劉 武

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100039）

露天礦邊坡穩(wěn)定問題一直是礦山企業(yè)的重大安全問題之一，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。隨著露天礦開采深度向下延深，非工作邊幫形成的永久性邊坡高度逐步增加，邊坡的穩(wěn)定性成為影響礦山生產(chǎn)安全的重要因素，及時(shí)有效地開展邊坡穩(wěn)定性研究也變得極為重要。露天礦邊坡穩(wěn)定性分析是一個(gè)復(fù)雜的工程力學(xué)問題，由于邊坡巖體節(jié)理分布不同，從而導(dǎo)致破壞面形態(tài)產(chǎn)生變化，因此選擇科學(xué)合理的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，對(duì)確定和優(yōu)化邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來，極限平衡法因安全系數(shù)直觀，在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得以廣泛使用[1]，為此，采用Geo-studio 軟件中的Slope/W模塊對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，能夠快速、準(zhǔn)確地得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[2]。

1 采場(chǎng)概況及分析方法

1.1 采場(chǎng)及邊坡概況

大興安嶺某大型露天鉬礦初步設(shè)計(jì)采場(chǎng)東幫邊坡最高標(biāo)高+627 m，采場(chǎng)坑底標(biāo)高0 m，設(shè)計(jì)終了邊坡最大高差約為627 m，屬于超高邊坡，開采年限長(zhǎng)達(dá)51 年。礦山采用分期開采方式開采，其中一期境界與最終境界在西幫、西南幫、西北幫一致，西幫、西南幫與西北幫服務(wù)年限較長(zhǎng)，邊坡高度為345～420 m，礦區(qū)西側(cè)存在1 條張扭性斷層F3與采場(chǎng)西側(cè)永久邊幫直接相交，對(duì)邊幫穩(wěn)定性存在較大影響。

隨著露天礦開采深度向下延伸，邊坡巖層和巖層結(jié)構(gòu)面逐漸揭露，西幫區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較初步設(shè)計(jì)存在一定差異，為了進(jìn)一步摸清該區(qū)域主要斷層F3的產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)，礦山于2018—2019 年委托勘探公司對(duì)西幫區(qū)域進(jìn)行工程勘察，結(jié)合早期勘探鉆孔信息，最終確定F3斷層走向近南北，傾向向東，傾角55°～60°，傾角較陡，規(guī)模較大，斷層破碎帶寬度最窄處9 m，最寬處達(dá)72.3 m。

西南幫邊坡巖體完整性程度為破碎，根據(jù)GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，巖體質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ～Ⅳ級(jí)，以Ⅴ級(jí)為主，邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型為散體介質(zhì)-碎裂巖體邊坡。

1.2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

該礦西南幫邊坡破壞模式為圓弧型、復(fù)合型，因此采用圓弧和類圓弧法對(duì)整體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，類圓弧分析方法是采用滑面自動(dòng)優(yōu)化的辦法，在圓弧滑面的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行修改與優(yōu)化，所得到的穩(wěn)定性結(jié)果更加趨于真實(shí)[3]。

目前國(guó)內(nèi)外在邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的分析方法為極限平衡法[4]，為此，對(duì)西南幫設(shè)計(jì)境界邊坡穩(wěn)定性分析方面采用Geo-studio 公司研發(fā)的SLOPE/W 極限平衡模塊[5]，利用該模塊中的Morgenstern-Price[6-9]分析方法，Morgenstern-Price 法既能滿足力平衡又滿足力矩平衡條件，計(jì)算出的安全系數(shù)更準(zhǔn)確可靠[1，10]。

2 穩(wěn)定性分析方法原理

摩根斯坦（Morgenstern）和普萊斯（Price）將分析區(qū)域條塊微分，其假定兩相鄰巖條的法向條間力和切向條間力之間存在1 對(duì)水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)整個(gè)滑動(dòng)巖體的邊界條件進(jìn)行迭代求出問題的解[11]。M-P 法計(jì)算原理如圖1。

圖1 M-P 法計(jì)算原理圖

圖中：x 為水平距離，m；dx 為巖條寬度，m；z（x）為已知坡面線，m；y（x）為任意形狀滑面線，m；h（x）為推力線，m；W 為條塊重力，N；E、E+dE 分別為相鄰條塊分界面上的法向條間力，N；Y、Y+dY 分別為相鄰條塊分界面上的切向條間力，N；dT、dN 分別為條塊底部的剪切力、有效法向反力，N。

根據(jù)條塊上的作用力及力的作用位置可建立力學(xué)平衡方程。E 和Y 間存在1 個(gè)關(guān)于x 的函數(shù)關(guān)系，

式中：λ 為任意常數(shù)。

對(duì)條塊底部中點(diǎn)取力矩平衡方程并化簡(jiǎn)，

潛在滑體微分條塊實(shí)際被劃分為有限個(gè)，其寬度△x 為微量，但不是無窮小。在寬度△x 內(nèi)，各項(xiàng)函數(shù)h（x）、y（x）、f（x）等均可假定為線性函數(shù)，使得△x內(nèi)Ei由Ei+1 求變得簡(jiǎn)單。根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則及安全系數(shù)Fs的定義，引入常數(shù)和巖土參數(shù)，建立土條底部方向及底部法向方向力平衡微分方程，進(jìn)而求得法向條間力Ei，由式（2）還可以寫出條塊側(cè)面的力矩Mi方程如下：

