駱振中，王 俊，孫春光，程世勇

(浙江省應急管理科學研究院/浙江省安全工程與技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310012)

1 引言

礦山邊坡穩(wěn)定計算分析通常是根據(jù)邊坡已揭示工程地質條件和以往地勘資料，結合礦山采場現(xiàn)狀實際，確定較為合理的邊坡巖石強度等參數(shù)，選擇適合的穩(wěn)定性分析方法，從而進行邊坡穩(wěn)定性計算分析。

浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山礦區(qū)北側邊坡已經過多年露天開采，形成了較規(guī)范的終了邊坡，最大開采高度243 m，宕面形成了+200 m、+185 m、+170 m、+155 m、+143 m、+125 m、+110 m、+98 m、+80 m、+67 m、+52 m、+36 m、+21 m、+6 m 等標高終了臺階，平臺寬度 4～11 m，邊坡坡腳設置有破碎系統(tǒng)及部分車間。北側邊坡經過多年的剝離揭露后，巖體的強度逐漸弱化，且南側邊坡正在進行礦山開采，礦山爆破及開挖過程中將對北側邊坡的穩(wěn)定性產生影響，直接威脅下部車間人員及設備的生命財產安全。

本文主要是對浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算中的礦區(qū)地震影響、爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響、地下水條件影響、最危險滑面和邊坡工程安全等級及允許安全系數(shù)等相關條件進行分析，為下一步邊坡穩(wěn)定性計算提供數(shù)據(jù)資料和相關依據(jù)。

2 礦區(qū)地震影響分析

對比參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山礦區(qū)所屬地區(qū)的抗震設防烈度級別屬于Ⅶ度，選取的設計基本地震加速度值為0.1 g，反應譜特征周期0.35 s。

按《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》(GB 51016-2014)中的附錄要求，抗震穩(wěn)定性計算時，各條塊的地震慣性力影響系數(shù)應按(1)式計算：

Kc=αξβi

(1)

式(1)中，α為設計地震加速度，按照礦山所屬地區(qū)水平方向的地震系數(shù)，為地面水平最大加速度的統(tǒng)計平均值與重力加速度的比值；ξ為折減系數(shù)；取0.25；β為第i條塊的動態(tài)分布系數(shù)，取1.0；最終確定礦山的水平向地震慣性力系數(shù)，Kc=0.025。

3 爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響

礦山爆破時炸藥能量釋放而產生的爆轟波會在坡體內傳播，使邊坡巖體承受沖擊載荷的作用，具有一定的顯著周期和頻率高、持續(xù)時間短的特征，從而引起坡體介質振動。礦山頻繁地爆破會使邊坡巖體的抗動載荷能力降低，甚至使邊坡失穩(wěn)而滑移。爆破動載荷對礦山邊坡的穩(wěn)定性情況有較大的影響，在進行礦山邊坡穩(wěn)定性分析時，爆破動力的影響主要考慮作用于坡體上指向采場的最大水平動載荷的影響。

按《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》等規(guī)范中邊坡穩(wěn)定性計算的要求時，如果考慮到爆破時的振動力影響，水平爆破力的影響系數(shù)按下面的計算公式進行計算：

Kc=αiβi/g

(2)

公式(2)中，αi為第i條塊爆破振動質點水平向的最大加速度，取100 cm/s2；βi為第i條塊的爆破時的振動力系數(shù)，可取βi=0.1～0.3，本次考慮取0.2；g為重力加速度，取9.8 m/s2；

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2014)與《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》(GB 51016-2014)，采場靠幫邊坡質點最大爆破振動速度取12 cm/s，參考表1，相對應爆破震動加速度取100 cm/s2。

最終確定礦山水平爆破力影響系數(shù)，Kc=0.02。

4 地下水的分析計算

地下水是礦山邊坡穩(wěn)定性計算中的考慮因素，其直接影響礦山邊坡的穩(wěn)定性。地下水對礦山邊坡的影響主要表現(xiàn)有2種形式：靜水和動水作用。靜水作用通常會軟化第四系表土和基巖強風化層，增加物料顆粒間的潤滑，降低土體的物理力學強度指標。另外，由于靜水作用產生的浮托力會減輕礦山巖(土)體的有效重度，影響邊坡的穩(wěn)定性；動水作用不僅沖刷礦山邊坡，還會使礦山邊坡的土體產生滲透壓力，引起滲透變形，使邊坡產生破壞。

表1 爆破地震與自然地震的關系

本礦床為露天開采，根據(jù)地下水的賦存狀態(tài)、含水介質及埋藏條件，可分為松散巖類孔隙潛水和塊狀基巖裂隙水。地下水主要賦存于第四系殘坡積層和基巖的風化裂隙中。

松散巖類孔隙潛水賦存在第四系殘坡積層中?；鶐r裂隙水賦存在基巖風化裂隙和節(jié)理中。風化程度較淺，平均風化厚度約3.15 m。

地下水主要受大氣降水的補給，沿裂隙向低處逕流排泄，可見三處巖面滲流出地表，出水量200～300 mL/m。本礦區(qū)位處瀕海丘陵，最低開采標高為+6 m，高于當?shù)貧v史最高潮水位+3.14 m。礦區(qū)總體地勢中部高，南北兩側低，外部匯水面積不大，且自然地形有利于地表水自然排泄。

