多因素作用下的露天矿边坡稳定性分析

2015-03-09张文平胡建华

现代矿业 2015年8期

关键词：露天矿安全系数岩土

张文平胡建华林允

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

多因素作用下的露天矿边坡稳定性分析

张文平1胡建华2林允2

(1.太原钢铁(集团)有限公司矿业分公司峨口铁矿；2.中南大学资源与安全工程学院)

边坡稳定性问题关系到我国露天矿的安全生产和企业发展，得到国家和社会的广泛重视。针对某露天矿边坡，在综合分析边坡的工程概况和地质条件基础上，结合边坡工程的具体特征，采用Slide数值分析软件，考虑了自重、降雨、地震以及多重因素的耦合作用4种工况，分析了露天矿边坡的稳定性。结果表明：露天矿的上盘边坡较稳定，下盘边坡易失稳破坏；在降雨、地震作用下,边坡安全系数降低明显，特别是降雨与地震耦合作用时，应及时采取排水、防震措施。

露天矿边坡 Slide Bishop法数值模拟稳定性

露天开采在采掘工业中占有举足轻重的地位，露天矿边坡工程是一项关系矿山安全生产、可持续发展和重大经济效益的关键课题[1]。随着露天矿开采进入中后期，露天矿边坡滑坡事故不断增加，严重影响了矿山的自身安全，同时造成了重大人员伤亡和环境破坏[2]。为加强矿山的安全控制，国内外专家学者针对露天矿边坡的稳定性做了大量的研究工作。王东等针对露井联采逆倾边坡破坏模式及稳定性评价方法进行了详细地分析研究[3]；曹向奎等基于遗传算法的最小二乘支持向量回归参数寻优方法建立了露天矿边坡稳定性预测模型[4]；王旭春等针对露井联采中煤平朔安太堡露天矿西北帮边坡进行了稳定性分析及加固措施研究[5]；杨天鸿从边坡稳定性分析方法、边坡监测、预测预报方法等方面总结了目前边坡稳定性研究方法及预测预报研究现状，分析了露天矿边坡的工程特点[6]；曾维国采用VB语言实现了简化Bishop法计算露天矿边坡安全系数的程序[7]。

基于某露天矿边坡地质勘察资料，从边坡的地形地貌和工程地质条件出发，针对暴雨、地震等多重作用，研究露天矿边坡的稳定性，为边坡进一步综合防治措施的制定提供理论依据。

1 工程及水文地质概况

1.1 工程概况

某露天矿山开拓运输坑线采用折返式布置在上盘，矿石总出入沟位于采场北部+30 m标高，废石总出入沟位于西南端+34 m标高。露天境界最低开采标高为-144 m，最高台阶标高为+320 m。+36 m 至露天坑底共15个台阶，露天境界上盘最终边坡角为44°，下盘最终边坡角为39°～41°，台阶高12 m；上盘台阶坡面角为65°；下盘台阶坡面角36 m以上为50°，36 m以下为55°；安全平台上盘宽6 m，下盘宽12～15 m。对边坡岩体按照CSIR法进行分类，该露天矿边坡岩体为三类岩体，稳定性一般。根据该露天矿边坡的等高线图采用3DMine软件建立边坡的三维模型，见图1。

图1 三维计算模型

1.2 水文地质条件

边坡地层较为复杂，有第四系、栖霞灰岩、闪长玢岩、褐铁矿等。东端上部为第四系，主要为含砂砾黏土、亚黏土；栖霞灰岩岩溶特别发育，岩体结构为块状、散体结构，闪长玢岩蚀变较强，强度差别明显，岩体结构以块状结构为主；褐铁矿主要为粉状夹块状，岩体结构以碎裂结构为主。

本区属热带季风气候，气候温和，雨量充沛，无霜期长，四季分明。日最高气温为33 ℃，年平均气温为16 ℃，年最大降水量为2 173.7 mm，月最大降水量为204.4 mm，年平均降水量为1 536 mm。5—8月降水比较集中，降水量约为全年的56%，最大一次降水持续13 d，总降水量达683.7 mm，占全年降水量的31.4%。年降水天数为118～160 d，年平均蒸发量为1 359.8 mm，年平均潮湿系数为0.95。每年10月至次年3月为枯水期。

1.3 地震活动情况

本区位于华北地震区南部与华南地震区北部间的过渡区，长江中下游—南黄海地震带西南端，地震活动强度和频度相对较低，受外围地区中强地震的影响较突出。本区以小震活动为特点，历史上未发生MS≥5级地震，一般在1～3级。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)，本区地震动峰值加速度分区值为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度区(表1)，属于弱震区，区域稳定性较好。

表1 地震动峰值加速度分区与地震烈度对照

1.4 矿岩物理力学性质

岩石物理力学参数是计算结果可靠性的主要影响因素，针对该露天矿上下盘边坡岩土体和矿体完成了取样及相应的试样加工与岩土体物理力学参数的测试试验。本次模拟采用的矿岩力学参数是在实验室测试基础上，根据矿岩整体地质情况进行折减后的工程参数值，见表2。

