呂志威 周 蒙 刁鵬飛

（1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司；2.河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司）

隨著露天礦山開采深度增加，邊坡穩(wěn)定性對安全生產(chǎn)的影響越來越重要。在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，增大最終邊坡角是提高露天礦生產(chǎn)效益的關(guān)鍵。德興銅礦最終邊坡角每增加1°，可減少剝離量940萬m3，節(jié)約剝離費用4 700 萬元［1］；廟溝鐵礦露天礦最終邊坡角由原設計的48°修正為52°后，減少剝離量1 164萬t，為企業(yè)增效5 761.87萬元［2］；大頂鐵礦二期將最終邊坡角平均提高3°以上，共減少剝巖量407.57萬m3［3］。

在露天礦邊坡角的優(yōu)化方面，張偉峰等［4］應用浮動圓錐法，對境界邊坡參數(shù)進行了優(yōu)化；胥孝川等［5］基于錐體排除法，提出了多等級優(yōu)化算法，并在3 座礦山應用；黃俊歆等［6］在礦體3D 模型的基礎上，提出露天礦幾何約束的改進模型，可模擬境界任意位置上幫坡角變化；楊彪等［7］以靜態(tài)價值模型為基礎，采用LG 算法初步確定境界，將時間屬性加入計算模型，比選各方案的凈現(xiàn)值來確定最終境界。

本文以研山鐵礦西幫反傾巖質(zhì)邊坡為研究對象，立足于露天采場的現(xiàn)狀和采場已揭露的工程地質(zhì)情況，對邊坡穩(wěn)定性及其加陡可行性進行研究，為下階段優(yōu)化生產(chǎn)設計提供依據(jù)［8-9］。

1 工程概況

1.1 露天采場開采現(xiàn)狀

研山鐵礦是典型的沉積變質(zhì)型鐵礦，原設計年產(chǎn)礦石為2 100萬t，年剝巖量達7 200萬t。研山西幫邊坡位于礦體上盤，為工作幫，屬于反傾巖質(zhì)邊坡，層理角度較緩，約為12°，不易出現(xiàn)坍塌及滑坡。西幫邊坡原設計境界外仍具有大量已探明的礦石資源，隨著采場開采至-247 m 水平，發(fā)現(xiàn)深部巖石質(zhì)量有所提高，且采場廢石資源能得到充分利用，基于成本預估有利于境界外礦石的開采。

1.2 邊坡技術(shù)條件

原設計研山鐵礦西幫終了邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)：臺階高度15～30 m，終了臺階坡面角為65°，覆土層35°～40°，安全平臺寬8 m，清掃平臺寬10 m，最終邊坡角為44°。開采終了邊坡標高+37～-547 m，形成邊坡高度約584 m，屬于大型深凹露天礦。西幫邊坡局部發(fā)現(xiàn)含有黏土破碎帶，破碎帶是致使上部邊坡失穩(wěn)的潛在關(guān)鍵因素。就目前來看，邊坡穩(wěn)定性較好，無滑坡跡象。

2 邊坡穩(wěn)定性研究

2.1 研山西幫反傾邊坡破壞模式

針對研山鐵礦西幫邊坡，科研單位通過原位監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，綜合分析了邊坡潛在變形破壞機制為拉應力主導的變形破壞，整體邊坡為傾倒滑移變形［10］。黃潤秋等［11］采用反傾邊坡振動臺進行實驗研究，得出研山鐵礦西幫反傾邊坡受節(jié)理影響，在爆破擾動及降雨工況下邊坡淺部會松動卸荷促使拉裂縫擴展，發(fā)生拉剪組合型破壞，破壞模式為邊坡頂部拉裂-下部剪出型破壞，滑面形態(tài)近似呈L形。

2.2 邊坡允許安全系數(shù)及計算參數(shù)

