采场边坡稳定性迭代计算分析及安全对策研究

耿剑统，苏齐松，耿毅轩，苗勇刚

(1.河南省应急管理科学技术研究院，郑州 450004；2.河南安科院安全科技服务有限公司，郑州 450004；3.北京交通大学，北京 100044；4.矿冶科技集团有限公司，北京100160)

露天矿山的开采使边坡岩体发生变形破坏，改变了边坡受力平衡状态。边坡不稳定易形成安全生产隐患，甚至引起滑坡、崩塌、滑塌、地裂缝等灾害[1-3]，严重影响露天矿生产安全。开展露天采场边坡稳定性迭代计算分析及安全对策研究，对保护露天采场边坡稳定，保障露天矿山采场安全生产具有重要意义。

1 边坡工程地质条件

1)根据地质资料，上房沟钼矿矿区范围内主要为白云石大理岩、花岗斑岩、角岩、变质辉长岩等岩石[4]，这些岩石致密坚硬、稳固性好，矿区局部分布有磁铁矿化透闪石岩、金云母、阳起石岩等岩石，这些岩石强度低、稳固性较差。

2)矿区内赋存有F2、F4、F11断层，这些断层多为成矿前断层，成矿后有复活现象，因其活动小，对矿体破坏不大。其中F2断层在采场北部与边坡斜交，断层两侧岩石破碎；F4断层横穿整个露采场，为充水断层，对边坡稳定性有一定影响；F11断层横穿东露天采场，为阻水断层，断层内充填较密实。

3)矿区内岩层总体倾向为220°，倾角47°～70°，局部略有变化。从露天采场的边坡坡向看，南、北部边坡的岩层倾向与所对应的边坡向相反，且部分边坡岩石为坚硬的变辉长岩；该矿区工程地质条件为简单型。

2 东部采区开采现状

目前，东部采区开采最低台阶为+1 275 m水平，形成的最高台阶为+1 455 m水平。采场东西长约800 m，南北宽约600 m，采用公路开拓、汽车运输，组合台阶法开采，采场台阶高度15 m左右。

纵8勘探线以东南部山头已形成+1 455、+1 440、+1 425 、+1 410、+1 395、+1 380、+1 365、+1 350、+1 335、+1 320、+1 305、+1 290、+1 275 m共十三个台阶。其中+1 455、+1 440、+1 425、+1 395、+1 380和+1 365 m台阶已形成终了边坡；边坡高约75 m，边坡角45°左右，安全平台宽5～15 m。

矿山采场南部边坡最高，最高点标高+1 472 m，最低点标高+1 275 m，+1 410 m水平以上边坡已垒设坡脚挡土墙，坡面上种植植物并打设锚杆挂保护网；采场北部边坡高度相对较低，已按照绿色矿山要求进行了边坡治理和绿化处理。

3 边坡安全储备系数确定

3.1 边坡稳定系数K值确定

《上房沟钼矿5 000 t/d采矿工程初步设计》确定该矿露天开采服务年限为40 a。依据《有色金属采矿设计规范》，当非工作帮边坡服务年限>20 a时，设计稳定安全系数K取值在1.3～1.4(表1)。

表1 边坡稳定系数K

3.2 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数确定

《非煤露天矿边坡工程技术规范》主要是根据边坡工程安全等级确定边坡工程设计安全系数。由于边坡岩体的滑坡失稳模式以圆弧形滑动为主，这种滑动模式下可能产生滑带深度大、滑坡高度大的边坡灾害。结合上房沟钼矿的具体采剥情况，边坡危害等级在Ⅰ、Ⅱ等级(表2)。

表2 边坡危害等级

上房沟钼矿采场的边坡高度在120～200 m，结合边坡的危害等级，对照表3，确定边坡工程安全等级为Ⅰ级。

表3 边坡工程安全等级划分

结合上述确定的上房沟钼矿边坡工程安全等级为Ⅰ级，对照表4，确定不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数。

表4 不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数

3.3 边坡安全储备系数确定

1)上房沟钼矿采场边坡受到生产爆破的多次影响，必须考虑爆破振动力作用。

2)依据《有色金属采矿设计规范》规定，地震烈度为六度及以上地区，应研究分析地震对边坡稳定性的影响[5]。上房沟钼矿地震动峰值加速度为0.05 g，依据《中国地震动参数区划图》(GBl8306—2015)属地震基本烈度6度区[6]。因此，按照规范规定上房沟钼矿采场边坡稳定性分析时，也必须考虑地震作用。

