何偉 錢貴華 尹裕

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.昆明市東川金水礦業(yè)有限責任公司；5.南華大學資源環(huán)境與安全工程學院）

在地下轉(zhuǎn)露天開采工程中，科學合理地確定礦山露天最終邊坡角是保障礦山生產(chǎn)安全、提高資源利用率和經(jīng)濟效益的重要基礎［1-4］。因此，在進行露天開采設計時，一方面需要確保開采境界剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比；另一方面還應綜合考慮地下老采空區(qū)的形態(tài)、規(guī)模和空間位置等因素對露天邊坡穩(wěn)定性的影響，避免在生產(chǎn)過程中發(fā)生采空區(qū)塌陷和邊坡滑坡等安全事故，對礦山生產(chǎn)安全造成威脅［5-8］。

為確定某礦山地下轉(zhuǎn)露天開采工程露天邊坡最終邊坡角，采用數(shù)值模擬方法分析了某礦山地下采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響，并在此基礎上，采用極限平衡分析法對不同整體邊坡角參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)進行計算，為礦山露天開采設計提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某地下礦山經(jīng)過多年的開采，在井下形成了大量采空區(qū)，未來計劃采用露天開采方式對近地表部分的殘留礦體進行開采。礦山前期開采過程中，對近地表采空區(qū)邊界進行了系統(tǒng)調(diào)查，基本掌握了近地表區(qū)域采空區(qū)分布情況，采空區(qū)主要集中于SS27～SS69 線，殘留礦體埋藏深度主要集中于地表至200 m 深度。礦區(qū)地表無大的水體，地下含水層主要是RL4 燧石白云巖含水層，水文地質(zhì)條件屬簡單～中等類型；礦區(qū)巖層主要為淺變質(zhì)巖系組成的地層（上羅恩組和下羅恩組），表現(xiàn)為復雜的褶皺構造，其下為古老的花崗巖基底，含礦巖石及其近礦圍巖由于遭受淺變質(zhì)作用和強烈的構造變形，巖石較破碎，工程地質(zhì)條件屬中等類型。

礦體埋藏深度決定了未來露天開采形成的最終邊坡的整體高度，根據(jù)礦體及采空區(qū)賦存情況，采空區(qū)主要位于SS27～SS69 線，其中SS39～SS48 線的礦體埋藏深度小，未來露天開采形成的邊坡高度小，SS39 線以東和SS48 線以西礦體埋藏深度大，未來露天開采形成的邊坡高度大。因此，根據(jù)礦體賦存情況，以SS39 線和SS48 線為界，將礦山露天邊坡主要分為東部（SS39 線以東）、中部（SS39～SS48 線）和西部（SS48 線以西）3 個分區(qū)（圖1）。由于中部SS39 線～SS48 線的礦體埋藏深度小，露天最終境界邊坡整體高度?。▋H2～3 個臺階），因此，本次主要對東部分區(qū)和西部分區(qū)邊坡進行研究，在東部分區(qū)和西部分區(qū)選取典型剖面進行分析，分別為SS30 和SS67 剖面（圖2）。

2 采空區(qū)安全影響數(shù)值模擬分析

根據(jù)勘探線剖面圖和礦山初步確定的露天最終境界邊坡建立了數(shù)值計算模型，其中采空區(qū)頂板與露天坑底之間的最小安全隔離層厚度根據(jù)礦山前期研究成果確定為24 m。通過數(shù)值模擬計算分析，得到了采空區(qū)賦存條件下的邊坡位移和塑性區(qū)云圖，見圖3和圖4。

根據(jù)位移云圖，采空區(qū)賦存條件下，SS30 和SS67剖面中產(chǎn)生的最大位移分別為12.75和5.19 cm，位于采空區(qū)頂板附近。采空區(qū)主要造成其上盤邊坡巖體沉降和變形，SS30 和SS67 剖面上盤邊坡表面產(chǎn)生的最大位移分別為8 和3.5 cm，最大位移位于采空區(qū)正上方，并向兩側遞減，下盤邊坡未出現(xiàn)明顯的變形。

根據(jù)塑性區(qū)云圖，SS30 剖面采空區(qū)頂、底板附近都出現(xiàn)了一定范圍的塑性破壞區(qū)，采空區(qū)出現(xiàn)頂板冒落或塌陷的可能性較大，同時將造成其上部的上盤邊坡巖體強度降低，對上盤邊坡穩(wěn)定性影響較大。SS67 剖面塑性破壞區(qū)主要位于露天坑底附近，上、下盤邊坡下方巖體均未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，對邊坡穩(wěn)定性影響小。

