柯秋壁，周小平

（1.安徽海螺水泥股份有限公司，安徽 芜湖 241000；2.巴中海螺水泥有限责任公司，四川 巴中 636600）

边坡作为露天矿区最为主要的结构因素，其整体稳定性对工程安全有着显著影响。大冶铁矿狮子山北帮、歪头山铁矿西采场南部以及大平掌南部东部边坡[1]等，都因整体边坡失稳引发不同程度的经济损失，甚至是人员伤亡。但由于矿山边坡为临时性构筑物，权衡经济效益，工程上在矿山边坡安全维护方面很难投入大量资金。因而，通过设计合理的边坡坡形来提升边坡整体稳定性有其重要意义。

近年来，国内相关学者针对各种工程地质条件下矿山整体边坡稳定性以及坡形优化方面做了许多研究。王东、曹兰柱等[2]通过极限平衡法研究了边坡断面凸凹形态对边坡稳定性的影响，得出凸形断面稳定性高于凹形断面稳定性的结论；祁利民等[3]通过Geo－Slope 软件分析了扎哈淖尔露天煤矿南帮内排不同压脚形态下的边坡稳定性变化，制定了最优压脚方案；杨冠东[4]基于数值模拟和极限平衡法分析了白音华露天矿西帮受断层及弱层控制的破坏模式，确定断层逆倾边坡安全系数的同时，对边坡局部和整体坡形进行了优化。

目前坡形优化研究很少有针对岩层倾角由下向上部逐渐变缓的顺层边坡，且优化分析方法相对复杂。基于极限平衡法，选取四川省谭家山石灰岩矿区典型剖面，提出了一种“三段线”简化坡形方法及坡形优化分析方法，通过对坡形进行优化，给出具体优化建议。

1 工程地质条件及边坡概况

四川省谭家山露天石灰岩矿东矿区岩石主要由二叠系栖霞、茅口组、二叠系吴家坪组组成。栖霞、茅口组岩石主要组成部分为浅灰-深灰色中层-块状灰岩，夹少量白云质灰岩和泥质灰岩，总厚度97.39～246.09 m，为水泥用石灰岩矿的赋存层位，岩石强度较高。吴家坪组组成部分主要为深灰-灰色薄-中层燧石灰岩，细晶结构，主要矿物成分为：方解石，粒径0.004～0.25 mm，含量5%～75%，玉髓，微粒、结核状，含量20%～87%，少量铁质、石英，厚度大于173 m，有着强度低、易碎等特点[5]，不宜综合开采利用。边坡岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

矿区位于汉王山复式向斜北翼，地层呈陡倾倒转单斜产出，产状：倾向326°～349°，倾角44°～74°，且由下至上逐渐变缓。矿区地形利于大气降水自然排泄，矿区中部有条戴家河流经，最终汇入南江河。丰水期流量较大，流量为0.8 L/s，但对矿山开采无影响。据地勘钻孔资料显示均为干孔，无涌水情况，资源量估算范围内未见地下水。

东矿区终了边坡设计整体边坡角为41.9°，采用自上而下分层开采的原则，台阶高度15 m。台阶边坡沿岩层走向采用顺层面开挖原则，根据不同高程段岩层层面倾角变化，设计台阶边坡角为850～1020 m 高程段60°、1 020～1 150 m 高程段55°、1 150 m以上42°。安全平台宽度为4 m，清扫平台宽度为6 m，开采模式为1 个安全平台间隔1 个清扫平台（4+6）。东矿区12-12’剖面结构示意图如图1，边坡高度320 m，燧石灰岩坡高260 m。

2 原设计整体边坡稳定性

2.1 原设计工况与安全系数

图1 12-12’剖面结构示意图

整体稳定性分析主要考虑了4 种不同工况，分别为自然、暴雨、地震、暴雨+地震（极端工况，百年一遇），后3 种工况主要用作校核。计算暴雨工况边坡安全系数时，岩体强度参数选用饱和参数。矿区地震基本烈度为Ⅵ度，据相关规范要求，采用拟静力法，只考虑水平地震作用力来模拟地震工况，地震加速度为0.05g。

结合矿区实际工程地质与水文地质的复杂性以及相关规范及工程经验[6-7]，可以确定谭家山矿区采矿场工程属于复杂程度，边坡工程安全等级属于I级。因此，取整体边坡安全系数要求分别为1.30（自然工况）、1.15（自然+暴雨工况和自然+地震工况）、1.10（自然+暴雨+地震工况）。

