柯秋壁，周小平

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

邊坡作為露天礦區(qū)最為主要的結(jié)構(gòu)因素，其整體穩(wěn)定性對(duì)工程安全有著顯著影響。大冶鐵礦獅子山北幫、歪頭山鐵礦西采場(chǎng)南部以及大平掌南部東部邊坡[1]等，都因整體邊坡失穩(wěn)引發(fā)不同程度的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡。但由于礦山邊坡為臨時(shí)性構(gòu)筑物，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益，工程上在礦山邊坡安全維護(hù)方面很難投入大量資金。因而，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的邊坡坡形來(lái)提升邊坡整體穩(wěn)定性有其重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)各種工程地質(zhì)條件下礦山整體邊坡穩(wěn)定性以及坡形優(yōu)化方面做了許多研究。王東、曹蘭柱等[2]通過(guò)極限平衡法研究了邊坡斷面凸凹形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出凸形斷面穩(wěn)定性高于凹形斷面穩(wěn)定性的結(jié)論；祁利民等[3]通過(guò)Geo－Slope 軟件分析了扎哈淖爾露天煤礦南幫內(nèi)排不同壓腳形態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性變化，制定了最優(yōu)壓腳方案；楊冠東[4]基于數(shù)值模擬和極限平衡法分析了白音華露天礦西幫受斷層及弱層控制的破壞模式，確定斷層逆傾邊坡安全系數(shù)的同時(shí)，對(duì)邊坡局部和整體坡形進(jìn)行了優(yōu)化。

目前坡形優(yōu)化研究很少有針對(duì)巖層傾角由下向上部逐漸變緩的順層邊坡，且優(yōu)化分析方法相對(duì)復(fù)雜?；跇O限平衡法，選取四川省譚家山石灰?guī)r礦區(qū)典型剖面，提出了一種“三段線”簡(jiǎn)化坡形方法及坡形優(yōu)化分析方法，通過(guò)對(duì)坡形進(jìn)行優(yōu)化，給出具體優(yōu)化建議。

1 工程地質(zhì)條件及邊坡概況

四川省譚家山露天石灰?guī)r礦東礦區(qū)巖石主要由二疊系棲霞、茅口組、二疊系吳家坪組組成。棲霞、茅口組巖石主要組成部分為淺灰-深灰色中層-塊狀灰?guī)r，夾少量白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，總厚度97.39～246.09 m，為水泥用石灰?guī)r礦的賦存層位，巖石強(qiáng)度較高。吳家坪組組成部分主要為深灰-灰色薄-中層燧石灰?guī)r，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為：方解石，粒徑0.004～0.25 mm，含量5%～75%，玉髓，微粒、結(jié)核狀，含量20%～87%，少量鐵質(zhì)、石英，厚度大于173 m，有著強(qiáng)度低、易碎等特點(diǎn)[5]，不宜綜合開(kāi)采利用。邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

礦區(qū)位于漢王山復(fù)式向斜北翼，地層呈陡傾倒轉(zhuǎn)單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀：傾向326°～349°，傾角44°～74°，且由下至上逐漸變緩。礦區(qū)地形利于大氣降水自然排泄，礦區(qū)中部有條戴家河流經(jīng)，最終匯入南江河。豐水期流量較大，流量為0.8 L/s，但對(duì)礦山開(kāi)采無(wú)影響。據(jù)地勘鉆孔資料顯示均為干孔，無(wú)涌水情況，資源量估算范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水。

東礦區(qū)終了邊坡設(shè)計(jì)整體邊坡角為41.9°，采用自上而下分層開(kāi)采的原則，臺(tái)階高度15 m。臺(tái)階邊坡沿巖層走向采用順層面開(kāi)挖原則，根據(jù)不同高程段巖層層面傾角變化，設(shè)計(jì)臺(tái)階邊坡角為850～1020 m 高程段60°、1 020～1 150 m 高程段55°、1 150 m以上42°。安全平臺(tái)寬度為4 m，清掃平臺(tái)寬度為6 m，開(kāi)采模式為1 個(gè)安全平臺(tái)間隔1 個(gè)清掃平臺(tái)（4+6）。東礦區(qū)12-12’剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，邊坡高度320 m，燧石灰?guī)r坡高260 m。

2 原設(shè)計(jì)整體邊坡穩(wěn)定性

2.1 原設(shè)計(jì)工況與安全系數(shù)

圖1 12-12’剖面結(jié)構(gòu)示意圖

整體穩(wěn)定性分析主要考慮了4 種不同工況，分別為自然、暴雨、地震、暴雨+地震（極端工況，百年一遇），后3 種工況主要用作校核。計(jì)算暴雨工況邊坡安全系數(shù)時(shí)，巖體強(qiáng)度參數(shù)選用飽和參數(shù)。礦區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用擬靜力法，只考慮水平地震作用力來(lái)模擬地震工況，地震加速度為0.05g。

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的復(fù)雜性以及相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)[6-7]，可以確定譚家山礦區(qū)采礦場(chǎng)工程屬于復(fù)雜程度，邊坡工程安全等級(jí)屬于I級(jí)。因此，取整體邊坡安全系數(shù)要求分別為1.30（自然工況）、1.15（自然+暴雨工況和自然+地震工況）、1.10（自然+暴雨+地震工況）。

2.2 原設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性

采用國(guó)際通用的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)軟件Slide，材料參數(shù)使用表1 巖體參數(shù)，通過(guò)極限平衡法Janpu 法[8]，得到4 種工況下整體邊坡最危險(xiǎn)滑面的安全系數(shù)，原設(shè)計(jì)邊坡不同工況安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 原設(shè)計(jì)邊坡不同工況安全系數(shù)