3 邊坡參數(shù)優(yōu)化研究

3.1 邊坡計算參數(shù)選取

根據(jù)礦區(qū)鉆孔勘察資料，采空區(qū)頂板垮塌造成了采空區(qū)上部一定范圍內(nèi)圍巖破壞，使圍巖呈松散破碎狀。依據(jù)數(shù)值模擬得出的塑性破壞區(qū)范圍，建立極限平衡法計算模型，采用基于地質(zhì)強度指標GSI的Hoek-Brown強度準則對塑性破壞區(qū)的抗剪強度參數(shù)進行進一步折減，并采用極限平衡法進行邊坡穩(wěn)定性分析，以考慮礦山前期采空區(qū)頂板冒落或塌陷造成的圍巖強度降低對露天邊坡穩(wěn)定性的影響。

通過數(shù)值模擬分析結果可知，采空區(qū)主要對東部分區(qū)上盤邊坡穩(wěn)定性影響較大，對東部分區(qū)下盤邊坡及西部分區(qū)上、下盤邊坡影響小。且考慮到東部分區(qū)最終邊坡高度相對較大，限于篇幅，本次僅對東部分區(qū)邊坡研究成果進行闡述。

根據(jù)礦區(qū)周邊同類礦山最終邊坡角經(jīng)驗類比，將東部分區(qū)的上、下盤邊坡分別選取4種不同參數(shù)的整體邊坡角進行邊坡安全系數(shù)計算及邊坡參數(shù)優(yōu)化選擇。其中，上盤邊坡整體邊坡角參數(shù)為36°、37°、38°和39°；下盤邊坡整體邊坡角參數(shù)為39°、40°、41°和42°。根據(jù)《有色金屬采礦設計規(guī)范》（GB 50771—2012）中的有關規(guī)定，考慮了重力+地下水（工況Ⅰ）和重力+地下水+地震（工況Ⅱ）2種工況，選取最終邊坡允許安全系數(shù)為1.20。

3.2 計算結果分析

根據(jù)該地區(qū)“圓弧—順層”的滑坡模式，采用Morgenstern-Price 法（M-P 法）和簡化Bishop 法進行邊坡穩(wěn)定性計算，得出了2種方法在不同工況下的邊坡安全系數(shù)，見表1。

由于M-P 法比簡化Bishop 法計算得出的安全系數(shù)相對偏小，因此，出于保守考慮，主要依據(jù)M-P 法的計算結果來對整體邊坡角進行優(yōu)化選擇。

上盤邊坡整體邊坡角為37°時，工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下的安全系數(shù)K均大于1.20；整體邊坡角為38°時，工況Ⅱ條件下的安全系數(shù)K小于1.20，不滿足規(guī)范要求，因此上盤邊坡最優(yōu)邊坡角推薦值為37°。

下盤邊坡整體邊坡角為41°時，工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下的安全系數(shù)K均大于1.20；整體邊坡角為42°時，工況Ⅱ條件下的安全系數(shù)K小于1.20，不滿足規(guī)范要求，因此下盤邊坡最優(yōu)邊坡角推薦值為41°。

4 結論

（1）根據(jù)礦體及采空區(qū)賦存情況，將設計露天邊坡主要分為東部、中部和西部3 個分區(qū)，并選取了東部和西部分區(qū)的典型勘探線剖面進行了數(shù)值模擬分析?？紤]礦山老采空區(qū)頂板冒落或塌陷造成的圍巖強度降低對露天邊坡穩(wěn)定性的影響，通過數(shù)值模擬分析得出了采空區(qū)賦存條件下邊坡巖體的位移和塑性區(qū)分布情況。結果表明，采空區(qū)對東部分區(qū)上盤邊坡穩(wěn)定性影響較大，對東部分區(qū)下盤邊坡，西部分區(qū)上、下盤邊坡穩(wěn)定性影響較小。

（2）以東部分區(qū)邊坡為例，根據(jù)礦區(qū)鉆孔勘察資料和基于地質(zhì)強度指標GSI 的Hoek-Brown 強度準則，對數(shù)值模擬得出的邊坡巖體塑性破壞區(qū)的抗剪強度參數(shù)進行進一步折減后，采用極限平衡法對礦山最終整體邊坡角進行了穩(wěn)定性計算。通過對比分析，得出上盤邊坡最優(yōu)邊坡角推薦值為37°，下盤邊坡最優(yōu)邊坡角推薦值為41°。