露天礦反傾邊坡穩(wěn)定性分析及加陡可行性研究

隨著露天礦山開采深度增加，邊坡穩(wěn)定性對安全生產(chǎn)的影響越來越重要。在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，增大最終邊坡角是提高露天礦生產(chǎn)效益的關(guān)鍵。德興銅礦最終邊坡角每增加1°，可減少剝離量940萬m3，節(jié)約剝離費用4 700 萬元；廟溝鐵礦露天礦最終邊坡角由原設(shè)計的48°修正為52°后，減少剝離量1 164萬t，為企業(yè)增效5 761.87萬元；大頂鐵礦二期將最終邊坡角平均提高3°以上，共減少剝巖量407.57萬m3。

在露天礦邊坡角的優(yōu)化方面，張偉峰等應(yīng)用浮動圓錐法，對境界邊坡參數(shù)進行了優(yōu)化；胥孝川等基于錐體排除法，提出了多等級優(yōu)化算法，并在3 座礦山應(yīng)用；黃俊歆等在礦體3D 模型的基礎(chǔ)上，提出露天礦幾何約束的改進模型，可模擬境界任意位置上幫坡角變化；楊彪等以靜態(tài)價值模型為基礎(chǔ)，采用LG 算法初步確定境界，將時間屬性加入計算模型，比選各方案的凈現(xiàn)值來確定最終境界。

本文以研山鐵礦西幫反傾巖質(zhì)邊坡為研究對象，立足于露天采場的現(xiàn)狀和采場已揭露的工程地質(zhì)情況，對邊坡穩(wěn)定性及其加陡可行性進行研究，為下階段優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計提供依據(jù)。

原設(shè)計研山鐵礦西幫終了邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)：臺階高度15～30 m，終了臺階坡面角為65°，覆土層35°～40°，安全平臺寬8 m，清掃平臺寬10 m，最終邊坡角為44°。開采終了邊坡標高+37～-547 m，形成邊坡高度約584 m，屬于大型深凹露天礦。西幫邊坡局部發(fā)現(xiàn)含有黏土破碎帶，破碎帶是致使上部邊坡失穩(wěn)的潛在關(guān)鍵因素。就目前來看，邊坡穩(wěn)定性較好，無滑坡跡象。

針對研山鐵礦西幫邊坡，科研單位通過原位監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，綜合分析了邊坡潛在變形破壞機制為拉應(yīng)力主導(dǎo)的變形破壞，整體邊坡為傾倒滑移變形。黃潤秋等采用反傾邊坡振動臺進行實驗研究，得出研山鐵礦西幫反傾邊坡受節(jié)理影響，在爆破擾動及降雨工況下邊坡淺部會松動卸荷促使拉裂縫擴展，發(fā)生拉剪組合型破壞，破壞模式為邊坡頂部拉裂-下部剪出型破壞，滑面形態(tài)近似呈L形。

參照《非煤露天礦邊坡技術(shù)規(guī)程》，考慮研山西幫原境界設(shè)計高度為584 m 左右，已超過500 m，故歸類為邊坡安全等級I 級，基于反傾巖質(zhì)邊坡比一般邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性，建議取規(guī)范中建議安全系數(shù)的下限作為研山西幫邊坡安全儲備系數(shù)。

研山鐵礦處于基本地震設(shè)防烈度的Ⅶ度區(qū)，因此必須考慮地震力作用，參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），研山鐵礦所屬地區(qū)地震動峰值加速度為0.15g。根據(jù)前期項目監(jiān)測西幫爆破振動實測參數(shù)資料，可知西幫水平質(zhì)點振動速度為0.03 m/s，參考《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），確定爆破水平方向振動加速度為0.056g，水平影響系數(shù)為0.015。

根據(jù)以往針對含燧石白云巖、石英砂巖、中風(fēng)化黑云變粒巖進行的大量巖石力學(xué)實驗資料和采場工勘情況來看，研山西幫上部第四系至含燧石白云巖強度較低，石英砂巖至黑云變粒巖強度逐漸變高。根據(jù)前期巖石力學(xué)實驗結(jié)果，對巖石力學(xué)參數(shù)進行經(jīng)驗取值。

本次研究選取研山西幫典型剖面，運用Geoslope 軟件，采用Morgenstern-Price 法分別計算3 種荷載組合下的現(xiàn)狀境界安全系數(shù)。通過Geo-slope搜索滑面功能，確定了局部與整體（+37～-217 m 和+37～-457 m）的2個潛在滑動面位置。

原境界邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3，+37～-457 m標高潛在滑面符合安全儲備要求，說明反傾邊坡難以發(fā)生大面積滑坡，而+37～-217 m標高潛在滑面3種工況安全系數(shù)較接近安全儲備系數(shù)，黏土破碎帶參數(shù)經(jīng)驗賦值可能導(dǎo)致邊坡安全儲備不足，所以針對在未形成最終邊坡時需要對邊坡黏土破碎帶情況進行觀測，做到及時加固弱層，及時采取排水及降振措施。

