山开采的最低标高为1 320 m，终了境界最高标高1 545 m，台阶高度12 m，主要开采平台为1 440 m、1 428 m水平。矿山开采现状如图1所示。

根据初步设计，矿山开采完毕后的终了边坡如图2所示。设计终了边坡最低标高1 320 m，最高标高1 545 m，共由22个台阶组成，台阶高度12 m，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度8 m，最终边坡角37°。本文采用数值分析法，对终了边坡上A—A、B—B等2个剖面的稳定性进行研究。

2边坡岩体质量评价与参数确定

2.1现场地质调查

本次岩体工程地质调查范围主要是矿区边坡的出露岩体，采用测线法。共调查了5个区域，完成测线长度153 m，测量节理232条。部分调查区域的节理裂隙情况如图3所示。由图3可知，矿区边坡岩体节理裂隙较为发育，局部稳定性较差。

矿区节理裂隙调查结果如表1所示，全矿区节理间距为0.25 m，节理裂隙发育程度为发育且结构面之间几乎无充填或泥质充填，结合性差，岩体呈碎裂状结构，其完整性程度为破碎，即D类岩体。

2.2岩石物理力学试验

试验采用西安建筑科技大学岩石力学实验室的Sam-2000三轴伺服刚性试验机，岩样为高100 mm，直径50 mm的圆柱，如图4所示。压缩试验采用位移控制加载模式，以0.002 mm/s的速度施加轴向载荷，直至岩样破坏。试验结果如表2所示。

2.3岩体质量评价

根据现场工程地质调查与室内岩石物理力学试验结果，综合采用RQD分级法、RMR分级法、BQ法对岩体质量进行了评价，结果如表3所示。

2.4岩体力学参数确定

采用经验折减法、岩体分级法、Hoek-Brown强度准则法等综合确定岩体的物理力学指标［22］，结果如表4所示。

由表4可知，各种方法计算结果均具有一定的差异性。在对以上参数进行综合处理的基础上，确定岩体力学参数综合取值如表5所示。

3边坡稳定性计算

3.1数值模型建立

选取境界终了边坡中的A—A、B—B作为计算剖面，将计算剖面的CAD模型导入Flac3D软件中，利用Extrusion功能进行单元网格划分与边坡准三维模型构建，结果如图5所示。A—A剖面模型长度1 035 m，高度最大约534 m，划分网格最大10 m×10 m，靠近边坡或边坡可能滑移处，网格大小降低至4 m×4 m，模型厚度为一个单元厚度（10 m）。B—B剖面模型长度1 065 m，高度最大约541 m，网格划分方法与A—A剖面相同。为了模拟台阶开采过程，建模时，将不同台阶分离出来单独进行网格划分，并标志为不同的单

3.2计算工况

本次计算考虑2种荷载工况。工况Ⅰ：自重；工况Ⅱ：自重+暴雨。根据设计终了境界，分别对边坡现状及不同开采时期的边坡稳定性进行分析，揭示边坡安全系数随开挖过程的变化规律，具体工况如表6所示。

3.3模型参数与边界条件

数值模拟采用的岩体物理力学参数如表5所示。模型计算选取边坡临空面方向为x方向，竖直向上为z方向，厚度方向为y方向。模型的左边界、右边界、前后边界均限制垂直于边界面方向的节点位移，底部边界限制x、y、z 3个方向的节点位移，地表为自由边界，未受任何约束。介质的弹塑性状态采用理想的弹塑性模型描述，以保持整个系统受力体系的平衡，计算过程仅考虑由岩体自重产生的应力场。开挖时2个台阶同时开挖，未考虑支护，每次开挖后，利用Flac3D软件自带的强度折减法计算边坡的安全系数。

3.4计算结果分析

受篇幅所限，本文仅分析A—A剖面的计算结果。

1）边坡应力分析。不同工况、不同开挖阶段下剖面最大主应力分布如图6、图7所示，具体的开挖步骤如表6所示。由图6、图7可知：不同工况与开挖阶段下，岩体的最大主应力均随埋深的增加而增大，在边坡浅层部位甚至会产生较小的拉应力，这可能是受到边界条件约束产生的。边坡岩体无论在天然状态还是饱和状态下，都没有产生大的应力集中，表明边坡稳定性较好。饱和状态下边坡岩体的最大主应力比天然状态下的最大主应力大，表明暴雨条件下，边坡内部出现破坏的可能性高。

2）边坡变形特征。不同工况、不同开挖阶段下剖面x方向位移分布如图8、图9所示。由图8、图9可知：边坡岩体位移均随边坡高度的升高而降低，坡底处位移量最大。随着边坡开挖的进行，边坡任何一处的位移量不断增大，特别在坡底处，累积位移不断增大，可能产生大变形导致岩体破坏。2个剖面模拟结果均显示，饱和状态下边坡的整体位移量较天然状态下大，表明降雨对边坡的稳定性有显著影响。