由表2 可知，設(shè)計(jì)邊坡整體穩(wěn)定性在自然、地震和暴雨+地震工況下均不滿足相應(yīng)安全系數(shù)的要求，有必要對(duì)原設(shè)計(jì)坡形進(jìn)行優(yōu)化。

3 邊坡坡形優(yōu)化

3.1 坡形優(yōu)化分析方法

結(jié)合譚家山礦山層面由下到上逐漸變緩的特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的坡面特點(diǎn)，提出了邊坡“三段線”簡(jiǎn)化坡形的方法，即將整體邊坡簡(jiǎn)化坡形由3 段直線組成，3 段式邊坡示意圖如圖2。按由下往上的順序，最底部資源量開(kāi)采標(biāo)高至燧石灰?guī)r初露標(biāo)高為底部段，燧石灰?guī)r初露標(biāo)高至上部巖層層面開(kāi)始有明顯變緩高程為中部段，上部巖層層面明顯變緩段為上部段，將每1 段臺(tái)階起點(diǎn)終點(diǎn)相連構(gòu)成3 段線。

圖2 3 段式邊坡示意圖

圖2 中3 段線1—2—3—頂點(diǎn)（后簡(jiǎn)稱：1—2—3，其他三段線同）3 段線為原設(shè)計(jì)方案坡面線，分別將點(diǎn)2 分別向左右移動(dòng)4 m 和8 m 形成點(diǎn)4、點(diǎn)10和點(diǎn)5、點(diǎn)8；同理點(diǎn)3 形成點(diǎn)6、點(diǎn)11 和點(diǎn)7、點(diǎn)9。將點(diǎn)2、點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)8、點(diǎn)10 與點(diǎn)3、點(diǎn)6、點(diǎn)7、點(diǎn)9、點(diǎn)11 及坡腳與坡頂點(diǎn)自由組合形成25 種不同的坡面線組合方案，通過(guò)極限平衡法計(jì)算出這25 種組合情況下邊坡自然工況的安全系數(shù)，不同組合“三段式”邊坡安全系數(shù)Fs表見(jiàn)表3。

表3 不同組合“三段式”邊坡安全系數(shù)Fs 表

由表3 可以看出，在上部、中部段連接點(diǎn)不變前提下，隨著底部段坡度變陡，邊坡安全系數(shù)逐漸增大；在底部、上部段連點(diǎn)不變的前提下，隨著中部段坡度放緩，邊坡穩(wěn)定性逐步增大。按照上述規(guī)律，優(yōu)化的主要思想為在一定坡度調(diào)整范圍內(nèi)和巖體強(qiáng)度的允許下，通過(guò)提高底部段石灰?guī)r邊坡坡度，放緩中部段燧石灰?guī)r坡度，來(lái)達(dá)到提高整體邊坡安全系數(shù)的目的。

3.2 坡形優(yōu)化方案及優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定性

在整體邊坡角不變的前提下，提出了優(yōu)化方案：開(kāi)采模式由原來(lái)的1 個(gè)安全平臺(tái)間隔1 個(gè)清掃平臺(tái)（4＋6）改為2 個(gè)安全平臺(tái)間隔1 個(gè)清掃平臺(tái)（4＋4＋6），用以加陡底部石灰?guī)r段坡度；中上部通過(guò)增加安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)的寬度（5＋5＋7）來(lái)放緩中部段燧石灰?guī)r段坡度。上部段仍采用4＋4＋6 的開(kāi)采模式，但考慮到燧石灰?guī)r邊坡高度較高、巖體完整性差，為安全起見(jiàn)，由下往上在燧石灰?guī)r段中部（1 180 m 水平平臺(tái)）增設(shè)加寬的燧石灰?guī)r接渣平臺(tái)，寬度為8 m。最終，底部石灰?guī)r段坡度從46.4°變?yōu)?7.6°，中部燧石灰?guī)r段坡度從42.8°變?yōu)?0.7°，優(yōu)化后的坡形圖如圖3。

圖3 優(yōu)化后坡形示意圖

優(yōu)化后的整體邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表4。邊坡坡形優(yōu)化后，邊坡整體穩(wěn)定性在不同工況下均有所提升，皆滿足安全系數(shù)要求。

表4 優(yōu)化后不同工況邊坡安全系數(shù)Fs

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)邊坡巖層傾角由上向下部逐漸變陡且順層的特點(diǎn)，提出了一種基于極限平衡分析方法的露天礦整體邊坡坡形的優(yōu)化分析方法；分析得出譚家山石灰?guī)r礦東礦區(qū)在原設(shè)計(jì)坡形下邊坡整體穩(wěn)定性不滿足安全系數(shù)要求。在不改變整體邊坡坡角的情況下，通過(guò)對(duì)整體邊坡坡形優(yōu)化，提高了邊坡安全系數(shù)。給出了譚家山石灰?guī)r礦東礦區(qū)邊坡的具體優(yōu)化方案，加陡底部段邊坡坡度，開(kāi)采模式由原先間隔1個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置1 個(gè)清掃平臺(tái)變?yōu)殚g隔2 各安全平臺(tái)設(shè)置1 個(gè)清掃平臺(tái)；將中上部安全平臺(tái)寬度由4 m 增至5 m，清掃平臺(tái)由6 m 增至7 m，同時(shí)，在燧石灰?guī)r段中部加設(shè)燧石灰?guī)r接渣平臺(tái)，用以增加燧石灰?guī)r邊坡局部穩(wěn)定性，有助生產(chǎn)安全。