本次研究收集了15座國內(nèi)外礦山邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)資料，并擬合了曲線，如圖1所示�？梢钥闯�，設(shè)計高度在584 m 及以上的露天礦邊坡設(shè)計最終邊坡角度多數(shù)在45°～50°，根據(jù)工程類比確定研山鐵礦西幫邊坡加陡后整體邊坡角度應(yīng)在45°～50°。

（1）考慮采礦和剝巖的平衡，45°～50°加陡后將下降1 個臺階至-562 m，將整體邊坡理想化為大斜面，以典型剖面作為基礎(chǔ)分析45°、46°、47°、48°、49°、50°邊坡角度的穩(wěn)定性，判斷研山西幫邊坡加陡角度范圍。

（2）經(jīng)過數(shù)值計算，不同最終邊坡角對應(yīng)的安全系數(shù)見圖2，可以看出，45°～47°邊坡安全系數(shù)符合安全規(guī)范要求的安全儲備系數(shù)1.20，但47°對應(yīng)的安全系數(shù)僅為1.211，儲備不足，所以，研山西幫邊坡具有加陡1°～2°的可行性。

方案一將整個邊坡分為2 段（-277 m 以上及以下）進行布局，如圖3 所示，在-277 m 添加20 m 寬平臺，阻隔上部應(yīng)力傳遞；-277 m 以上巖性強度較差，按原境界留設(shè)，-277 m 以下臺階坡面角設(shè)置70°（運輸路除外），按照安全平臺6 m、清掃平臺12 m 交替布置，主要運輸?shù)缆穼挾炔蛔�，道路上下臺階坡面角維持65°不變。

針對+37～-217 m、+37～-427 m滑面，采用Morgenstern-Price法進行了穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表4。方案一中上部邊坡形態(tài)并未改變，+37～-217 m 部分仍然存在未揭露的破碎帶影響潛在風(fēng)險，需要根據(jù)揭露情況采取對應(yīng)的加固防護。從整體邊坡安全系數(shù)來看，由于下部邊坡過陡，在地下水、爆破振動和地震力作用下整體及局部不滿足穩(wěn)定性系數(shù)，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡加陡2°后處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，不利于邊坡整體穩(wěn)定性，如出現(xiàn)降水過多、地下水突然猛增的情況，勢必會造成邊坡自重增加，存在滑移坍塌等隱患。

方案二將整個邊坡分為3 段（-18 m 以上、-18～-337 m、-337 m 以下邊坡）進行加陡分析，在-67 m及-187 m 處添加20 m 寬平臺，阻隔上部應(yīng)力傳遞；-18 m 以上按原境界留設(shè)，-18～-337 m 臺階坡面角設(shè)置65°，-367 m 及以下臺階坡面角設(shè)置70°（運輸路除外）；從-18 m 平臺開始，按照安全平臺6 m、清掃平臺12 m 交替布置，主要運輸?shù)缆穼挾炔蛔儯�且道路上下臺階坡面角維持65°不變。

方案二的極限平衡模型如圖6所示，計算結(jié)果見表5。方案二改變了整體邊坡形態(tài)，上部邊坡安全系數(shù)接近安全儲備系數(shù)，建議仍根據(jù)破碎帶逐步揭露采取加固防護，減少局部潛在失穩(wěn)風(fēng)險。從安全系數(shù)來看，在地下水、爆破振動和地震力作用下，邊坡整體滿足安全儲備要求。

加陡1°后邊坡整體滿足安全儲備要求，整體穩(wěn)定性較高，即使出現(xiàn)地下水突然猛增的情況，邊坡仍然非常穩(wěn)定，不易出現(xiàn)安全隱患。

整體邊坡角度相比原設(shè)計境界提高2°后，在不同工況下安全系數(shù)不滿足要求，建議采取降振排水措施以及邊坡上下部聯(lián)動防護工程，改善邊坡整體穩(wěn)定性，并隨邊坡動態(tài)開采進行階段穩(wěn)定性分析，驗證邊坡治理后能否達到臨界安全儲備狀態(tài)，再研判加陡2°是否可行。

邊坡整體相比原設(shè)計境界提高1°的方案中，存在上部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)儲備不足的情況，建議在+37～-217 m 的滑面位置添加2 處20 m 寬平臺（-67 m，-187 m），寬平臺可以阻隔上部邊坡的應(yīng)力傳遞，避免發(fā)生較大滑坡，從而提高邊坡整體穩(wěn)定性。

邊坡加陡1°后整體穩(wěn)定性較好，建議采用加陡1°的方案更為安全，礦山生產(chǎn)末期可以根據(jù)下部邊坡揭露的巖石質(zhì)量情況，適當(dāng)采取陡幫強采措施解放掛幫礦，達到安全經(jīng)濟的目的。