露天矿松散介质排土场边坡在SlGMA/W下应力及稳定性分析研究

王德忠，吴 燃

(1.山西工程职业学院，山西 太原 030031；2.山西忻州神达能源集团有限公司，山西 忻州 034000)

我国露天矿山开采和剥离工程中形成了大量的排土场，排土场主要由松散介质构成，松散介质是介于流体和固体的一种物质，在干燥状态下松散颗粒体属于固体，在雨水和饱水状态下松散体变成了流体状态[1]。近几年我国北方雨水也明显增多，在雨季这些排土场边坡给人民的生产和生活带来了极大的安全隐患，主要隐患为滑坡和泥石流。本文通过分析北方某露天矿排土场边坡稳定性因素、边坡类型和形成机理，结合现场实测图，利用SIGMA/W有限元分析软件求解排土场边坡体线弹性变形问题，用总应力法和有效应力分析方法进行软土固结分析，以及排土场边坡排水措施的固结分析，最后计算得出该边坡的稳定性系数，对今后此类型排土场边坡治理提供理论依据。

1 影响排土场稳定性的主要因素分析

通过现场调研分析，该露天矿排土场排弃物料松散，凝聚力较小，在干燥状态下松散颗粒体属于固体，稳定性尚可，在雨水和饱水状态下松散体变成了流体状态。排土场中的部分泥岩及砂质泥岩遇水强度明显减弱，排土场稳定性降低。影响排土场稳定性的主要因素有：基底、地表及第四系潜水和排弃物料荷载等[2]。

1.1 排土场基底

根据该矿边坡岩土工程勘察报告，外排土场基底岩性主要为第四系等，基底岩性强度较高，稳定性较好，但整体边坡要做好防水与排水。

1.2 潜水因素

由于大气降水及地下水为上升等因素引起的排弃物含水增加，排弃物和基底力学强度指标出现明显弱化，增加了边坡滑坡体的下滑力，减小了抗滑力，从而稳定性降低。

1.3 排弃物荷载作用

露天矿排土场排弃堆积高度越高、排土场边坡角越陡，对基底压力越大，越容易产生底鼓，从而降低了边坡稳定性。

2 排土场边坡滑坡模式分析

松散介质排土场边坡地基软弱层滑坡的破坏机理主要是其下部基底岩土体内存在软弱地层和软弱结构面，当外部应力超过滑面抗剪强度，致使其地基不稳定体沿剪切滑移面下滑，从而引起松散介质排土场边坡失稳[3]。松散介质排土场边坡内部滑坡主要发生原因是其内部抗滑面发生了剪断，导致松散介质排土场边坡抗滑力下降，从而发生了滑坡。

根据现场分析，该露天矿存在两种潜在滑坡：

（1）沿排土场地下部的软弱夹层发生的滑坡，排土场地内部含有软弱层时，随着排弃物的堆积高度不断增加，一旦坡体的自身荷载超过下部软弱层的承载能力，排土场边坡将会沿着场地下部的软弱层发生滑坡。

（2）排土场边坡表层的局部坍塌、错动，由于排土场的局部堆积坡度过大，若上部继续进行堆积时，有可能打破局部应力平衡，引发坡体错动，形成新的应力平衡状态。

3 模型建立

首选选取合适的外排土场边坡验算剖面，该现状边坡高184m，边坡角20°，根据排土场边坡现状情况进行SIGMA/W模型建立。本项目稳定系数的确定主要按照《露天矿设计规范》(GB50197-2015)有关规定，确定外排土场边坡服务年限大于20年，确定稳定系数为1.2。

由于传统的刚体极限平衡理论没有考虑岩土体内部的应力应变关系，无法分析边坡变形对边坡稳定性的影响。因此，本项目采用专业的有限元边坡分析软件SIGMA/W软件来分析边坡岩体的应力情况，揭示滑坡机理。根据实际边坡剖面建立模型，SIGMA/W模型见图1所示。

图1 边坡体模型示意图

4 排土场边坡剪力应变分析

从图2该排土场边坡剪力应变云图可以看出该边坡坡脚出现小面积应力集中现象，主要原因是在露天开采的影响和排土场持续排放废弃物的情况下应力会发生重新分布，具体为坡面处的水平应力和垂直应力都比较小，而坡脚处的水平应力则相对较高。由于应力分布差别的结果，坡脚处水平应力显著提高，局部出现了应力集中现象，造成了边坡稳定性下降，甚至出现失稳崩塌滑坡等不良后果。因此，露天矿生产时要时刻关注松散介质排土场边坡内部的应力分布情况，必要是要对其进行加固处理。

图2 剪切应力应变云图

5 排土场边坡稳定性计算

通过对该露天矿的现场实地踏勘，针对其外排土场边坡，通过运用极限平衡法（Bishop法和Morgenstern-Price法）和数值模拟对其边坡稳定性进行了全面验算分析，验算模型如图3、图4所示，极限平衡验算下该排土场边坡稳定系数为1.202，符合相关规范，通过摩尔应力圆验算，该排土场边坡总应力在节点50，未出现大面积应力集中现象。