3)由于上房沟钼矿水文地质条件简单，在三种荷载组合下的采场边坡稳定性分析计算时，均不考虑地下水的影响。

综合以上分析，综合确定边坡安全储备系数为1.3。

4 露天采场边坡稳定性迭代计算分析

极限平衡法是根据静力平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性[7]。前述分析认为上房沟钼矿边坡失稳模式以近似圆弧滑动为主。针对上房沟钼矿采场边坡工程地质条件，依据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2013)，本次研究拟基于Bishop法[8]的原理，利用极限平衡分析软件，对边坡的稳定性进行计算和分析。

4.1 建立典型的分析剖面

为了更好地分析上房沟钼矿采场边坡现状的稳定性，本研究分别在南部边坡和东部边坡的最高处各选取了1个剖面，分别为南部边坡A剖面和东部边坡B剖面。

4.2 边坡稳定性计算荷载组合

本次边坡稳定分析的荷载组合如下：

荷载组合Ⅰ：坡体自重

荷载组合Ⅱ：坡体自重+爆破振动力

荷载组合Ⅲ：坡体自重+地震力

在荷载组合Ⅱ中考虑爆破振动力影响了边坡稳定性计算，必须确定爆破振动力水平影响系数ξ：

(1)

依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016—2014)，

ai=2πfVi

(2)

由公式(1)、(2)可得：

(3)

式中：ξ—爆破振动力水平影响系数；ai—第i条块爆破振动质点水平向最大加速度，m/s2；βi—第i条块爆破动力系数，可取βi=0.1～0.3；g—重力加速度，m/s2；f—爆破振动频率，Hz；Vi—第i条块重心处质点水平向振动速度，m/s。

根据该露天采场台阶深孔爆破振动监测鉴定报告，爆破水平向振动速度Vi最大为0.87 cm/s，相应爆破振动频率f为15.7 Hz。

考虑到上房沟钼矿采场边坡岩体整体较为破碎，爆破动力系数βi取0.3，由公式(3)计算可得爆破振动力水平影响系数ξ为0.025 7。

在荷载组合Ⅲ中，上房沟钼矿属地震基本烈度6度区。依据《建筑抗震设计规范》的规定，水平地震影响系数最大值按表5取值。

表5 水平地震影响系数最大值

因此，在荷载组合Ⅲ中进行边坡稳定性软件计算时，水平地震影响系数取0.04。

4.3 边坡安全特征分区分析

根据所选取的2个边坡剖面，并结合上房沟钼矿采场边坡现状，分别将采场南部边坡和东部边坡分成三个台阶区段，下面分别计算和分析不同的边坡台阶区段基于三种荷载组合的稳定安全系数。

4.3.1 采场南部边坡分阶段稳定性计算

南部边坡台阶+1 380 m水平以上为Ⅰ台阶段，台阶+1 380～+1 335 m水平为Ⅱ台阶段，台阶+1 335 m～+1 290 m水平为Ⅲ台阶段。南部边坡分阶段稳定性计算模型见图1。

图1 南部边坡分阶段稳定性计算模型图Fig.1 The staged stability calculation model of the southern slope

南部边坡Ⅰ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图2。

(a)Ⅰ工况；(b)Ⅱ工况；(c)Ⅲ工况图2 南部边坡Ⅰ台阶段荷载组合各工况稳定性计算结果Fig.2 Calculation results of stability of Ⅰ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部边坡Ⅱ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图3。

(a)Ⅰ工况；(b)Ⅱ工况；(c)Ⅲ工况图3 南部边坡Ⅱ台阶段荷载组合各工况稳定性计算结果Fig.3 Calculation results of stability of Ⅱ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部边坡Ⅲ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图4。

(a)Ⅰ工况；(b)Ⅱ工况；(c)Ⅲ工况图4 南部边坡Ⅲ台阶段荷载组合各工况稳定性计算结果Fig.4 Calculation results of stability of Ⅲ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

4.3.2 采场东部边坡分阶段稳定性计算

东部边坡台阶+1 395 m水平以上为Ⅰ台阶段，台阶+1 395 m～+1 335 m水平为Ⅱ台阶段，台阶+1 335 m～+1 290 m水平为Ⅲ台阶段。东部边坡分阶段稳定性计算模型见图5。

图5 东部边坡分阶段稳定性计算模型图Fig.5 The staged stability calculation model of the eastern slope

东部边坡Ⅰ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图6至图8。

图6 东部边坡Ⅰ台阶段荷载组合Ⅰ工况的稳定性计算结果图Fig.6 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination I condition

图7 东部边坡Ⅰ台阶段荷载组合Ⅱ工况的稳定性计算结果图Fig.7 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination condition II

