黃 波，張明清，鄧廣俊

(1.貴州大學礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025)

基于極限平衡的某磷礦邊坡穩(wěn)定性分析

黃 波1,2，張明清1,2，鄧廣俊1,2

(1.貴州大學礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025)

邊坡失穩(wěn)已成為露天礦山最大地質(zhì)災害之一，而影響邊坡穩(wěn)定性的因素卻是錯綜復雜的。息烽磷礦露天開采已達到設(shè)計開采標高，資源量已不能滿足礦山開采能力的需求，礦山需從露采轉(zhuǎn)入地下開采。針對地下開采對露天邊坡穩(wěn)定性問題，采用極限平衡方法對潛在滑坡段邊坡安全系數(shù)進行了定量計算，結(jié)果顯示，邊坡安全系數(shù)為1.21，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。后期受露天轉(zhuǎn)地下復合擾動作用以及其他外在因素影響，其穩(wěn)定性可能降低，對此提出相應的控制技術(shù)措施對潛在不穩(wěn)定邊坡進行防治。

邊坡穩(wěn)定；定量計算；邊坡防治

露天礦開采后留下的高陡邊坡的穩(wěn)定性是一個動態(tài)變化的系統(tǒng)[1]，邊坡自身的地質(zhì)構(gòu)造以及不穩(wěn)定軟弱面決定了邊坡穩(wěn)定的外部形式，對邊坡的穩(wěn)定性起到了決定性作用。外在因素包含邊坡角、地表水的滲入、采動影響等因素的存在可以促進邊坡的變形發(fā)展[2]。邊坡一旦失穩(wěn)破壞，后果不堪設(shè)想。國內(nèi)外學者對邊坡失穩(wěn)機理和邊坡參數(shù)做了大量的研究，取得了不少研究成果。但是對潛在滑坡研究相對較少，故開展上述研究，對邊坡穩(wěn)定性提前作出評價和預測，并對潛在滑坡提出防護，這對保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

貴州息烽磷礦（以下簡稱“該礦”）始建于1964年10月，生產(chǎn)規(guī)模為20萬t/a，礦山歷經(jīng)50年的露天開采，最大采礦深度已達761m，現(xiàn)露天開采設(shè)計保有資源量即將枯竭，下一階段主要由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采，露天邊坡的穩(wěn)定直接影響礦井未來發(fā)展。由于長年露天開采以及周圍民辦礦的影響，采場邊坡外側(cè)出現(xiàn)數(shù)條裂縫，局部還出現(xiàn)邊坡向外隆起、小型滑坡、滾石等現(xiàn)象。本文在以往研究方法的基礎(chǔ)上，采用定量計算，用安全系數(shù)表征邊坡的穩(wěn)定性，并對潛在滑坡段提出相應的控制技術(shù)措施。

2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

邊坡變形失穩(wěn)不是簡單的地應力現(xiàn)象，影響邊坡穩(wěn)定性的因素是錯綜雜的，根據(jù)各種影響因素對邊坡作用的性質(zhì)和特點[3]可將其主要分為內(nèi)在因素和外在因素兩大類。內(nèi)在因素包括節(jié)理、裂隙、斷層、軟弱面、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造；外在因素包括地表水的下滲、地下水的貫通、巖石風華作用以及人類工程活動等。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造主要為洋水背斜、核桃坪向斜、F1逆斷層及其派生斷層等構(gòu)成區(qū)域的總體構(gòu)造輪廓。洋水背斜長約25km，寬4.5km，軸向NE15°，軸面傾向近東，傾角80°左右，西翼地層傾角40～60°，東翼地層傾角30～50°，有東緩西陡之勢。向斜軸向北北東，兩翼地層大致對稱，向斜軸部地層為三迭系，向兩翼分別為二迭系和石碳系地層，因構(gòu)造影響，東翼地層完整性較差。礦區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，走向斷層F9、F6斷層破碎帶中斷層角礫巖膠結(jié)松散的地段，傾角為40～80°不等，對邊坡穩(wěn)定性有一定影響。

