童志鵬，李栓柱，呂林洪

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

平壩山石灰?guī)r礦山為1座在建露天礦山，該石灰?guī)r露天礦每年生產(chǎn)規(guī)模100萬 t/a，設(shè)計采用露天開采方式、緩幫開采工藝、公路汽車開拓運輸方式。平壩山石灰?guī)r礦露天礦為山坡露天—凹陷露天開采，采場形成的最終邊坡絕大部分為巖質(zhì)邊坡。該露天礦采場邊坡分別由西幫、南幫、北幫和東幫邊坡構(gòu)成，其中西幫邊坡為近似順層邊坡，穩(wěn)定性條件較差；南幫和北幫邊坡為切向邊坡，東幫邊坡為逆向邊坡，切向邊坡和逆向邊坡穩(wěn)定性條件好。平壩山石灰?guī)r礦開采形成的最終邊坡最大標(biāo)高為1 315 m，最大標(biāo)高點位于礦區(qū)西北邊界上，露天坑底最終標(biāo)高1 125 m，最終邊坡高差為190 m，即邊坡最大高度為190 m；其中1 215 m平臺標(biāo)高以上已綠化復(fù)墾，除去綠化復(fù)墾高度，今后露天采場裸露的邊坡最大高度為90 m；生成的三維立體露天開采終了境界模型詳見圖1。

隨著露天開采深度不斷下降，邊坡高度逐年加大，逐步形成高陡露天邊坡和深凹采場，進而對采礦作業(yè)安全性提出了越來越高的要求。露天礦邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計、確定以及邊坡穩(wěn)定性的評價等工作的重要性日趨顯示出來，使得露天礦邊坡穩(wěn)定性分析成為一項很突出且亟待要解決的問題。

綜上所述，礦區(qū)露天開采規(guī)模大，加之邊坡高度較高，層理結(jié)構(gòu)面較密集發(fā)育，露天開采高陡邊坡巖石力學(xué)問題較為突出，為此開展對該露天礦采場邊坡的穩(wěn)定性研究。該文通過FLAC2D有限差分法數(shù)值軟件來模擬計算該露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

1 礦區(qū)地層特征

礦區(qū)位于開遠(yuǎn)盆地西南邊緣谷坡地帶，地形西高東低，高程1 140～1 355 m，相對高差215 m，為構(gòu)造侵蝕、溶蝕低中山緩坡地貌。

礦區(qū)內(nèi)出露地層比較穩(wěn)定且簡單，由老至新主要分布的地層有三疊系中統(tǒng)個舊組上段(T2g2)、三疊系中統(tǒng)法郎組上—下段(T2f1～T2f3)、三疊系上統(tǒng)鳥格組(T3n)、第四系殘坡積(QedL)及人工堆積(Qs)。

圖1 三維立體露天開采終了境界模型(露天坑底640 m)Fig.1 Three-dimensional ultimate limit model of the open pit mining

1.1 三疊系中統(tǒng)個舊組上段(T2g2)

礦層賦存于中三疊統(tǒng)個舊組上段(T2g2)，為區(qū)內(nèi)出露的主要地層，巖性為灰—深灰色，黃灰色致密狀、角礫狀、條帶狀、薄層狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、頁巖。該段為礦區(qū)石灰?guī)r礦的賦存層位，根據(jù)云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院2018年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山礦區(qū)水泥原料用石灰?guī)r泥灰?guī)r砂巖礦資源儲量核實報告》三疊系中統(tǒng)個舊組上段(T2g2)由下至上細(xì)分為9層，其劃分原則是：層位基本穩(wěn)定、巖性差異明顯、野外識別方便?，F(xiàn)分述如下：

T2g2-1：深灰色灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r夾黃灰色鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r，厚度>150.00 m。

T2g2-2：分布于礦區(qū)西部。巖性為黃灰色條帶狀灰?guī)r，灰黃色頁巖、鈣質(zhì)頁巖，其中常見眼球狀泥灰?guī)r礫石。該層出露位置較高，且?guī)r性與其他層位差異較大，在工程控制范圍內(nèi)可作為1個標(biāo)志層，厚度0～20 m。是該礦區(qū)頁巖礦的主要含礦層位，也是礦體最終開采邊坡的主要構(gòu)成部分。

T2g2-3：深灰色角礫狀灰?guī)r夾黃灰、灰黑色薄層條帶狀灰?guī)r、泥灰?guī)r透鏡體，厚度17.70～70.00 m。

T2g2-4：淺灰—深灰色夾灰白色灰?guī)r，局部夾條帶狀灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r透鏡體，厚度32.00～119 m。