參照《非煤露天礦邊坡技術(shù)規(guī)程》，考慮研山西幫原境界設計高度為584 m 左右，已超過500 m，故歸類為邊坡安全等級I 級，基于反傾巖質(zhì)邊坡比一般邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性，建議取規(guī)范中建議安全系數(shù)的下限作為研山西幫邊坡安全儲備系數(shù)，安全系數(shù)取值見表1。

注：荷載組合1為自重+地下水，荷載組合2為自重+地下水+爆破振動，荷載組合3為自重+地下水+地震力。

研山鐵礦處于基本地震設防烈度的Ⅶ度區(qū)，因此必須考慮地震力作用，參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），研山鐵礦所屬地區(qū)地震動峰值加速度為0.15g。根據(jù)前期項目監(jiān)測西幫爆破振動實測參數(shù)資料，可知西幫水平質(zhì)點振動速度為0.03 m/s，參考《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），確定爆破水平方向振動加速度為0.056g，水平影響系數(shù)為0.015。

根據(jù)以往針對含燧石白云巖、石英砂巖、中風化黑云變粒巖進行的大量巖石力學實驗資料和采場工勘情況來看，研山西幫上部第四系至含燧石白云巖強度較低，石英砂巖至黑云變粒巖強度逐漸變高。根據(jù)前期巖石力學實驗結(jié)果，對巖石力學參數(shù)進行經(jīng)驗取值，見表2。

2.3 原設計境界穩(wěn)定性計算

本次研究選取研山西幫典型剖面，運用Geoslope 軟件，采用Morgenstern-Price 法分別計算3 種荷載組合下的現(xiàn)狀境界安全系數(shù)。通過Geo-slope搜索滑面功能，確定了局部與整體（+37～-217 m 和+37～-457 m）的2個潛在滑動面位置。

原境界邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表3，+37～-457 m標高潛在滑面符合安全儲備要求，說明反傾邊坡難以發(fā)生大面積滑坡，而+37～-217 m標高潛在滑面3種工況安全系數(shù)較接近安全儲備系數(shù)，黏土破碎帶參數(shù)經(jīng)驗賦值可能導致邊坡安全儲備不足，所以針對在未形成最終邊坡時需要對邊坡黏土破碎帶情況進行觀測，做到及時加固弱層，及時采取排水及降振措施。

3 加陡可行性研究

3.1 國內(nèi)外礦山工程類比

本次研究收集了15座國內(nèi)外礦山邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)資料，并擬合了曲線，如圖1所示?？梢钥闯觯O計高度在584 m 及以上的露天礦邊坡設計最終邊坡角度多數(shù)在45°～50°，根據(jù)工程類比確定研山鐵礦西幫邊坡加陡后整體邊坡角度應在45°～50°。

3.2 加陡可行性分析

（1）考慮采礦和剝巖的平衡，45°～50°加陡后將下降1 個臺階至-562 m，將整體邊坡理想化為大斜面，以典型剖面作為基礎分析45°、46°、47°、48°、49°、50°邊坡角度的穩(wěn)定性，判斷研山西幫邊坡加陡角度范圍。

（2）經(jīng)過數(shù)值計算，不同最終邊坡角對應的安全系數(shù)見圖2，可以看出，45°～47°邊坡安全系數(shù)符合安全規(guī)范要求的安全儲備系數(shù)1.20，但47°對應的安全系數(shù)僅為1.211，儲備不足，所以，研山西幫邊坡具有加陡1°～2°的可行性。

3.3 加陡方案及分析

3.3.1 加陡2°（方案一）

方案一將整個邊坡分為2 段（-277 m 以上及以下）進行布局，如圖3 所示，在-277 m 添加20 m 寬平臺，阻隔上部應力傳遞；-277 m 以上巖性強度較差，按原境界留設，-277 m 以下臺階坡面角設置70°（運輸路除外），按照安全平臺6 m、清掃平臺12 m 交替布置，主要運輸?shù)缆穼挾炔蛔?，道路上下臺階坡面角維持65°不變。

