岳 明

露天矿山边坡稳定性影响因素及分析方法研究

岳 明

（河南建泰化工工程设计有限公司，河南三门峡 472000）

对露天矿山边坡稳定性影响因素从内外因两个方面进行分析，总结了极限平衡法、基于FLAC3D强度折减的有限差分法和基于强度折减的有限元法等3种常用的边坡稳定性分析方法，提出了加强地质勘查、做好安全监测、合理确定台阶要素和选择爆破方法、削坡减压和减重压脚、加强边坡检查与管理等治理边坡滑动灾害的控制措施。研究结果对露天矿山的安全生产及预防和控制边坡失稳具有一定的指导意义。

露天矿山；影响因素；边坡稳定性分析方法；滑动灾害防治措施

露天矿山经过长时间的开采，边坡高度日益增加，一旦发生滑坡事故，将会造成重大人身伤亡与财产损失。因此，对边坡稳定性进行分析，制定针对性的防治措施，保障人们的生命安全，降低矿山的运营维护成本，具有重要的安全与经济意义。

1 边坡稳定性影响因素

1.1露天矿山边坡简介

露天矿山边坡是经剥离及采矿作业后形成的一种特殊的安全构筑物，其主要成分为岩体。边坡形成临空面后，原岩的应力状态便发生了改变［1］。边坡开挖前，应力场处于相对平衡状态，经过开挖，会在坡顶交线位置处出现应力集中区。当应力集中区扩大到一定程度，边坡便会发生破坏。

1.2边坡稳定性影响因素分析

露天矿山边坡经常受到自身岩体结构、人类工程活动、自然力作用等因素影响而发生失稳，主要有以下四个方面。

1.2.1 岩性特征及岩体结构

岩性特征：岩体自重、孔隙度、内聚力、内摩擦角、抗剪强度和抗压强度等物理力学特性都会影响到边坡的稳定，而抗剪强度的大小则直接决定边坡是否发生滑动。一般情况下，岩体本身的抗剪强度越高越有助于边坡的稳定。

岩体结构：岩体自身的结构稳定性也会影响到边坡的稳定。边坡的滑动通常沿着岩体内部的结构面发生，当坡向与结构面交线的倾角一致时，便会发生滑动；岩体结构面中的黏粒含量越少、粗碎屑含量越多、表面颗粒间越粗糙、泥质充填物越薄，则边坡稳定性越好。

1.2.2 人类工程活动作用

爆破震动荷载：露天矿山爆破期间，边坡岩体应力场会受到爆破震动荷载的作用，当应力集中区扩大到一定程度，边坡便会发生破坏。爆破震动对边坡的破坏由岩体振动速度大小决定，主要涉及岩石性质、地质条件、爆破炸药量、爆破中心至边坡的距离等因素。岩体振动速度v的大小为：

式中：Q为炸药量／t；R为爆破中心至边坡的距离／m；K为爆破系数；α为衰减系数。

附加荷载：人为在坡顶堆积设备、废石产生的自重荷载；钻车、挖掘机等大型设备本身的自重及作业产生的震动荷载等附加荷载都会影响到边坡的稳定。

开采顺序和推进方向：开采顺序和推进方向也会影响到边坡的整体性和稳定性［2］。实际生产中，如果采用的开采顺序不合理，或在边坡底部进行掏采，产生的浮石、伞檐和空洞，将严重影响到边坡的稳定。

1.2.3 地表水及地下水作用

地表水作用：地表水的影响主要体现在对边坡岩体的侵蚀，特别是在降雨季节和冰雪解冻期，雨雪通过坡顶或坡面的张裂隙渗入边坡岩体。一方面，裂隙充水产生水平推力使岩体失去约束；另一方面，裂隙充水造成边坡岩体软化，从而降低了岩体的强度和摩擦力，引起边坡失稳。

地下水作用：地下水的影响主要体现在潜在破坏面抗剪强度的降低。地下水通过与岩体的物理力学作用和化学作用等，降低了岩体的抗剪强度，引起边坡破坏。

1.2.4 构造力、风化及植被作用

构造力作用：构造力主要为地质构造运动过程中产生的应力，表现为触发效应和累积效应两个方面。前者因振动使边坡中的软弱层触变液化，引发临界状态下的边坡瞬间失稳［3］；后者则引起边坡岩体结构的松动变形、破裂面扩大和孔隙水压力累积上升等，使边坡发生破坏。