5 最危險滑面的確定

本文分析過程中對圓弧形破壞的關鍵滑面定位考慮采用三點定弧方法，即選定可能滑動面上的3個特殊點確定此關鍵滑面的位置。

滑坡現(xiàn)象通常是滑坡上有張裂縫，下有滑出口(表現(xiàn)為底鼓、坡面開裂等)，因此在剖面上首先選定這兩點作為滑弧上2點，然后再在這2點之間選定一點作為滑弧上的第三點，從而便可確定一個滑面。

礦山邊坡可能滑坡的張裂面通?？梢越Y合經驗而確定相應的范圍，相應的范圍可以包含所有可能發(fā)生滑坡的張裂面；滑坡時滑出口范圍也同樣可以根據(jù)經驗或需要給定，兩點之間的第三點總是處于最淺滑面(張裂點與滑出口的連線，即為平面滑坡)和最深滑弧(與垂直張裂面相切的圓弧)之間，這樣便可通過在此3個范圍內有規(guī)律有秩序地變化上述3個點完成滑面的全局搜索，找出最小安全系數(shù)對應的滑弧。

通過分析考慮，可以按照以下的步驟來實現(xiàn)礦山邊坡的開裂和滑出口的搜尋。

(1)首先要確定的是滑面底部的出口范圍(可分段計算，也可以憑借經驗和判斷預先判別最危險的滑弧出口范圍)。

(2)之后需要確定的是滑裂面的作用范圍。

(3)最后在以上2個范圍之內，確定若干個滑出口和滑裂面的位置，并在兩個選定的區(qū)域內各任意選擇一點形成一個組合。如圖1所示。

圖1 三點定弧全局搜尋示意

(4)計算最淺滑弧(平面型)和最深滑弧位置。

Hmax=Rmin(1-sinα)

Rmin=L/cosα

(5)在0～Hmax范圍平均分成若干段，依次選取滑弧的深度H，用來計算對應的滑弧圓心坐標及半徑。

R=0.5(L2/H+H)

x0=(x1+x2)/2-(R-H)sinα

y0=(y1+y2)/2+(R-H)cosα

結合文獻資料，通常在0～Hmax這個范圍均勻的分成35～45條滑弧，首先需要的是初算最危險滑弧的大致位置，之后在初算的最危險滑弧的大致位置附近進一步試算選取的幾條滑弧。循環(huán)多次以上步驟，直至前后兩步的試算最小安全系數(shù)之差能夠滿足礦山邊坡穩(wěn)定性分析計算的精度(取0.001)為止。

同時，還應該考慮礦山的巖體情況，比如礦山邊坡存在較薄的軟弱層，則需要以1 mm為一個步距給出滑弧深度，以防止局部優(yōu)化的干擾。

(6)確定移動滑出口和滑入口的位置，需要重復以上步驟，最后得到最小安全系數(shù)所對應的關鍵滑面滑弧參數(shù)。

6 礦山邊坡的安全等級及其允許的安全系數(shù)

礦山邊坡的安全等級及其允許的安全系數(shù)是判斷礦山邊坡穩(wěn)定性情況的最終指標，它取決于多方因素，包括礦山邊坡穩(wěn)定性分析時的工作原理、方法、取用的各項定量參數(shù)、礦山邊坡巖體情況等。因此，如何確定礦山邊坡的最小允許安全系數(shù)非常復雜。

邊坡允許安全系數(shù)依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》，非煤露天礦邊坡工程的設計安全系數(shù)根據(jù)邊坡工程安全等級來確定。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》，邊坡安全系數(shù)如下。

(1)邊坡工程安全等級Ⅰ級：荷載組合Ⅰ為1.25～1.20，荷載組合Ⅱ為1.23～1.18，荷載組合Ⅲ為1.20～1.15。

(2)邊坡工程安全等級Ⅱ級：荷載組合Ⅰ為1.20～1.15，荷載組合Ⅱ為1.18～1.13，荷載組合Ⅲ為1.15～1.10。

(3)邊坡工程安全等級Ⅲ級：荷載組合Ⅰ為1.15～1.10，荷載組合Ⅱ為1.13～1.08，荷載組合Ⅲ為1.10～1.05。

荷載組合Ⅰ為自重+地下水；荷載組合Ⅱ為自重+地下水+爆破震動力；荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力。

本次邊坡穩(wěn)定性分析計算時考慮到不同荷載組合下，邊坡的最小安全系數(shù)也不一樣。按照邊坡工程設計安全系數(shù)要求，浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山礦區(qū)參照Ⅱ級邊坡工程進行分析，從而計算得出本次礦山邊坡的不同荷載組合下礦山邊坡的最小安全系數(shù)：荷載組合Ⅰ為1.19，荷載組合Ⅱ為1.17，荷載組合Ⅲ為1.14。

7 結語

通過以上對浙江交投礦業(yè)有限公司大皇山礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算中的礦區(qū)地震影響、爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響、地下水條件影響、最危險滑面和邊坡工程安全等級及允許安全系數(shù)等相關條件的分析，可使礦山管理人員進一步了解到礦區(qū)地震、爆破振動、地下水等對礦山邊坡穩(wěn)定性的影響，對礦山邊坡處理有了新的認識，為下一步邊坡穩(wěn)定性計算提供了基礎數(shù)據(jù)依據(jù)。