T2g2-5：灰—黃灰色條帶狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r，灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖，厚度4.00～33.00 m。

T2g2-6：淺灰—深灰色條帶狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，局部夾泥灰?guī)r，厚度7.5～41 m。

T2g2-7：黃灰色泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖、頁巖夾條帶狀灰?guī)r，厚度3.5～46.95 m。

T2g2-8：深灰色灰?guī)r，局部夾條帶狀灰?guī)r，厚度17.5～48.50 m。

T2g2-9：淺灰、褐灰、黃灰色泥灰?guī)r、薄層灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖，厚度>150.00 m。

其中，1、2層(T2g2-1、T2g2-2)為底板；3～8層(T2g2-3、T2g2-4、T2g2-5、T2g2-6、T2g2-7、T2g2-8)為礦層；9層(T2g2-9)為頂板。

1.2 第四系殘坡積(QedL)、人工堆積(Qs)

主要分布于礦區(qū)東部山腳低緩平坦處及西部山頂，礦體間接底板(T2g2-1)之上亦有較大面積的分布。巖性為褐紅色粘土，具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，松散土狀構(gòu)造，偶含灰?guī)r礫石，地表常含植物根莖。厚度0～10 m。第四系人工堆積(Qs)：分布于礦床各開采平臺以及剝離物堆放處，系礦山開采過程中產(chǎn)生的各種灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖等碎塊及粘土混雜堆積。厚度0～2 m。

上述各層經(jīng)工程揭露，均為整合接觸，其接觸界線較清楚，各層巖性差別較大，肉眼即可分辨，因地層傾向與坡向一致，加之廠方多年的開采，地形破壞嚴(yán)重，致使各細(xì)層地表出露形態(tài)極不規(guī)則，平面上呈時寬時窄的“香腸”狀、條帶狀。

2 礦體及圍巖穩(wěn)固性評價

第四系人工堆積(Qs)，系采礦剝離形成的巖石碎屑、碎石、塊石松散堆積層(體)和殘坡積(Qedl)粘土層。Qs分布局限，順坡堆積，在季節(jié)性地表水流侵蝕作用下，易坍塌，不構(gòu)成露采礦坑最終邊坡；Qedl于東部低凹平緩地段廣泛分布，結(jié)構(gòu)松散，強度低，干燥易碎，浸水具可塑性，構(gòu)成局部露采礦坑最終邊坡(⑥坡)頂部坡體，厚度≤3 m，對邊坡穩(wěn)定影響不大，可不予考慮。

礦區(qū)邊坡層理結(jié)構(gòu)面總體呈向北東傾的單斜層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定。礦體傾角在靠近底板處較陡(35°～42°)，局部達64°，順傾向延伸100 m后傾角變緩(20°～35°)，之后又變陡，總體產(chǎn)狀60°～80°(傾向)，<19°～36°(傾角)；局部地段產(chǎn)狀變化較大，并伴有皺曲現(xiàn)象。

礦層為T2g2-3-T2g2-8，巖性主要為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖等，該礦層巖體是將來礦床開采構(gòu)成切向邊坡和逆向邊坡的主要巖體。該層邊坡巖體巖溶不發(fā)育，邊坡巖層分布著大量層理結(jié)構(gòu)面，其邊坡穩(wěn)定性由層理結(jié)構(gòu)面控制。巖石致密，微風(fēng)化，力學(xué)強度較高，巖石堅硬；巖體層理結(jié)構(gòu)面閉合比較緊密，結(jié)構(gòu)面較粗糙，層間裂隙發(fā)育一般，巖體完整性一般，屬于巖體中等完整，巖體中等穩(wěn)固。

頂板為T2g2-9，巖性為泥灰?guī)r、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖。該層中的泥灰?guī)r巖體部分構(gòu)成逆向邊坡的坡頂。

T2g2-2為直接底板，巖性為條帶狀灰?guī)r、頁巖、鈣質(zhì)頁巖互層，頁巖、鈣質(zhì)頁巖多呈透鏡狀順層產(chǎn)出，為軟弱夾層。由于該層有2～3個軟弱夾層，整體穩(wěn)固性較差，將來作為順層邊坡，勢必存在較大的安全隱患。因此建議將該層不作為順層大面積暴露的最終邊坡巖體，在礦床實際開采過程，應(yīng)給予足夠重視。