岩体的风化及植被作用：风化作用主要由温湿度变化、降雨、积雪和蚀变等因素引起，会扩大岩体原生结构面和构造结构面的范围，增加岩体裂隙。一方面，风化作用使边坡形成地表水易于侵入的形状；另一方面，沿裂隙风化时，会使岩体脱落或沿裂隙崩塌、滑移。植被作用会根据边坡类型的不同产生完全相反的作用。对于土质边坡，植被根系可吸收地下水保持边坡的干燥，并固结土壤，从而增强稳定性；而对于岩质边坡，生长在裂隙中的根系则会使裂隙扩大，导致边坡崩塌。

2 边坡稳定性分析的主要方法

露天开采边坡稳定性分析的目的是在确保安全的前提下，提出剥离量小、采矿量大、边坡维护费用低的设计方案［4］。通过合理确定边坡角，在安全条件下，增加剥采比，提高矿山经济效益。经分析，主要有以下3种方法。

2.1极限平衡法

极限平衡法是将滑动范围内的岩土体按规则划分为小块体，通过分析块体的受力平衡条件来构建平衡方程，以安全系数表示其稳定程度。

对于直线型滑动，安全系数定义为抗滑力与下滑力之比；对于曲线型滑动，安全系数则为抗滑力矩与下滑力矩之比［3］。其评判标准为：安全系数大于1时呈稳定状态；等于1时处于临界状态；小于1时为失稳状态。

瑞典条分法是极限平衡法中常用的一种方法。该法首先假定滑动面为圆弧面，且忽略条块间的作用力对边坡的影响。如图1所示，对条块进行分析，滑弧面上的极限平衡条件满足下式：式中：Tfi为条块i在滑动面上的抗剪强度／MPa；Fs为滑动圆弧的安全系数。

对所有条块均进行如上分析，则得出边坡的安全系数公式：

式中：ci为岩体的内聚力／MPa；li为条块的弧长／m；Wi为条块的重量／kg；θi为角度／（°）。θi如图1所示。

图1 瑞典条分法图

由于边坡结构常常比较复杂、影响因素多种多样，常有安全系数大于1发生破坏，而小于1反而稳定的矛盾现象。因此，极限平衡法还需要进一步的发展和完善。

2.2基于FLAC3D强度折减的有限差分法

FLAC3D强度折减法是一种新起的针对性比较强的分析方法，通过折减岩土体抗剪强度参数，代入有限差分软件一直计算到不收敛为止，使边坡处于破坏状态而得到滑动破坏面。这种方法不需事先假定滑移面的形式和位置，可直接得到安全系数，并判断边坡是否处于安全状态和可能发生滑坡的区域。

根据图2所示的网格剖分图［5］，以A为例进行点的应力分析，假设岩体抗剪强度以折减系数Fs进行折减，当逐渐增加折减系数，岩体的抗剪强度会逐渐降低，边坡的塑性区范围会逐渐扩大，当折减系数增加到一定程度时，塑性区形成连通区域，则认为边坡已发生破坏。此时的强度折减系数即为边坡的整体安全系数，滑裂面的位置可根据位移等值线和剪应力等值线的疏密程度以及塑形区的范围来确定。

图2 网格剖分图

2.3基于强度折减的有限元法

有限元法是将岩土体分割成不同大小和种类的小区域，然后分析每一个单元的受力情况，再组合成整个系统并构成系统方程组，然后求解。这种方法主要依据弹塑性理论，得出完整的应力、应变结果，再折减所有单元的强度指标直至失去平衡，以此来评价边坡的稳定。该方法具有如下优点：

