露天矿山不同岩质边坡稳定性安全分析

2022-06-04李文新刘艳红蒋京名郭朝阳

采矿技术 2022年3期

李文新，刘艳红，蒋京名，郭朝阳

(1.湖南有色环保研究院有限公司，湖南长沙 410125；2.湖南有色冶金劳动保护研究院有限责任公司，湖南长沙 410014；3.华楚智能科技（湖南）有限公司，湖南长沙 410014)

0 引言

根据2017 年《全国非煤矿山生产安全事故统计分析报告》[1]，全国金属非金属矿山共发生事故407 起，其中露天矿山事故106 起、死亡113 人，边坡垮塌事故28 起，占总数的6.9%，事故频率仅次于地下矿山的冒顶坍塌事故（125 起）。我国非煤露天矿山存在的主要危险有害因素是滑坡、坍塌。

露天矿山在开采矿产资源时，一般采用自上而下分台阶开采[2]，开采结束后会形成高边坡，如果台阶坡面角设置过陡，或者安全平台、清扫平台宽度设置不满足规范要求，形成的最终边坡角过大，容易导致岩质边坡失稳，发生滑坡、坍塌等事故[3]，危及矿山作业人员安全，对生产设备造成损毁，制约企业的可持续发展[4]。

露天矿山岩质边坡根据岩体种类分为5 类：散体状结构（强风化、全风化）、碎裂状结构（构造影响严重的破碎岩层）、层状结构（薄、中厚层状沉积岩）、块状结构（厚层状沉积岩，块状岩浆岩和变质岩）、整体状结构（块状岩浆岩和变质岩，巨厚层沉积岩）[5]。

由于岩体结构面的影响，岩质边坡的稳定性判断起来较为困难。选取较难判断的碎裂状、层状、块状3 类（不考虑散体状、整体状岩石边坡）岩质边坡，对其稳定性进行分析。并结合4 个露天矿山实例，采用毕肖普法和萨尔玛法计算其边坡稳定性安全系数，得出计算结果，从而为露天矿山边坡治理对策措施的制定提供依据。

1 计算方法介绍

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）[6]，碎裂状岩体边坡稳定性计算采用简化毕肖普法[7]，层状及块状岩体边坡稳定性计算采用萨尔玛法[8]。

1.1 简化毕肖普法

毕肖普法是基于极限平衡原理，考虑了条块间相互作用力的一种圆弧滑动分析法。其将滑裂条块当作刚体绕圆心旋转，并分条计算其滑动力与抗滑力，最后求出稳定安全系数，其计算简图见图1。

图1 毕肖普法计算简图

1.2 萨尔玛法

萨尔玛法是基于极限平衡原理而发展起来的，广泛用于露天矿边坡稳定性分析的一种方法，其可用来确定各种形状滑动面的边坡稳定性，能够根据岩体中实际存在的断层、节理和层面等结构面划分条块，使计算结果比较接近实际。其计算简图见图2。

图2 萨尔玛法计算简图

式中，为分块底面的黏结力，kPa；为分块侧面的黏结力，kPa；为分块底面的内摩擦角，（°）；为分块侧面的内摩擦角，（°）；di为分块侧面长度，m；li为分块滑面长度，m；αi为滑面与水平面的夹角，（°）；δi、δi+1为分块侧面与垂直方向的夹角，（°）。

2 露天矿山边坡实例

选取4 个露天矿山的岩质边坡进行稳定性计算，其第四系覆盖层已超前剥离或者岩体基本裸露，稳定性计算时不考虑第四系覆盖层的影响。

（1）BP1 碎裂状岩体（湖南某多金属矿东南侧边坡测水组砂页岩）。中风化岩体，岩块密度为2.39～2.54 g/cm3，饱和极限抗压强度为3.5～73.6 MPa，软化系数为0.51～0.77，内摩擦角为41°06′～45°52′，凝聚力为0.63～5.32 MPa；受水浸泡后内摩擦角约为6°，内聚力32 kPa。

（2）BP2 碎裂状岩体（湖南某多金属矿东北侧边坡灰岩、白云质灰岩）。节理、劈理非常发育，主要有3 组，第一组最为发育，倾向为110°～20°，倾角为60°～75°，密集带达40 条/m；第二组不甚发育，为170°～190°∠80°，密集带达3～5 条/m；第三组层间裂隙发育弱，280°∠26°，密集带达2～3 条/m。岩块密度为2.68～2.71 g/cm3，饱和极限抗压强度是33.4～55.9 MPa，软化系数0.63～0.72，内摩擦角38°22′～41°25′，凝聚力3.79～5.71 MPa，岩石质量系数为0.726～0.907。

（3）BP3 层状结构（云浮某水泥用石灰岩矿灰、灰黑色微粒灰岩、粉砂质灰岩）。岩块平均抗压强度68.5 MPa，石灰岩密度27 kN/m³，岩体结构面黏聚力0.15～0.23 MPa，内摩擦角33°～41°。

（4）BP4 块状结构（广东高州某片麻岩矿黑云母斜长片麻岩）。矿体赋存于+295.0～130.0 m 标高。矿石为中粒黑云斜长片麻岩，以层状产出，产状为350°∠65°，颜色呈浅灰色至灰黑色，部分深灰色。