图3 极限平衡验算示意图

图4 摩尔应力圆示意图

采用极限平衡法与有限元分析法对该露天矿山外排土场现状边坡稳定性进行了分析评估，得出了外排土场基底基本稳定，外排土场边坡潜在的滑坡模式为圆弧型滑面和圆弧直线型滑面，数值模拟、验算结果均大于1.2，满足《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2015）中6.0.7规定要求，详细计算结果见下表。

表1 稳定性计算结果表

6 现场监测方案

边坡的稳定性涉及地面设施的安全及生产的连续性。鉴于边坡变形破坏的复杂性和影响因素的不确定性，除了采取必要的边坡防护措施外，还须实施边坡监测，以实时掌握剥采过程中边坡的稳定性状态，对于避免滑坡灾害的发生具有重要意义。常用的边坡监测内容有应力监测、位移监测、地下水监测、震动监测等，本项目拟采用全站仪配合RTK监测地表位移。

6.1 位移监测

边坡从受到力的作用变形到最终破坏，通常要经历一个相当长的演化过程。边坡失稳的发展过程，往往伴随着一系列边坡地表、地下的宏观与微观变形现象，包括边坡地表的位移、地面裂缝的出现和发展、地下滑动面的形成等，通过位移监测，可实时掌握这些现象的发生发展过程。目前采用的矿山边坡位移监测手段主要有地表位移监测和地下位移监测，而地表位移监测由于容易实现应用十分广泛，设备的可操作性和精度也相对较高。

6.2 监测网的建立及监测管理措施

（1）监测网的建立

监测网的布置形式可分为正方格网、任意方格网、十字交叉网、射线网和基线交点网等5种。采用何种监测网要根据观测区的地形条件确定。

监测网的形成应不但在平面上，更重要的应体现在空间上的展开布置，监测网的形成可能是一次完成，也可分阶段按不同时期和不同的要求形成。主滑面和可能滑动面上、地质分层及界限面，不同风化带上都应有测点，可能形成的滑动带，重点监测部位和可疑点需加深加密布点。这样可以使监测工作在不同阶段做到有的放矢，在边坡工程监测的过程中，监测方案必须随时调整，使能有效地监测边坡工程的岩土变形的动态变化和发展趋势，具体了解和掌握其演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，预报崩滑险情，防灾于未然，同时为危岩的稳定性评估和防治提供可靠依据。

（2）边坡监测管理措施

边坡的安全管理与采矿作业的安全息息相关，因此应加强排土场的边坡监测和管理，防止滑坡、坍塌、泥石流等地质灾害发生。

矿山应成立边坡管理小组，选派技术人员或有经验的工人专门负责边坡监测和管理工作。边坡监测工作主要是建立边坡监测管理系统，定期进行地表、地下位移监测，掌握第一手资料，所有边坡安全检查均应做好记录，由专职安全员归档，应用计算机进行边坡位移分析，每个月作出边坡监测分析报告。边坡管理工作主要是边坡专业技术人员日常对排土场等边坡进行检查，加强生产现场管理，严禁出现超高台阶，加强工作面水的管理，如发现不按设计施工或违反规定以及出现滑坡险情时，有权责成两矿及时处理。边坡监测或现场检查有重大滑坡征兆等紧急情况时，边坡管理人员有权停止有滑坡险情或险情危及区域的生产或施工作业，并向矿山负责人报告，保证生产安全。

6.3 应力监测

岩体在力的作用下产生变形，内部应力状态发生变化，当应力达到岩体强度时，岩体发生破坏。因此，监测岩体应力是一种积极主动的监测措施，对及时掌握滑坡动态和采取治理措施至关重要。

7 结论

（1）由于露天矿开采和排土场持续排土扰动，排土场边坡应力会发生重分布，坡脚处水平应力显著提高，局部出现了应力集中现象，造成了边坡稳定性下降，甚至出现失稳崩塌滑坡等不良后果。

（2）排土场排弃物料松散，凝聚力较小，在干燥状态下松散颗粒体属于固体，稳定性尚可，在雨水和饱水状态下松散体变成了流体状态。排土场中的部分泥岩及砂质泥岩遇水强度明显减弱，排土场稳定性降低。

（3）通过SIGMA/W软件对该露天矿松散介质排土场边坡进行数值模拟，其验算结果均满足相关规范要求，得出了外排土场基底基本稳定，研究结果为类似条件排土场稳定性治理提供了思路。

（4）排土场边坡稳定性通过监测岩体应力是一种积极主动的防治措施，对及时掌握滑坡动态和采取治理措施至关重要，因此加强边坡变形监测工作，及时掌握边坡变形的动态情况和规律，对采场、排土场边坡进行实时监测，专人监管，一旦发现滑坡迹象，应立即撤离人员设备，对于出现的任何局部、小规模的边坡坍塌滑落还要进行专门的勘察、评估与治理工程设计。