1.可分析任何形状的结构体，对于几何条件、荷载条件和材料分区较为复杂的问题，也能够解决。

2.理论体系更为严密，除线性分析外，还可进行非线性分析，并考虑边坡内部的应力、应变问题，满足变形协调条件。

3.无需预先假定滑裂面的位置和形状，就可自动找出潜在滑裂面并计算安全系数。

4.可根据塑性区的扩展调整荷载分布。

3 露天矿山边坡滑动灾害的防治措施

1.加强对边坡区域的地质勘查。掌握岩体特征、岩体结构面分布、边坡滑落情况和水文地质情况等信息，根据地质构造的复杂程度，建立相关管理与运作制度，进行评级管理。

2.查明地下水源。根据地下水源位置，采取疏干降压、注浆堵水、挖沟排（截）洪、整治河道等措施，减小地表水及地下水对边坡稳定的影响。

3.对边坡进行监测。建立边坡状态监测系统和参数数据库，通过微震监测技术、AE声发射技术进行监测，了解软弱结构面的变形规律与破坏类型，并及时采取有效治理手段。

4.采用削坡减压、减重压脚等边坡治理措施。严重滑坡地段可采用挡墙、抗滑桩、锚杆（索）及注浆等方式对边坡进行加固，抑制滑坡体的进一步发展。

5.合理确定台阶要素。按照设计要求确定台阶高度、最小平台宽度、台阶坡面角、开采顺序和推进方向等要素，确保开采的安全性与合理性。

6.合理选择爆破方法。严格按照规程要求进行规划和设计，禁止“掏采”现象发生，并避免一次性大药量爆破，尽量采用预裂爆破、光面爆破、减震爆破和控制爆破等爆破技术，减少震动对边坡的影响。

7.加强检查。经常对边坡进行检查，及时处理边坡浮石、伞檐，在每年汛期及春融季节，要增加检查次数。

8.加强管理、重视制度。建立健全安全管理机构；建立边坡检查制度，制定可靠的边坡防护措施；定期对从业人员进行安全培训，提高员工安全意识。

4 结 论

1.边坡发生失稳实质是内外因共同作用的结果。内因主要是边坡自身的岩性特征及岩体结构等因素；而外因则包括人类工程活动、地表水及地下水作用、构造力、风化及植被作用等。

2.边坡稳定性分析方法主要有3种：极限平衡法、基于FLAC3D强度折减的有限差分法和基于强度折减的有限元法。

3.通过加强地质勘查、做好安全监测、合理确定台阶要素、合理选择爆破方法、削坡减压、减重压脚、加强边坡检查与管理等措施可以避免边坡灾害的发生。

［1］ 张飞，黄堃，刘德峰.FLAC～（3D）强度折减法在露天煤矿安全评价中的运用［J］.露天采矿技术，2014，（3）：21－23，27.

［2］ 于庭安，戴兴国.露天矿边坡稳定性的安全因素分析［J］.矿业安全与环保，2008，35（1）：73－76.

［3］ 张丽，黄英，任磊，等.边坡稳定影响因素及稳定分析方法探讨［J］.云南水力发电，2007，23（4）：22－26.

［4］ 刘树杰，徐贵娃，王勇，等.安太堡露天煤矿储煤场破碎站滑坡分析及治理设计［J］.露天采矿技术，2010，（5）：65－68.

［5］ 李全明，付士根，王云海.露天开采边坡稳定性分析方法及灾害防治措施研究［J］.中国安全科学学报，2007，17（2）：55－60.

Research of Influence Factors and Analysis M ethod about Slope Stability in Open Pit M ine

YUEMing
（HenanJiantaiChemicalEngineeringDesignCo.，Ltd，Sanmenxia472000，China）

Analysis from two aspects of home and abroad about the influence factors of open-pitmine slope stability，it summered up the limitequilibrium method，finite difference based on FLAC3Dstrength reductionmethod，based on strength reduction finite element method to analyze three methods of slope stability，and put forward to strengthen geological exploration，good safetymonitoring and reasonable controlmeasures to determine the level factor and the selection of blasting method，slope cutting pressure and weight loss pressure foot，strengthen inspection and management of slope slope sliding disaster.The research results have certain guiding significance for the safe production and prevention and control of slope instability in open pitmine.

open pitmine；influence factor；slope stability analysismethod；sliding disaster prevention measures

TD854＋.6

：A

：1003－5540（2016）06－0006－03

2016－11－28

岳 明（1989－），男，助理工程师，主要从事采矿设计及安全评价工作。