根據(jù)式（3）逐條求解Ei和Mi，且必須滿足En＝0、Mn＝0，若不滿足再繼續(xù)迭代，迭代過程就是逐步修正Fs和λ 的過程。

3 邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化措施

3.1 西南幫邊坡穩(wěn)定性

在采場(chǎng)西南幫選取剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，該剖面與F3斷層相交，與斷層傾向存在一定的交角，剖面中斷層厚度較斷層實(shí)際厚度大。西南幫邊坡剖面圖如圖2。

圖2 西南幫邊坡剖面圖

根據(jù)勘探及設(shè)計(jì)資料，西南幫邊坡設(shè)計(jì)境界+150 m 平臺(tái)以上邊坡高度258.7 m，該范圍主體邊坡角44.1°。F3斷層傾角42.0°，大于斷層內(nèi)摩擦角，極易產(chǎn)生沿?cái)鄬踊瑒?dòng)的滑坡。

根據(jù)礦區(qū)地勘數(shù)據(jù)及巖石實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖性及物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)取值見表1。

表1 巖性及物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)取值一覽表

GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》第3.0.2 條規(guī)定，西南幫邊坡高度大于300 m 小于或等于500 m 屬于高邊坡，邊坡危害可能造成人員傷亡且經(jīng)濟(jì)損失較大，邊坡危害等級(jí)為I、II 級(jí)，綜合評(píng)定等級(jí)應(yīng)為很嚴(yán)重和嚴(yán)重等級(jí)，根據(jù)規(guī)范中對(duì)邊坡工程安全等級(jí)劃分，西南幫邊坡安全等級(jí)應(yīng)屬于Ⅰ級(jí)。若考慮荷載組合I（自重+地下水）情況下，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)應(yīng)為1.25～1.20。

通過Morgenstern-Price 法穩(wěn)定性分析得出，原設(shè)計(jì)境界西南幫選取剖面位置處+150～+408.7 m 標(biāo)高范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.820，處于不穩(wěn)狀態(tài)；+45～+150 m 標(biāo)高范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.969，+45～+408 m 標(biāo)高范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.869。上述分析結(jié)果顯示，邊坡剖面安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。

由此可判斷該剖面整體和局部均處于不穩(wěn)狀態(tài)，需要采取措施提高其穩(wěn)定性。

3.2 西南幫邊坡穩(wěn)定性優(yōu)化措施

選取剖面處于采場(chǎng)與F3斷層破碎帶的相交部分，F(xiàn)3斷層走向與采場(chǎng)西幫為南北方向，該斷層水平厚度大，斷層水平厚度約118 m，150 m 標(biāo)高以上厚度約208 m，因此采用剝離全部斷層提高穩(wěn)定性的方式，剝離量巨大，經(jīng)濟(jì)上不適宜；并且F3斷層巖體破碎，巖性較差，力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)較低，若通過加固治理措施來提高邊坡穩(wěn)定性，工程復(fù)雜且造價(jià)高昂。為此，通過調(diào)整邊坡臺(tái)階參數(shù)的方式，優(yōu)化整個(gè)最終境界邊坡的穩(wěn)定性[9]。邊坡臺(tái)階參數(shù)調(diào)整表見表2。

表2 邊坡臺(tái)階參數(shù)調(diào)整表

按照上述參數(shù)調(diào)整，采用Morgenstern-Price 法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，邊坡優(yōu)化后最小安全系數(shù)見表3，邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4。

表3 邊坡優(yōu)化后最小安全系數(shù)

圖4 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

上述分析結(jié)果表明，西南幫邊坡采用表2 中的優(yōu)化臺(tái)階參數(shù)，使得整體邊坡、+150～+408 m 水平（上部）邊坡和+45～+150 m 水平（下部）邊坡穩(wěn)定性的最小安全系數(shù)均達(dá)到1.2 以上，均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

1）該大型鉬礦西南幫邊坡，通過Morgenstern-Price法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析得出原設(shè)計(jì)境界選取剖面位置+150～+408 m 水平范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.820，+45～+150 m 水平范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.969，+45～+408 m 水平范圍內(nèi)邊坡最小安全系數(shù)為0.869，均處于不穩(wěn)狀態(tài)。

2）采用邊坡臺(tái)階參數(shù)調(diào)整的方式，優(yōu)化西南幫邊坡最終境界邊坡，使得整體邊坡、+150～+408 m 水平（上部）邊坡以及+45～+150 m 水平（下部）邊坡穩(wěn)定性的最小安全系數(shù)均達(dá)到1.2 以上，均能滿足規(guī)范要求。同時(shí)，在后期生產(chǎn)過程中繼續(xù)完善F3斷層工程與水文地質(zhì)資料并對(duì)上述邊坡參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)與評(píng)估。

3）F3斷層除對(duì)采場(chǎng)西南幫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響外，同樣也影響著采場(chǎng)西北幫穩(wěn)定性。