3）边坡滑移面分析及边坡安全系数。不同工况、不同开挖阶段下剖面强度折减法计算结果如图10、图11所示（彩色云图为单元应变增量大小，FOS为边坡安全系数）。由图10、图11可知：矿区边坡的整体失稳方式以圆弧滑动为主。随着开挖深度的增加，滑动岩体的体积逐渐增大，边坡安全系数不断降低。对A—A剖面而言，在天然状态下，未开挖时的危险区域并非开挖边坡，而是南部边坡。随着台阶开挖的不断进行，滑移面逐渐向开采边坡转变，其应变增量由坡顶至坡底不断增大，在坡底处岩体可能发生较大的塑性变形或者破坏。饱和状态下，边坡安全系数较天然状态要小，布局开挖状态下边坡安全系数降幅可达28.8 %。

不同工况、不同开挖阶段下2个剖面的边坡安全系数计算结果如表7所示。由表7可知：2个剖面的边坡安全系数相差不大。天然状态下，A—A剖面边坡安全系数为19.6，B—B剖面为1.87；饱和状态下，A—A剖面边坡安全系数为1.43，B—B剖面为1.36，均高于GB 51016—2014 《非煤露天矿边坡工程技术规范》规定的安全系数，表明终了边坡的稳定性较好，采场边坡设计参数合理，可为矿山后续安全设施设计提供参考依据。

4结论

本文在现场地质调查与室内岩石物理力学试验的基础上，借助Flac3D软件数值模拟对大西沟铁矿终了边坡的稳定性进行了研究，得出以下结论：

1）大西沟边坡岩体结构面较发育，以较小—中等倾角结构面为主，节理间距0.25 m，结构面之间几乎无充填，岩体呈碎裂状结构，其完整性程度为破碎，岩体分类为D类岩体。

2）在露天矿开采期间，边坡安全系数随台阶高度下降不断降低。对A—A剖面的分析结果表明：开采至终了边坡时，天然状态下边坡安全系数为1.96，饱和状态下为1.43。最大边坡位移出现在坡底处。

3）天然状态下，边坡开挖不同阶段安全系数均在1.8以上，边坡稳定性较好。饱和状态下，边坡安全系数下降，终了边坡的安全系数降至1.36，但高于GB 51016—2014 《非煤露天矿边坡工程技术规范》规定的安全系数（1.25～1.20），表明终了边坡的稳定性较好。

4）由边坡稳定性计算结果可知，矿山采场边坡设计参数合理，可为矿山后续安全设施设计提供参考依据。

5）由于影响边坡稳定因素较多，边坡的数值模拟结果与实际生产中的边坡稳定性可能存在较大差异，且模拟并未考虑爆破振动与渗流作用对边坡稳定性的影响。因此，建议露天采场在生产过程中加强爆破振动与边坡位移监测，在雨季要密切注意边坡失稳灾害的发生。此外，本文主要针对边坡整体稳定性进行评价，在局部岩体破碎区域可能会出现崩塌与滑落现象，也需加强防护与治理。

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Numerical simulation study on the slope stability at Daxigou Iron Mine

Li Youcang1，Hu Cong2，Wang Yaqiang1，Zhao Yanfeng1，Yin Long2，Wang Chao3，Guo Jinping3

（1.Shaanxi Daxigou Mining Co.，Ltd.;

2.NWME Group Ltd.; 3.School of Resources Engineering，Xi，an University of Architecture and Technology）

Abstract：Based on field geological surveys and laboratory rock physical and mechanical test data，th74d9e6407a9c3516985971f2c5201dafd891e2051ff0d5de08a3c2b63798a37ce r1de3f59219e070a880974910ce0e983351719bb58e585010e245131268eb2b19ock mass quality of the slope at Daxigou Iron Mine was evaluated，and the physical and mechanical parameters of the rock mass were determined.Using numerical simulation methods，stress，displacement，slip zones，and safety factors for the slope during different stages of open-pit mining were analyzed.The research results indicate that the safety factor of the slope decreases as the bench height increases.Under natural conditions，the safety factor in different excavation stages remains above 1.8，indicating good slope stability.Rainfall significantly affects slope stability，and under saturated conditions，the final slope，s safety factor decreases to 1.36.However，this is still above the safety factor （1.25-1.20） stipulated in GB 51016—2014 Technical Specifications for Open-pit Mining Engineering in Non-coal Mines，indicating that the mine，s slope design parameters are reasonable.The research results provide a reference for the design of subsequent safety facilities at the mine.

Keywords：open-pit mine slope;stability;numerical simulation;safety factor;rock mass quality evaluation;stress