2.2 地層巖性

礦區(qū)出露有第四系、寒武系下統(tǒng)、震旦系和南華系等地層，角度不整合、假整合接觸，從新至老依次為：

1)第四系（Q）：主要分布在坡鹿及地勢地洼地帶，由黃色、褐黃色殘坡積粘土、亞粘土等組成，厚0～20m。

2)寒武系下統(tǒng)（∈1）：主要分布于Ⅱ工作區(qū)的西北部茅蓋山、梅子嶺一帶，由深灰色砂巖、頁巖，偶夾薄層灰?guī)r組成，局部夾泥灰?guī)r透鏡體，底部為0～1.0m的塊狀、結(jié)核狀含磷塊巖。

3)震旦系（Z）：震旦系在礦區(qū)發(fā)育了上統(tǒng)（Z2）及下統(tǒng)（Z1）地層。上統(tǒng)主要為燈影組（Z2dn）地層，下

統(tǒng)主要為陡山沱組（Z1d）地層。根據(jù)巖性差異，分為上、下兩個部份：

上部為磷礦層（Z1P）：褐灰、藍灰色、淺灰色致密狀、碎屑狀、條帶狀磷塊巖。一般厚度4.13～10.24m，平均厚6.09m。下部為灰黃、土黃、黃綠色薄層含磷砂質(zhì)白云巖，灰綠、藍綠色中厚層細至中粒含礫砂巖及砂巖組成。其中下部含泥質(zhì)成份增多，并含較多星點狀自形晶黃鐵礦顆粒，厚9.6～25m，平均厚14.5m。震旦系巖層底板為白云巖，其間偶夾黃色粘土的地段，整個礦區(qū)內(nèi)均有分布;節(jié)理裂隙發(fā)育，受構(gòu)造的影響，巖石較為破碎對邊坡的穩(wěn)定性有一定影響。

4)南華系（Nh2）：僅發(fā)育了上統(tǒng)南沱組地層。上部為紫紅色粉砂質(zhì)頁巖夾灰綠色粉砂質(zhì)頁巖，下部為紫紅色粉砂質(zhì)頁巖及少量變余粉砂巖。

2.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)地形切割強烈，為頂板直接進水的巖溶充水礦床。最低侵蝕基準面標高為785m，部分礦體位于最低侵蝕基準面以上，巖體受水侵蝕，其抗壓強度、抗剪強度明顯降低。

2.4 邊坡形態(tài)

該礦山潛在不穩(wěn)定邊坡 (BWBP)出現(xiàn)在工業(yè)場地東南部，邊坡角為35～45°平面形態(tài)大致呈層狀，與采場底部工業(yè)場地相對高差98m，(局部達105m)，邊坡上方出現(xiàn)地裂縫，采場邊坡小規(guī)?；?，局部巖體出現(xiàn)掉塊、滾石等現(xiàn)象。

通過對該礦邊坡地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、邊坡形態(tài)以及水文地質(zhì)等影響因素進行分析，得出以下結(jié)論：

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，已成型的邊坡斷裂構(gòu)造發(fā)育，破壞了巖體的整體性，對邊坡穩(wěn)定性影響較大；

邊坡巖體部分巖層為紅色粉砂質(zhì)頁巖夾灰綠色粉砂質(zhì)頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量和完整性較差，抗壓強度和抗剪強度較低，這是影響邊坡穩(wěn)定性的主要內(nèi)在原因。

邊坡較陡，臺階負荷過大，這是邊坡失穩(wěn)主要外在因素。此外，采動影響、地表水下滲以及巖體風化作用對邊坡穩(wěn)定性有一定的惡化作用。

3 基于極限平衡的定量分析

極限平衡分析法是把潛在滑面上的巖體視為剛性材料，根據(jù)靜力平衡原理分析滑體或滑塊在破壞模式下的受力狀態(tài)，通過對邊坡的下滑力與抗滑力之間的關(guān)系評價邊坡的穩(wěn)定性［4］，邊坡力學分析示意如圖1所示：

如圖1所示，原始邊坡角β為45°，可能滑面傾角α為34°，邊坡高度為H1為62m，可能滑動面的內(nèi)聚力為C，內(nèi)摩擦角為φ，可能滑體的重量為W，巖體容重為γ

