耿劍統(tǒng)，蘇齊松，耿毅軒，苗勇剛

(1.河南省應(yīng)急管理科學(xué)技術(shù)研究院，鄭州 450004；2.河南安科院安全科技服務(wù)有限公司，鄭州 450004；3.北京交通大學(xué)，北京 100044；4.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160)

露天礦山的開采使邊坡巖體發(fā)生變形破壞，改變了邊坡受力平衡狀態(tài)。邊坡不穩(wěn)定易形成安全生產(chǎn)隱患，甚至引起滑坡、崩塌、滑塌、地裂縫等災(zāi)害[1-3]，嚴(yán)重影響露天礦生產(chǎn)安全。開展露天采場邊坡穩(wěn)定性迭代計算分析及安全對策研究，對保護(hù)露天采場邊坡穩(wěn)定，保障露天礦山采場安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

1)根據(jù)地質(zhì)資料，上房溝鉬礦礦區(qū)范圍內(nèi)主要為白云石大理巖、花崗斑巖、角巖、變質(zhì)輝長巖等巖石[4]，這些巖石致密堅硬、穩(wěn)固性好，礦區(qū)局部分布有磁鐵礦化透閃石巖、金云母、陽起石巖等巖石，這些巖石強(qiáng)度低、穩(wěn)固性較差。

2)礦區(qū)內(nèi)賦存有F2、F4、F11斷層，這些斷層多為成礦前斷層，成礦后有復(fù)活現(xiàn)象，因其活動小，對礦體破壞不大。其中F2斷層在采場北部與邊坡斜交，斷層兩側(cè)巖石破碎；F4斷層橫穿整個露采場，為充水?dāng)鄬?，對邊坡穩(wěn)定性有一定影響；F11斷層橫穿東露天采場，為阻水?dāng)鄬?，斷層?nèi)充填較密實。

3)礦區(qū)內(nèi)巖層總體傾向為220°，傾角47°～70°，局部略有變化。從露天采場的邊坡坡向看，南、北部邊坡的巖層傾向與所對應(yīng)的邊坡向相反，且部分邊坡巖石為堅硬的變輝長巖；該礦區(qū)工程地質(zhì)條件為簡單型。

2 東部采區(qū)開采現(xiàn)狀

目前，東部采區(qū)開采最低臺階為+1 275 m水平，形成的最高臺階為+1 455 m水平。采場東西長約800 m，南北寬約600 m，采用公路開拓、汽車運(yùn)輸，組合臺階法開采，采場臺階高度15 m左右。

縱8勘探線以東南部山頭已形成+1 455、+1 440、+1 425 、+1 410、+1 395、+1 380、+1 365、+1 350、+1 335、+1 320、+1 305、+1 290、+1 275 m共十三個臺階。其中+1 455、+1 440、+1 425、+1 395、+1 380和+1 365 m臺階已形成終了邊坡；邊坡高約75 m，邊坡角45°左右，安全平臺寬5～15 m。

礦山采場南部邊坡最高，最高點標(biāo)高+1 472 m，最低點標(biāo)高+1 275 m，+1 410 m水平以上邊坡已壘設(shè)坡腳擋土墻，坡面上種植植物并打設(shè)錨桿掛保護(hù)網(wǎng)；采場北部邊坡高度相對較低，已按照綠色礦山要求進(jìn)行了邊坡治理和綠化處理。

3 邊坡安全儲備系數(shù)確定

3.1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)K值確定

《上房溝鉬礦5 000 t/d采礦工程初步設(shè)計》確定該礦露天開采服務(wù)年限為40 a。依據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)非工作幫邊坡服務(wù)年限>20 a時，設(shè)計穩(wěn)定安全系數(shù)K取值在1.3～1.4(表1)。

表1 邊坡穩(wěn)定系數(shù)K

3.2 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)確定

《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》主要是根據(jù)邊坡工程安全等級確定邊坡工程設(shè)計安全系數(shù)。由于邊坡巖體的滑坡失穩(wěn)模式以圓弧形滑動為主，這種滑動模式下可能產(chǎn)生滑帶深度大、滑坡高度大的邊坡災(zāi)害。結(jié)合上房溝鉬礦的具體采剝情況，邊坡危害等級在Ⅰ、Ⅱ等級(表2)。

表2 邊坡危害等級

上房溝鉬礦采場的邊坡高度在120～200 m，結(jié)合邊坡的危害等級，對照表3，確定邊坡工程安全等級為Ⅰ級。

表3 邊坡工程安全等級劃分

結(jié)合上述確定的上房溝鉬礦邊坡工程安全等級為Ⅰ級，對照表4，確定不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)。

表4 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)

