王飛飛，鄒 平，孟中華，李愛兵，劉正宇，虎萬杰，馬 增

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410012)

巖質(zhì)邊坡中平面滑坡是一種十分常見的破壞模式，它既可以小規(guī)模發(fā)生，也可達(dá)到很大的規(guī)模[1]。典型巖質(zhì)邊坡的平面破壞通常是指滑體沿邊坡傾向大致相近的單一滑面滑移[2-3]。露天采場邊坡在開采爆破、地震等影響作用下可能會發(fā)生平面破壞，給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患。

關(guān)于露天采場邊坡平面破壞方面，有學(xué)者開展了相關(guān)研究工作。鄭祿璟等[4]綜合考慮某露天采場巖體結(jié)構(gòu)面、地表地下水、開挖爆破的影響，提出了多種防護(hù)措施，確保了邊坡穩(wěn)定性。王林峰[5]建立了各巖塊平面和三維的穩(wěn)定性計算方法，該計算方法被數(shù)值模擬方法所驗(yàn)證，保證了該方法的可靠性。周應(yīng)華等[6]為了研究邊坡中含有非平面破壞的情況，依據(jù)具體工程實(shí)例，研究了雙坡面邊坡的滑動破壞模式。張飛等[7]采用現(xiàn)場踏勘、室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬等三種研究手段對某鐵礦邊坡產(chǎn)生的3處不穩(wěn)定滑體進(jìn)行研究，在采取加固處理措施后，邊坡安全系數(shù)為1.186，達(dá)到了穩(wěn)定的要求。洪儒寶等[8]以福建某大型露采鎢礦邊坡為具體工程實(shí)例，通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和試驗(yàn)研究，提出了礦山邊坡的變形破壞模式。李芬等[9]通過建立了不同幾何構(gòu)型的巖質(zhì)邊坡模型，比較了單獨(dú)折減法與雙強(qiáng)度折減法的差異，得到雙強(qiáng)度折減法的滑動面范圍更小的結(jié)論。

根據(jù)前期工作得知露天邊坡的南部與西部屬不穩(wěn)定邊坡，可能在臺階局部產(chǎn)生平面破壞。對于北部和東部屬基本穩(wěn)定邊坡。因此，需要對銅山口銅礦南邊坡和西邊坡的臺階穩(wěn)定性進(jìn)行平面破壞分析。為礦山后期安全開采提供參考。

1 礦山概況

西邊坡的北側(cè)為大理巖，南側(cè)為花崗閃長斑巖。南側(cè)坡面花崗閃長斑巖有風(fēng)化，由于臺階狹窄，風(fēng)化物沿邊坡滑落。南側(cè)有運(yùn)輸平臺18 m，最窄位置13 m，路面寬10～12 m。目前開采標(biāo)高為+2～-54 m，坡頂標(biāo)高為+44 m，已形成了6個臺階，臺階寬度為2～10 m，臺階坡面角為38°～69°，坡頂部的坡面角較大。整體邊坡角為46°～53°，略高于設(shè)計邊坡角。西邊坡如圖1所示。

圖1 西邊坡Fig.1 West slope

南邊坡面已形成多年，未進(jìn)行露天剝離等工作。巖性為花崗閃長斑巖，坡底堆有礦石和廢石，從下部往上，有三個不連續(xù)的平臺，上部約24 m無臺階。目前開采標(biāo)高為-42～-58 m，坡頂標(biāo)高約為+85 m，已形成了6個臺階，臺階寬度為3～30 m，臺階坡面角為50°～72°。整體邊坡角為32°～39°，低于設(shè)計邊坡角。南邊坡如圖2所示。

銅山口銅礦床產(chǎn)于花崗閃長斑巖巖株與圍巖的接觸帶及層間構(gòu)造帶中。礦體互相聯(lián)結(jié)，嚴(yán)格受接觸帶和層間構(gòu)造控制。礦床由規(guī)模不等，形態(tài)各異、產(chǎn)狀多變的I～Ⅵ號礦體組成。礦體分布范圍：北起第2勘探線、南至第17勘探線以南200 m，東至郭家山第19勘探線，西達(dá)獅子山第38勘探線。東西長約1 400 m，南北寬約1 200 m。礦體之間彼此牽連互結(jié)生長，厚度、品位中等，埋深不大，分布較集中等構(gòu)成本礦床之特征。另在巖株體內(nèi)局部地段見有斑巖型小銅礦體。

圖2 南邊坡Fig.2 South slope

2 平面破壞分析

巖質(zhì)邊坡中平面滑坡是一種十分常見的破壞模式，它既可以小規(guī)模發(fā)生，也可達(dá)到很大的規(guī)模。典型巖質(zhì)邊坡的平面破壞通常是指滑體沿邊坡傾向大致相近的單一滑面滑移?；婵赡苁菐r體內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，如巖層層面、層間軟弱面、斷層和結(jié)構(gòu)面等。