岩块抗压强度为110.3 MPa；抗折强度为21.5 MPa；天然密度为2.65 g/cm3；普氏硬度为6.5，岩体结构面黏聚力为0.18～0.27 MPa，内摩擦角为39°～47°。

3 稳定性计算

3.1 条件设定

（1）选取的4 个矿山的最大开采深度均大于100 m，为方便对计算结果进行统计分析，本次计算设定台阶高度为100 m。

（2）稳定性计算中，不考虑各平台设置，只考虑最终边坡角。

（3）稳定性计算考虑3 种荷载：荷载I，现状工况（不考虑地下水）；荷载II，荷载I+降雨；荷载III，荷载I+7 级地震。

3.2 计算参数

碎裂状岩体（简化毕肖普法）内聚力和内摩擦角根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）[6]，通过岩体质量指标（RMR）、岩石地质强度指标（GSI）、完整岩石常数（mi），岩块单轴抗压强度（σc）等计算确定（见表1）。

表1 简化毕肖普法计算参数

层状岩体及块状岩体（萨尔玛法）结构面内聚力和内摩擦角参考《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）[6]，并根据岩体结构面结合程度选取（见表2）。

表2 萨尔玛法计算参数

3.3 安全系数计算

采用理正岩土软件进行计算。首先建立4 类岩质边坡的工程地质模型，再分别考虑不同边坡角条件下，降雨影响和地震影响下4 类岩质边坡的稳定性计算，各边坡参数见表3、表4。

表3 各矿山台阶参数

表4 台阶边坡角与最终边坡角对照

当台阶边坡角为60°时，碎裂状BP1 的安全系数已接近于1，故不再对边坡角大于60°的情况进行计算；当台阶边坡角为50°时，碎裂状BP2、层状BP3、块状BP4 安全系数值均较大，说明小于该值安全系数更大，故不再对边坡角小于50°的情况进行计算。计算结果见表5。

3.4 计算结果

由表5 绘制各边坡安全系数变化曲线，如图3至图6 所示。由表5、图3 至图6 可得到如下结论。

表5 不同台阶边坡角下的边坡稳定性计算结果

（1）碎裂状结构BP1 在荷载II 下稳定性安全系数小于1。湖南某多金属矿现状台阶边坡角45°，最终边坡角33°，由图3 可知，碎裂状BP1 受雨水影响严重，遇降雨边坡易发生局部滑坡，与该矿现场边坡经常发生小规模滑坡相符。

图3 碎裂状BP1 安全系数计算结果

（2）碎裂状结构BP2 在荷载II 下，当最终边坡角大于52°时，稳定性安全系数降低至小于1。

湖南某多金属矿现状台阶边坡角65°，最终边坡角47.8°，由图4 可知，碎裂状岩体BP2 受降雨影响较大，这是因为雨水进入岩质边坡裂隙，增加了潜在滑动面水压力，降低了边坡整体C、φ值。

图4 碎裂状BP2 安全系数计算结果

（3）层状结构BP3 边坡稳定性较好。云浮某水泥用石灰岩矿现状台阶边坡角为70°，最终边坡角为54.1°，由图5 可知，层状岩体BP3 稳定性较好，在长时间暴露及降雨情况下，边坡仍能保持稳定，与现场实际情况相符。

图5 层状BP3 安全系数计算结果

（4）块状结构BP4 稳定性较好。广东高州某片麻岩矿现状台阶边坡角为70°，最终边坡角为54.1°，由图6 可知，块状岩体BP4 稳定性较好，在长时间暴露及降雨情况下，边坡仍能保持稳定，与现场实际情况相符。

图6 块状BP4 安全系数计算结果

综上分析，可分析得出以下结论：

（1）边坡稳定性安全系数随着最终边坡角的增大逐渐降低；

（2）碎裂结构岩石边坡在降雨工况（荷载II）下边坡会失稳，发生滑坡；

（3）降雨（荷载II）对碎裂结构岩石边坡稳定性安全系数影响较大；

（4）降雨（荷载II）对层状和块状岩石边坡影响较小；

（5）地震（荷载III）对各类岩石边坡稳定性具有一定的影响。

4 边坡治理对策措施

依据各类边坡稳定性计算结果，可针对性地编制露天边坡治理对策措施，主要从最终边坡角、降雨两方面着手。

（1）适当减缓最终边坡角，具体措施包括：减小台阶边坡角，增大安全平台和清扫平台宽度；在最终边坡坡脚处设置防滑挡墙；靠近最终边坡采用控制爆破技术，层状及块状岩石边坡采用预裂爆破和微差爆破，散体岩石边坡采用光面爆破及微差爆破。

（2）对于碎裂状结构岩质边坡，尤其防范雨水对边坡的影响，具体措施如下：露天矿山封闭圈外设置截水沟，各台阶平台设置排水沟，降低雨水对边坡的影响；加强岩石边坡内地下水的疏干[9]，降低岩体内潜在滑动面上水压力；碎裂或易风化边坡采用挂网喷浆[10]支护，既防止了雨水渗入，又有一定防止边坡风化的作用；设置边坡内部和表面位移监测设施。

此外，应加强生产过程中的边坡安全管理，及时清理不稳定岩体、浮石等，并将边坡发生滑坡可能影响范围设置为危险区域，张贴警示标志，禁止人员及设备靠近。