2.2 原设计边坡稳定性

采用国际通用的稳定性评价软件Slide，材料参数使用表1 岩体参数，通过极限平衡法Janpu 法[8]，得到4 种工况下整体边坡最危险滑面的安全系数，原设计边坡不同工况安全系数见表2。

表2 原设计边坡不同工况安全系数

由表2 可知，设计边坡整体稳定性在自然、地震和暴雨+地震工况下均不满足相应安全系数的要求，有必要对原设计坡形进行优化。

3 边坡坡形优化

3.1 坡形优化分析方法

结合谭家山矿山层面由下到上逐渐变缓的特点，根据设计的坡面特点，提出了边坡“三段线”简化坡形的方法，即将整体边坡简化坡形由3 段直线组成，3 段式边坡示意图如图2。按由下往上的顺序，最底部资源量开采标高至燧石灰岩初露标高为底部段，燧石灰岩初露标高至上部岩层层面开始有明显变缓高程为中部段，上部岩层层面明显变缓段为上部段，将每1 段台阶起点终点相连构成3 段线。

图2 3 段式边坡示意图

图2 中3 段线1—2—3—顶点（后简称：1—2—3，其他三段线同）3 段线为原设计方案坡面线，分别将点2 分别向左右移动4 m 和8 m 形成点4、点10和点5、点8；同理点3 形成点6、点11 和点7、点9。将点2、点4、点5、点8、点10 与点3、点6、点7、点9、点11 及坡脚与坡顶点自由组合形成25 种不同的坡面线组合方案，通过极限平衡法计算出这25 种组合情况下边坡自然工况的安全系数，不同组合“三段式”边坡安全系数Fs表见表3。

表3 不同组合“三段式”边坡安全系数Fs 表

由表3 可以看出，在上部、中部段连接点不变前提下，随着底部段坡度变陡，边坡安全系数逐渐增大；在底部、上部段连点不变的前提下，随着中部段坡度放缓，边坡稳定性逐步增大。按照上述规律，优化的主要思想为在一定坡度调整范围内和岩体强度的允许下，通过提高底部段石灰岩边坡坡度，放缓中部段燧石灰岩坡度，来达到提高整体边坡安全系数的目的。

3.2 坡形优化方案及优化后边坡稳定性

在整体边坡角不变的前提下，提出了优化方案：开采模式由原来的1 个安全平台间隔1 个清扫平台（4＋6）改为2 个安全平台间隔1 个清扫平台（4＋4＋6），用以加陡底部石灰岩段坡度；中上部通过增加安全平台和清扫平台的宽度（5＋5＋7）来放缓中部段燧石灰岩段坡度。上部段仍采用4＋4＋6 的开采模式，但考虑到燧石灰岩边坡高度较高、岩体完整性差，为安全起见，由下往上在燧石灰岩段中部（1 180 m 水平平台）增设加宽的燧石灰岩接渣平台，宽度为8 m。最终，底部石灰岩段坡度从46.4°变为47.6°，中部燧石灰岩段坡度从42.8°变为40.7°，优化后的坡形图如图3。

图3 优化后坡形示意图

优化后的整体边坡安全系数见表4。边坡坡形优化后，边坡整体稳定性在不同工况下均有所提升，皆满足安全系数要求。

表4 优化后不同工况边坡安全系数Fs

4 结语

针对边坡岩层倾角由上向下部逐渐变陡且顺层的特点，提出了一种基于极限平衡分析方法的露天矿整体边坡坡形的优化分析方法；分析得出谭家山石灰岩矿东矿区在原设计坡形下边坡整体稳定性不满足安全系数要求。在不改变整体边坡坡角的情况下，通过对整体边坡坡形优化，提高了边坡安全系数。给出了谭家山石灰岩矿东矿区边坡的具体优化方案，加陡底部段边坡坡度，开采模式由原先间隔1个安全平台设置1 个清扫平台变为间隔2 各安全平台设置1 个清扫平台；将中上部安全平台宽度由4 m 增至5 m，清扫平台由6 m 增至7 m，同时，在燧石灰岩段中部加设燧石灰岩接渣平台，用以增加燧石灰岩边坡局部稳定性，有助生产安全。