3.3 邊坡安全儲備系數(shù)確定

1)上房溝鉬礦采場邊坡受到生產(chǎn)爆破的多次影響，必須考慮爆破振動力作用。

2)依據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，地震烈度為六度及以上地區(qū)，應(yīng)研究分析地震對邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。上房溝鉬礦地震動峰值加速度為0.05 g，依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GBl8306—2015)屬地震基本烈度6度區(qū)[6]。因此，按照規(guī)范規(guī)定上房溝鉬礦采場邊坡穩(wěn)定性分析時，也必須考慮地震作用。

3)由于上房溝鉬礦水文地質(zhì)條件簡單，在三種荷載組合下的采場邊坡穩(wěn)定性分析計算時，均不考慮地下水的影響。

綜合以上分析，綜合確定邊坡安全儲備系數(shù)為1.3。

4 露天采場邊坡穩(wěn)定性迭代計算分析

極限平衡法是根據(jù)靜力平衡原理分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性[7]。前述分析認(rèn)為上房溝鉬礦邊坡失穩(wěn)模式以近似圓弧滑動為主。針對上房溝鉬礦采場邊坡工程地質(zhì)條件，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)，本次研究擬基于Bishop法[8]的原理，利用極限平衡分析軟件，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算和分析。

4.1 建立典型的分析剖面

為了更好地分析上房溝鉬礦采場邊坡現(xiàn)狀的穩(wěn)定性，本研究分別在南部邊坡和東部邊坡的最高處各選取了1個剖面，分別為南部邊坡A剖面和東部邊坡B剖面。

4.2 邊坡穩(wěn)定性計算荷載組合

本次邊坡穩(wěn)定分析的荷載組合如下：

荷載組合Ⅰ：坡體自重

荷載組合Ⅱ：坡體自重+爆破振動力

荷載組合Ⅲ：坡體自重+地震力

在荷載組合Ⅱ中考慮爆破振動力影響了邊坡穩(wěn)定性計算，必須確定爆破振動力水平影響系數(shù)ξ：

(1)

依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016—2014)，

ai=2πfVi

(2)

由公式(1)、(2)可得：

(3)

式中：ξ—爆破振動力水平影響系數(shù)；ai—第i條塊爆破振動質(zhì)點水平向最大加速度，m/s2；βi—第i條塊爆破動力系數(shù)，可取βi=0.1～0.3；g—重力加速度，m/s2；f—爆破振動頻率，Hz；Vi—第i條塊重心處質(zhì)點水平向振動速度，m/s。

根據(jù)該露天采場臺階深孔爆破振動監(jiān)測鑒定報告，爆破水平向振動速度Vi最大為0.87 cm/s，相應(yīng)爆破振動頻率f為15.7 Hz。

考慮到上房溝鉬礦采場邊坡巖體整體較為破碎，爆破動力系數(shù)βi取0.3，由公式(3)計算可得爆破振動力水平影響系數(shù)ξ為0.025 7。

在荷載組合Ⅲ中，上房溝鉬礦屬地震基本烈度6度區(qū)。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，水平地震影響系數(shù)最大值按表5取值。

表5 水平地震影響系數(shù)最大值

因此，在荷載組合Ⅲ中進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性軟件計算時，水平地震影響系數(shù)取0.04。

4.3 邊坡安全特征分區(qū)分析

根據(jù)所選取的2個邊坡剖面，并結(jié)合上房溝鉬礦采場邊坡現(xiàn)狀，分別將采場南部邊坡和東部邊坡分成三個臺階區(qū)段，下面分別計算和分析不同的邊坡臺階區(qū)段基于三種荷載組合的穩(wěn)定安全系數(shù)。

4.3.1 采場南部邊坡分階段穩(wěn)定性計算

南部邊坡臺階+1 380 m水平以上為Ⅰ臺階段，臺階+1 380～+1 335 m水平為Ⅱ臺階段，臺階+1 335 m～+1 290 m水平為Ⅲ臺階段。南部邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型見圖1。

圖1 南部邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型圖Fig.1 The staged stability calculation model of the southern slope

南部邊坡Ⅰ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖2。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖2 南部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合各工況穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.2 Calculation results of stability of Ⅰ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部邊坡Ⅱ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖3。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖3 南部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合各工況穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of stability of Ⅱ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

南部邊坡Ⅲ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖4。

(a)Ⅰ工況；(b)Ⅱ工況；(c)Ⅲ工況圖4 南部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合各工況穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.4 Calculation results of stability of Ⅲ-stage load combination under various working conditions in Southern scope

4.3.2 采場東部邊坡分階段穩(wěn)定性計算

東部邊坡臺階+1 395 m水平以上為Ⅰ臺階段，臺階+1 395 m～+1 335 m水平為Ⅱ臺階段，臺階+1 335 m～+1 290 m水平為Ⅲ臺階段。東部邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型見圖5。