方案一的極限平衡模型如圖4 所示，針對+37～-217 m、+37～-427 m滑面，采用Morgenstern-Price法進行了穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果見表4。方案一中上部邊坡形態(tài)并未改變，+37～-217 m 部分仍然存在未揭露的破碎帶影響潛在風險，需要根據(jù)揭露情況采取對應的加固防護。從整體邊坡安全系數(shù)來看，由于下部邊坡過陡，在地下水、爆破振動和地震力作用下整體及局部不滿足穩(wěn)定性系數(shù)，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡加陡2°后處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，不利于邊坡整體穩(wěn)定性，如出現(xiàn)降水過多、地下水突然猛增的情況，勢必會造成邊坡自重增加，存在滑移坍塌等隱患。

3.3.2 加陡1°（方案二）

方案二將整個邊坡分為3 段（-18 m 以上、-18～-337 m、-337 m 以下邊坡）進行加陡分析，在-67 m及-187 m 處添加20 m 寬平臺，阻隔上部應力傳遞；-18 m 以上按原境界留設，-18～-337 m 臺階坡面角設置65°，-367 m 及以下臺階坡面角設置70°（運輸路除外）；從-18 m 平臺開始，按照安全平臺6 m、清掃平臺12 m 交替布置，主要運輸?shù)缆穼挾炔蛔?，且道路上下臺階坡面角維持65°不變；方案二邊坡模型見圖5。

方案二的極限平衡模型如圖6所示，計算結(jié)果見表5。方案二改變了整體邊坡形態(tài)，上部邊坡安全系數(shù)接近安全儲備系數(shù)，建議仍根據(jù)破碎帶逐步揭露采取加固防護，減少局部潛在失穩(wěn)風險。從安全系數(shù)來看，在地下水、爆破振動和地震力作用下，邊坡整體滿足安全儲備要求。

加陡1°后邊坡整體滿足安全儲備要求，整體穩(wěn)定性較高，即使出現(xiàn)地下水突然猛增的情況，邊坡仍然非常穩(wěn)定，不易出現(xiàn)安全隱患。

3.3.3 方案對比

整體邊坡角度相比原設計境界提高2°后，在不同工況下安全系數(shù)不滿足要求，建議采取降振排水措施以及邊坡上下部聯(lián)動防護工程，改善邊坡整體穩(wěn)定性，并隨邊坡動態(tài)開采進行階段穩(wěn)定性分析，驗證邊坡治理后能否達到臨界安全儲備狀態(tài)，再研判加陡2°是否可行。

邊坡整體相比原設計境界提高1°的方案中，存在上部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)儲備不足的情況，建議在+37～-217 m 的滑面位置添加2 處20 m 寬平臺（-67 m，-187 m），寬平臺可以阻隔上部邊坡的應力傳遞，避免發(fā)生較大滑坡，從而提高邊坡整體穩(wěn)定性。

邊坡加陡1°后整體穩(wěn)定性較好，建議采用加陡1°的方案更為安全，礦山生產(chǎn)末期可以根據(jù)下部邊坡揭露的巖石質(zhì)量情況，適當采取陡幫強采措施解放掛幫礦，達到安全經(jīng)濟的目的。

4 結(jié)論

（1）采用Geo-slope 軟件（極限平衡法）針對原設計最終境界邊坡L形破壞模式進行了穩(wěn)定性計算，邊坡整體符合安全儲備要求，但局部黏土破碎帶需要進一步觀測，需要及時做好加固弱層以及排水、降振措施。

（2）通過工程類比法，初步確定了研山西幫反傾邊坡最終邊坡角度加陡范圍為1°～2°，通過穩(wěn)定性分析，確定加陡1°更為安全，隨著下部邊坡巖體質(zhì)量情況的揭露，可以適當選取陡幫強采措施解放掛幫礦。