T2g2-1為間接底板，巖性為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖。將來T2g2-2剝離后，由該層的可溶鹽巖體構(gòu)成順層最終邊坡，巖層單層厚度0.3～0.8 m，平均0.5 m。邊坡形成后，坡頂及附近無軟弱夾層。該層巖石致密，未風(fēng)化，力學(xué)強度高，巖石堅硬；巖體完整性較好，層間裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面閉合緊密，結(jié)構(gòu)面很粗糙，屬于穩(wěn)固的巖體。

從現(xiàn)場實際工程地質(zhì)調(diào)查來看，該露天礦最終形成的邊坡性質(zhì)總體為西部為順層邊坡、北部及南部為切向邊坡，東部為逆向邊坡。最終順層邊坡頂部地層巖組為直接底板(T2g2-2)構(gòu)成，厚度不穩(wěn)定，空間分布連續(xù)性差。

總之，建議順層最終邊坡應(yīng)設(shè)置在T2g2-1巖體或T2g2-3～T2g2-8巖體上，不應(yīng)設(shè)置在T2g2-2層，以防可能出現(xiàn)的滑移。

3 邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊2000年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山石灰?guī)r礦勘探報告》和云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院2018年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山礦區(qū)水泥原料用石灰?guī)r泥灰?guī)r砂巖礦資源儲量核實報告》中所反映的該礦床巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果可知，灰?guī)r巖石平均抗壓強度天然狀態(tài)74.1 MPa，巖石平均抗拉強度4.64 MPa；巖石抗剪強度天然狀態(tài)內(nèi)聚力7～10 MPa，平均8 MPa；內(nèi)摩擦角40.61°～43.63°，平均42.12°。礦石的破碎性能良好，煅燒性能、易磨性能好，滿足水泥用石灰質(zhì)原料礦加工技術(shù)性能要求。該石灰?guī)r巖性的普氏堅固性系數(shù)f=7，屬于較堅硬類型，堅固等級處于Ⅳ級。

根據(jù)鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄、統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)面間距1～95 cm，平均16 cm。鉆孔巖芯采取率高，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD值)44.3 %～65.1 %，平均55.5 %，巖石質(zhì)量中等，巖體中等完整。

綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評價以及現(xiàn)場圍巖實際穩(wěn)固情況進行分析研究，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進行巖石物理力學(xué)參數(shù)的折減處理，所得邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical-mechanical parameters of slope rock mass

4 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

按照滿足礦山經(jīng)濟性與安全性兼顧的要求并結(jié)合各規(guī)范對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的要求，依據(jù)上述邊坡穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，平壩山石灰?guī)r露天礦采場設(shè)計終了邊坡最大高度為190 m，若除去綠化復(fù)墾高度，今后露天采場裸露的邊坡最大高度為90 m，擬定該露天礦邊坡工程安全等級為Ⅱ級，其邊坡安全系數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)為：

荷載組合Ⅰ為自重+地下水工況Fs≥1.2；

荷載組合Ⅱ為自重+地下水+爆破振動力工況Fs≥1.15；

荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力工況Fs≥1.10。

5 計算剖面選擇、模型建立

露天礦最終邊坡穩(wěn)定性計算和驗證要選擇有代表性的剖面進行計算，終了境界邊坡穩(wěn)定性分析根據(jù)露天境界不同分區(qū)選取了有代表性的剖面，不同位置的剖面圖模型詳見圖2-7。并采用數(shù)值分析法分別進行了設(shè)計終了采場邊坡穩(wěn)定性驗算分析。

圖2 A-A開挖形態(tài)剖面圖Fig.2 A-A profile of excavation

圖3 B-B開挖形態(tài)剖面圖Fig.3 B-B profile of excavation

圖4 D-D開挖形態(tài)剖面圖Fig.4 D-D profile of excavation

圖5 E-E開挖形態(tài)剖面圖Fig.5 E-E profile of excavation

圖6 G-G開挖形態(tài)剖面圖Fig.6 G-G profile of excavation

圖7 K-K開挖形態(tài)剖面圖Fig.7 K-K profile of excavation

6 露采終了境界邊坡穩(wěn)定性分析

平壩山石灰?guī)r露天礦終了境界，考慮了安全平臺和清掃平臺寬度，進行了露天終了境界的圈定。充分考慮礦山現(xiàn)狀西幫邊坡1 215平臺以上臺階已經(jīng)復(fù)墾的開采現(xiàn)狀情況，按確定的采場邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，圈定了華新水泥(紅河)有限公司平壩山石灰石礦露天開采終了境界，終了境界邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：臺階高度15 m(由現(xiàn)場挖掘設(shè)備確定)，臺階坡面角60°，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度8 m(每隔2個臺階設(shè)置1個清掃平臺)，最終控制邊坡角控制在46.5°以內(nèi)，同時在實際生產(chǎn)中，臺階坡面角及平臺寬度可在保證邊坡安全穩(wěn)定的條件下靈活進行調(diào)整。