圖5 東部邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型圖Fig.5 The staged stability calculation model of the eastern slope

東部邊坡Ⅰ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖6至圖8。

圖6 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.6 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination I condition

圖7 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.7 The stability calculation results of the eastern slope at stage I load combination condition II

圖8 東部邊坡Ⅰ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.8 The stability calculation results of the eastern slope at stage I stage load combination condition III

東部邊坡Ⅱ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖9至圖11。

圖9 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.9 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅰ condition

圖10 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.10 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅱ condition

圖11 東部邊坡Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.11 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅱ stage load combination Ⅲ condition

東部邊坡Ⅲ臺階段不同荷載組合工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖12至圖14。

圖12 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅰ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.12 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅰ condition

圖13 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅱ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.13 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination Ⅱ condition

圖14 東部邊坡Ⅲ臺階段荷載組合Ⅲ工況的穩(wěn)定性計算結(jié)果圖Fig.14 The stability calculation results of the eastern slope at stage Ⅲ stage load combination condition Ⅲ

4.3.3 采場邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡不同臺階區(qū)段在三種荷載組合下的安全系數(shù)計算值見表6。

依據(jù)上述數(shù)據(jù)繪圖，見圖15。

圖15 采場邊坡不同臺階區(qū)段的穩(wěn)定安全系數(shù)計算值Fig.15 The calculated value of the stability safety factor of the different step sections of the stope slope

表6 采場邊坡不同臺階區(qū)段在三種荷載組合下的安全系數(shù)計算表

根據(jù)以上圖表的計算結(jié)果，并結(jié)合采場邊坡現(xiàn)狀，邊坡穩(wěn)定性分析如下：

1)采場南部邊坡Ⅰ臺階段(+1 380 m水平以上)坡面陡，且裂隙發(fā)育明顯，在三種荷載組合下的穩(wěn)定安全系數(shù)計算值都小于安全儲備系數(shù)1.3，屬于危險坡體。

2)采場南部邊坡Ⅱ臺階段(+1 380 m～+1 335 m水平)坡面較緩，且已形成正規(guī)臺階，在三種荷載組合下的穩(wěn)定安全系數(shù)計算值都大于1.3。

3)由于礦山采礦作業(yè)主要集中在采場南部邊坡Ⅲ臺階段(+1 335 m～+1 290 m水平)范圍內(nèi)，工作幫邊坡居多，采場底部因頂板剝離后礦體賦存高低不平，局部開采臺階高度與正常采礦臺階高度為15 m不盡一致，且臺階局部坡面較陡。從穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.3，其他兩種荷載組合工況穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，說明該邊坡臺階區(qū)段總體較穩(wěn)定。

4)采場東部邊坡由于坡度較緩，只有Ⅱ臺階段(+1 395～+1 335 m水平)在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.3，其他邊坡臺階區(qū)段的穩(wěn)定安全系數(shù)都大于1.3，邊坡總體穩(wěn)定性較好。

5)采場東部邊坡巖體比較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，巖石穩(wěn)定性較差，從穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，其邊坡穩(wěn)定性更容易受到爆破振動、地震動或其他外力的影響。

6)采場東部邊坡+1 335 m水平以上(除了Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況)的計算結(jié)果也是稍微高于安全儲備系數(shù)。

5 露天采場邊坡災(zāi)害及其防治措施

針對上房溝鉬礦采場邊坡存在的危險有害因素，提出以下防治措施：

1)應(yīng)定期對邊坡進(jìn)行檢查。對采場工作幫應(yīng)每季度檢查一次，高陡邊坡應(yīng)每月檢查一次，不穩(wěn)定區(qū)段在暴雨后及時檢查，根據(jù)礦體產(chǎn)狀為西南傾，傾角為60°，東部及北部邊坡為內(nèi)傾邊坡，故日常應(yīng)特別加強(qiáng)對該處邊幫檢查和檢測，及時消除事故隱患。

2)在采場邊坡以外臨近邊坡區(qū)域及采場臺階上開挖多條截水溝，分段截水，減少雨水沖刷。

3)及時清理邊坡上的松石、浮石，邊坡有表土的地段，應(yīng)種植草皮，防止水土流失。

6 結(jié)論

邊坡穩(wěn)定是保證露天礦生產(chǎn)安全的基本條件。本文針對上房溝鉬礦采場邊坡的實際情況，通過工程地質(zhì)、水文地質(zhì)踏勘研究，分析確定上房溝鉬礦采場邊坡的潛在滑動模式和巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，確定邊坡安全儲備系數(shù)，綜合運(yùn)用極限平衡迭代計算分析等方法，計算出上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡選取剖面不同臺階區(qū)段的穩(wěn)定安全系數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，判定危險坡體和穩(wěn)定體，并提出了針對性的安全對策。此項研究成果對類似露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析和治理具有借鑒意義。