2.1 分析原理

以安全系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行邊坡平面破壞的定量分析，安全系數(shù)的計算采用極限平衡的原理[10]，分兩種情況進(jìn)行計算：坡頂或坡面是否存在張裂縫。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型Fig.3 Computational model

1)無張裂縫時，安全系數(shù)計算公式為：

F=

(1)

(2)

(3)

(4)

2)有張裂縫時，安全系數(shù)計算公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：F為安全系數(shù)；H為邊坡高度；Ψp為邊坡角度；Ψf為破壞面傾角；α為水平地震加速度；γr為巖體容重；γW為水的容重；W為破壞面以上巖石楔形體的重量；A為楔形體的底面積；U為破壞面上由水壓力引起的浮托力；V為水在拉裂縫中引起的水平力；C為沿滑動面的黏聚力；Ф為滑動面的內(nèi)摩擦角；T為錨固系統(tǒng)施加的作用力；θ為錨桿的傾角。

2.2 參數(shù)選擇

根據(jù)該礦山邊坡不同巖性的巖石力學(xué)性質(zhì)，閃長巖和閃長玢巖屬于硬巖，閃長巖和閃長玢巖在力學(xué)試驗(yàn)中有得出自然狀態(tài)參數(shù)，結(jié)構(gòu)面參數(shù)按照自然狀態(tài)取值，取值結(jié)果見表1。

表1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

水平設(shè)計地震加速度、垂直設(shè)計地震加速度參數(shù)及許用安全系數(shù)K正常情況：K=1.20；爆破測振時：K=1.10；地震時：K=1.05。

2.3 計算分析方案

對銅山口銅礦邊坡臺階平面破壞進(jìn)行了如下6種受力情況的分析：

I：自重(無張裂縫)；

II：自重(無張裂縫)+爆破振動力狀況；

III：自重(無張裂縫)+地震力狀況；

IV：自重(有張裂縫)；

V：自重(有張裂縫)+爆破振動力狀況；

VI：自重(有張裂縫)+地震力狀況。

根據(jù)以上6種工況，以加拿大Rocscience公司的RocPlane2.0軟件為分析軟件，計算平面破壞的臺階穩(wěn)定性。

3 計算結(jié)果分析

依據(jù)銅山口現(xiàn)場實(shí)際情況與前期研究工作，得知南邊坡與西邊坡臺階穩(wěn)定性較差。利用RocPlane2.0軟件對銅山口露天采場邊坡進(jìn)行平面破壞的臺階穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果經(jīng)過統(tǒng)計，南邊坡臺階穩(wěn)定性如表2～5所示；西邊坡臺階穩(wěn)定性如表6和表7所示。

表2 南邊坡灰?guī)r12 m臺階安全系數(shù)

依據(jù)表2～7的分析結(jié)果可知：

1)對比受力I至Ⅵ條件下南邊坡與西邊坡在不同優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面作用下的安全系數(shù)，邊坡的安全系數(shù)依次降低；在張裂縫、爆破振動力、地震力各影響因素的控制對比下，地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，在12 m臺階無張裂縫時，地震力對安全系數(shù)降低10.40%，有張裂縫存在時，地震力對安全系數(shù)降低10.55%；在24 m臺階無張裂縫時，地震力對安全系數(shù)降低10.68%，有張裂縫存在時，地震力對安全系數(shù)降低10.82%。

表3 南邊坡灰?guī)r24 m臺階安全系數(shù)

表4 南邊坡大理巖12 m臺階安全系數(shù)

表5 南邊坡大理巖24 m臺階安全系數(shù)

表6 西邊坡灰?guī)r12 m臺階安全系數(shù)

表7 西邊坡灰?guī)r24 m臺階安全系數(shù)

2)南邊坡與西邊坡臺階高度為12 m下，坡面角≤75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；從計算數(shù)據(jù)來看，坡面角仍有大于75°的可能，但綜合考慮礦山的實(shí)際情況，及安全風(fēng)險，選取坡面角為75°。

3)南邊坡與西邊坡臺階高度為24 m下，坡面角≤75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

因此，建議在臺階并段開采(24 m)時，其臺階的坡面角為75°。

4 結(jié)論

采用RocPlane2.0分析軟件對銅山口銅礦南邊坡與西邊坡臺階進(jìn)行了平面破壞穩(wěn)定性研究。得到以下主要結(jié)論：

1)受力在I至Ⅵ條件下，邊坡的安全系數(shù)依次降低；在張裂縫、爆破振動力、地震力各影響因素的控制對比下，地震力對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。

2)南邊坡與西邊坡臺階高度為12 m，坡面角≤75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞；臺階高度為24 m，坡面角≤75°時，6種受力情況邊坡的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，邊坡臺階不會發(fā)生平面破壞。

3)建議在臺階并段開采(24 m)時，其臺階坡面角取75°。