設(shè)計終了境界平面圖及剖面圖位置詳見圖8。并采用數(shù)值分析法分別進行了設(shè)計終了采場邊坡穩(wěn)定性驗算分析。

穩(wěn)定性計算過程：計算剖面模型建立→軟件中選擇破壞準(zhǔn)則(摩爾-庫倫準(zhǔn)則)→輸入巖土體物理力學(xué)指標(biāo)→軟件中選擇工況條件→點擊安全系數(shù)計算命令菜單，所有的安全系數(shù)FS值都會不斷地在屏幕上顯示出來。命令結(jié)束時，最終的FS值會顯示出來。

6.1 基于強度折減法FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

FLAC2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是二維快速拉格朗日法，是一種基于二維顯示有限差分的數(shù)值分析軟件。該次采用強度折減法FLAC2D7.0巖質(zhì)邊坡分析軟件對景洪曼空石灰?guī)r露天礦設(shè)計終了境界邊坡穩(wěn)定性進行計算分析，搜索邊坡的最危險滑動面，并計算出邊坡的安全系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

圖8 設(shè)計終了境界平面圖及剖面位置圖Fig.8 Plan and location profile of designed ultimate limit

表2 設(shè)計終了境界邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果表(FLAC2D法)Tab.2 Calculation result of slope safety factors of designed ultimate limit

圖9-14是根據(jù)計算結(jié)果得出的露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動面位置圖。

6.2 計算結(jié)果分析

從表2和計算結(jié)果云圖中可以看出：

(1)設(shè)計開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水工況下(荷載組合I)，露天采場不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)FS均大于1.20，滿足規(guī)范II級邊坡工程安全等級要求，說明開采終了境界邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全有一定保障，也論證了該露天開采終了境界設(shè)計方案具有一定的可行性和合理性，為后期的露天邊坡開挖布置提供了指導(dǎo)依據(jù)。

圖9 A-A剖面潛在滑動面分布云圖Fig.9 Potential sliding surface diagram of A-A profile

圖10 B-B剖面潛在滑動面分布云圖Fig.10 Potential sliding surface diagram of B-B profile

圖11 D-D剖面潛在滑動面分布云圖Fig.11 Potential sliding surface diagram of D-D profile

圖12 E-E剖面潛在滑動面分布云圖Fig.12 Potential sliding surface diagram of E-E profile

圖13 G-G剖面潛在滑動面分布云圖Fig.13 Potential sliding surface diagram of G-G profile

圖14 K-K剖面潛在滑動面分布云圖Fig.14 Potential sliding surface diagram of K-K profile

(2)設(shè)計開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水+爆破工況下(荷載組合Ⅱ)，露天采場不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)FS均大于1.15，滿足規(guī)范Ⅱ級邊坡工程安全等級要求，說明該露天礦終了境界邊坡在現(xiàn)露天開采設(shè)計方案下具有一定的抗爆破擾動能力。

(3)設(shè)計開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水+地震工況下(荷載組合Ⅲ)，露天采場不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)均大于1.10，滿足規(guī)范Ⅱ級邊坡工程安全等級要求，說明該露天礦終了境界邊坡在現(xiàn)露天開采設(shè)計方案下具有一定的抗地震擾動能力。

7 結(jié) 語

通過采用FLAC2D強度折減法數(shù)值模擬分析對平壩山石灰?guī)r露天采場設(shè)計終了邊坡進行了模擬計算和分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過對研究推薦的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)進行穩(wěn)定性驗算得出：設(shè)計終了邊坡安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范安全等級要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明設(shè)計確定的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)比較合理，安全有一定的保障。同時露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動面位置是從邊坡頂部切入而后從坡腳穿出，屬于整體邊坡潛在滑動面，而非局部邊坡滑動面。

(2)加強邊坡監(jiān)測工作，局部區(qū)域增加位移監(jiān)測點，雨季加強觀測，發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

(3)邊坡靠幫時，爆破須采用控制爆破技術(shù)及減震技術(shù)，如預(yù)裂爆破、光面爆破、微差爆破。以達到降低爆破震動強度，減小爆破對邊坡強度損害的目的。