圖1 邊坡力學分析示意

其力學性能指標參考地勘報告相關(guān)資料獲得，如表1所示：

表1 邊坡巖體的物理力學性能指標

則滑動力T=Wsinα；抗滑力；

邊坡穩(wěn)定系數(shù)為：

其中：K為可能滑動危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，其值為可能滑體的抗滑力F與下滑力T之比，李領(lǐng)先等人基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性計算［5］建立了穩(wěn)定性評價標準(見表2)；內(nèi)聚力C，內(nèi)摩擦角φ值參考地勘報告相關(guān)資料獲得，取最小值；可能滑面傾角α、邊坡角β值、邊坡高度H1經(jīng)現(xiàn)場實測、推斷獲得(見圖1)。巖體容重γ值參考地勘報告相關(guān)資料，該礦為2.18m3/t，

將上述各個參數(shù)代入（1）式得：

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與穩(wěn)定性評定用語對照表［6］

根據(jù)計算出來的可能滑動巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，對照表1提供的對照表，該邊坡處于“基本穩(wěn)定”狀態(tài)。

4 預防措施

采用極限平衡的定量計算結(jié)果表明邊坡處于“基本穩(wěn)定”狀態(tài)，但是后期邊坡在地下開采過程中受采動影響、爆破振動以及邊坡風化、降水等外在因素影響下，邊坡巖體質(zhì)量和完整性以及抗壓強度和抗剪強度將會降低，其穩(wěn)定性將會受到影響，因此，必須有針對性的對邊坡采取相應的防護措施進行預防。

4.1 選擇合理的邊坡角

考慮到巖石的物理性質(zhì)、開采技術(shù)條件，氣候條件以及巖體的地質(zhì)構(gòu)造等因素采取分臺階削減潛在危險邊坡載荷，降緩邊坡角，最終坡面角小于34°。

4.2 減少爆破振動對邊坡的影響

合理爆破，減少爆破振動對邊坡的影響，適當減少單孔藥量和一次最大起爆藥量，降低爆破振動對邊坡巖體的破壞作用。

4.3 加固邊坡

對潛在滑坡地段采用預應力錨索支護、錨桿支護、錨噴網(wǎng)支護主動支護。

4.4 正確處理邊坡地表水

由于邊坡表層植被被破壞，地表水沿著裂隙下滲可能導致巖石強度發(fā)生破壞，在潛在滑坡臺階靠邊坡一側(cè)采用水泥砂漿砌筑排水溝，將地表徑流引入邊坡一側(cè)排水溝排出。

5 結(jié)論

1）露天高陡邊坡是一個復雜結(jié)構(gòu)體，其穩(wěn)定性受到多種因素影響。這些因素中包括巖體特性、地質(zhì)構(gòu)造、水文特征條件等內(nèi)在因素，又包括邊坡角設(shè)計是否合理、采動影響、爆破振動以及地表水下滲等人為因素。

2）邊坡穩(wěn)定在相當長的時間里是一個動態(tài)變化的工程地質(zhì)問題，伴隨著整個礦山開采過程。隨著礦山的向下延伸，邊坡穩(wěn)定性問題會日益凸顯，工程中要實時對工程地質(zhì)進行勘探對照，對比分析，及時對邊坡角進行調(diào)整。

3）對潛在危險滑面，采取監(jiān)控措施，在邊坡危險面建立地面臨時或永久監(jiān)測點，定期對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，及時掌控邊坡動態(tài)，做出邊坡變形預報和滑坡預警，及時采取措施。

4）基于極限平衡的定量分析能很好的反應邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，但是影響巖土體邊坡穩(wěn)定性的因素卻是復雜多變的，單一方法不能準確評價邊坡的穩(wěn)定性，因此在工程實際中要采取多方法綜合評價的方式。

［1］鄭雷.基于層次分析法的礦山邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012,28(1)：23-26.

［2］羅湘務(wù).基于層次分析法的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價[J].北方交通，2014，63-65.

［3］王光銳.某磷礦邊坡穩(wěn)定性分析與整治[J].云南冶金，2016，21-26.

［4］門玉明，王勇智，郝建斌等.地質(zhì)災害治理工程設(shè)計［A］北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［5］李領(lǐng)先.基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性計算［M］.科技信息，2010.12，259.

［6］鐘長兵，周月明，郜普濤.青藏高原露天礦邊坡穩(wěn)定影響因素及防治［J］.煤礦安全，2012(7)206.

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