表2 边坡岩土体物理力学参数试验结果

2 边坡稳定性分析

运用Slide软件对不同工况下边坡稳定性状态进行对比分析，获得危险滑动面和可能的滑动区域。3种极限平衡方法进行对比分析表明，Bishop法更接近于实际工程情况，故研究选择Bishop法求解的安全系数值。

2.1 计算工况与模型

对该露天矿边坡选取自重条件、暴雨、地震、暴雨+地震4种工况进行稳定性计算。Slide软件计算模型见图2，其中，入渗深度以上采用饱水时的计算参数；入渗深度以下采用天然状态下的计算参数。采用圆弧滑动面法搜索最危险滑动面，采用摩尔—库伦模型进行分析计算。

2.2 计算结果及分析

据规范规定，边坡稳定系数的取值，对新设计的边坡、重要工程宜取1.30～1.50，一般工程宜取1.15～1.30，次要工程宜取1.05～1.15；采用峰值强度时取大值，采取残余强度时取小值；验算已有边坡稳定时，取1.1～1.25[8]。本露天矿边坡为重要工程，所以，边坡稳定系数应大于1.30。

图2 计算模型

2.2.1 自重条件

正常状态下，边坡无深部裂缝发育，可不考虑深部水压力，同时不考虑地震作用对边坡稳定性的影响，边坡稳定性结果见图3。可以看出，上盘边坡的安全系数为1.635，大于1.30，表明该露天矿上盘边坡在自重条件下是稳定的；下盘边坡的安全系数为1.093，虽然大于1，但是小于规范规定的1.30，表明该露天矿下盘边坡处于不稳定状态，需要对其进行加固来提高边坡的安全系数。

图3 自重条件下边坡安全系数

2.2.2 暴雨条件

气象资料表明，区域内年平均降雨量为1 536 mm。考虑边坡岩土体在连续降雨或暴雨条件下，取边坡的入渗深度为5 m，并取5 m岩体为饱和重度，计算结果见图4。可以看出，上盘边坡安全系数为1.633，大于1.30，稳定；下盘边坡的安全系数为1.092，小于1.30，不稳定。

图4 暴雨条件下边坡安全系数

降雨影响边坡稳定性，使边坡表层岩土体达到饱和，并形成地表径流，对坡面造成冲刷；同时重度增加导致下滑力增大，安全系数降低。对比自重条件下该露天矿上下盘边坡的安全系数值可知，在持续降雨或暴雨条件下，边坡的安全系数值有小幅度下降，但对本边坡的影响有限。

2.2.3 地震条件

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[9]，研究场地主要抗震设防烈度为 5度，通过表1可知，边坡在地震荷载作用下的稳定状况时取地震加速度为 0.05 g，在计算分析时，水平和竖直方向的地震加速度均取值为0.05 g。地震作用下边坡稳定性计算结果见图5。可以看出，该露天矿上盘边坡的安全系数值为1.494，大于1.30，较稳定；下盘边坡的安全系数值为1.000，小于1.30，不稳定，应及时加固。

图5 地震条件下边坡安全系数

对比自重条件下该露天矿上下盘边坡的安全系数值可知，在地震作用条件下，边坡的安全系数值有较大幅度下降，下降幅度超过了暴雨工况的影响，易诱发边坡破坏。地震荷载作为触发边坡失稳的外在因素对边坡的稳定性有十分重要影响。由于竖向和水平向地震力影响岩土体单元受力状态，并与边坡岩体结构类型、地层岩性组合等产生叠加效应，该露天矿边坡稳定性急剧降低。

2.2.4 暴雨与地震共同作用

为更充分全面地为该露天矿边坡的加固处理提供依据，分析极端条件下(暴雨与地震共同作用时)该露天矿边坡的稳定性，计算结果见图6。可以看出，上盘边坡的安全系数值为1.434，大于1.30，较为稳定；下盘边坡的安全系数值为0.946，小于1.30，很可能发生失稳破坏，应及时加固处理。

对比自重条件下该露天矿上下盘边坡的安全系数值可知，在暴雨和地震耦合作用条件下，边坡的安全系数值下降明显。地震惯性力影响岩土体单元受力状态，并与边坡水文条件岩体结构类型和地层岩性组合产生叠加效应，降低了边坡的稳定性。

由自重条件、暴雨作用、地震荷载作用和暴雨+地震耦合作用下该露天矿边坡稳定性计算分析可知，4种工况下露天矿上盘边坡的安全系数均大于 1.30，较稳定；下盘边坡的安全系数均小于1.3，不稳定。连续暴雨、地震作用对该露天矿边坡的稳定性将产生不利影响，应针对雨水和地震等不利因素采取相关防治措施。