图8 东部边坡Ⅰ台阶段荷载组合Ⅲ工况的稳定性计算结果图Fig.8 The stability calculation results of the eastern slope at stage I stage load combination condition III

东部边坡Ⅱ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图9至图11。

图9 东部边坡Ⅱ台阶段荷载组合Ⅰ工况的稳定性计算结果图Fig.9 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅰ condition

图10 东部边坡Ⅱ台阶段荷载组合Ⅱ工况的稳定性计算结果图Fig.10 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅱ condition

图11 东部边坡Ⅱ台阶段荷载组合Ⅲ工况的稳定性计算结果图Fig.11 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅲ condition

东部边坡Ⅲ台阶段不同荷载组合工况的稳定性计算结果见图12至图14。

图12 东部边坡Ⅲ台阶段荷载组合Ⅰ工况的稳定性计算结果图Fig.12 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅰ condition

图13 东部边坡Ⅲ台阶段荷载组合Ⅱ工况的稳定性计算结果图Fig.13 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅱ condition

图14 东部边坡Ⅲ台阶段荷载组合Ⅲ工况的稳定性计算结果图Fig.14 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination condition Ⅲ

4.3.3 采场边坡稳定性计算结果分析

上房沟钼矿采场南部边坡和东部边坡不同台阶区段在三种荷载组合下的安全系数计算值见表6。

依据上述数据绘图，见图15。

图15 采场边坡不同台阶区段的稳定安全系数计算值Fig.15 The calculated value of the stability safety factor of the different step sections of the stope slope

表6 采场边坡不同台阶区段在三种荷载组合下的安全系数计算表

根据以上图表的计算结果，并结合采场边坡现状，边坡稳定性分析如下：

1)采场南部边坡Ⅰ台阶段(+1 380 m水平以上)坡面陡，且裂隙发育明显，在三种荷载组合下的稳定安全系数计算值都小于安全储备系数1.3，属于危险坡体。

2)采场南部边坡Ⅱ台阶段(+1 380 m～+1 335 m水平)坡面较缓，且已形成正规台阶，在三种荷载组合下的稳定安全系数计算值都大于1.3。

3)由于矿山采矿作业主要集中在采场南部边坡Ⅲ台阶段(+1 335 m～+1 290 m水平)范围内，工作帮边坡居多，采场底部因顶板剥离后矿体赋存高低不平，局部开采台阶高度与正常采矿台阶高度为15 m不尽一致，且台阶局部坡面较陡。从稳定性计算结果可以看出，在荷载组合Ⅲ(坡体自重+地震力)作用下，稳定安全系数小于1.3，其他两种荷载组合工况稳定安全系数均大于1.3，说明该边坡台阶区段总体较稳定。

4)采场东部边坡由于坡度较缓，只有Ⅱ台阶段(+1 395～+1 335 m水平)在荷载组合Ⅲ(坡体自重+地震力)作用下，稳定安全系数小于1.3，其他边坡台阶区段的稳定安全系数都大于1.3，边坡总体稳定性较好。

5)采场东部边坡岩体比较破碎，节理裂隙发育明显，岩石稳定性较差，从稳定性计算结果可以看出，其边坡稳定性更容易受到爆破振动、地震动或其他外力的影响。

6)采场东部边坡+1 335 m水平以上(除了Ⅱ台阶段荷载组合Ⅲ工况)的计算结果也是稍微高于安全储备系数。

5 露天采场边坡灾害及其防治措施

针对上房沟钼矿采场边坡存在的危险有害因素，提出以下防治措施：

1)应定期对边坡进行检查。对采场工作帮应每季度检查一次，高陡边坡应每月检查一次，不稳定区段在暴雨后及时检查，根据矿体产状为西南倾，倾角为60°，东部及北部边坡为内倾边坡，故日常应特别加强对该处边帮检查和检测，及时消除事故隐患。

2)在采场边坡以外临近边坡区域及采场台阶上开挖多条截水沟，分段截水，减少雨水冲刷。

3)及时清理边坡上的松石、浮石，边坡有表土的地段，应种植草皮，防止水土流失。

6 结论

边坡稳定是保证露天矿生产安全的基本条件。本文针对上房沟钼矿采场边坡的实际情况，通过工程地质、水文地质踏勘研究，分析确定上房沟钼矿采场边坡的潜在滑动模式和岩土体物理力学指标，确定边坡安全储备系数，综合运用极限平衡迭代计算分析等方法，计算出上房沟钼矿采场南部边坡和东部边坡选取剖面不同台阶区段的稳定安全系数，对边坡稳定性进行了系统分析，判定危险坡体和稳定体，并提出了针对性的安全对策。此项研究成果对类似露天矿山边坡稳定性分析和治理具有借鉴意义。