河南省大型建材礦山露天開采邊坡

彭建謀 吳會軍 姚俊偉 楊健 熊永亮 趙傳鵬

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責任公司（450002）

河南省大型建材礦山露天開采邊坡

彭建謀 吳會軍 姚俊偉 楊健 熊永亮 趙傳鵬

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責任公司（450002）

文章統(tǒng)計了河南省大型建材礦山的地質(zhì)條件和采場要素，分析了露天開采邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，討論了極限平衡法與強度折減法在露天邊坡工程中的應用，為礦山露天開采邊坡穩(wěn)定性計算提供參考。

建材礦山；邊坡穩(wěn)定性；影響因素；露天開采

0 引言

邊坡穩(wěn)定性是露天礦重大安全工程，其影響因素主要分為自然因素、地質(zhì)因素及人為因素三大類[1]。文章以河南省大型建材礦山為對象，統(tǒng)計露天礦山礦體特征、地質(zhì)條件和采場要素，分析河南省大型建材礦山邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素，并討論極限平衡法和強度折減法的工程應用，為類似礦山露天開采邊坡穩(wěn)定性的計算提供參考。

1 河南省大型建材礦山開采技術(shù)條件及采場要素

1.1 開采技術(shù)條件

河南省內(nèi)水泥灰?guī)r礦床屬海相沉積礦床，礦層多為厚層狀—巨厚層狀，呈層狀產(chǎn)出，礦巖較穩(wěn)固，整體性好，巖石堅硬。礦床賦存層位由北向南為奧陶系中統(tǒng)、寒武系中統(tǒng)、下古生界二郎坪群、上元古界蘇家河群等。水泥灰?guī)r礦床一般開采技術(shù)條件簡述如下:

1）水文地質(zhì)條件

省內(nèi)灰?guī)r礦層一般透水而不含水，大氣降水多由地表直接下滲補給，在含水巖組內(nèi)短暫停滯后，沿裂隙、巖層層面排泄。大氣降水為大部分礦床的唯一充水因素。水文地質(zhì)條件屬簡單-中等類型。

2）工程地質(zhì)條件

省內(nèi)水泥灰?guī)r礦床地層多呈單斜層狀產(chǎn)出，各工程地質(zhì)巖組為堅硬、半堅硬巖石，抗壓抗剪強度較大，巖性組合簡單，地質(zhì)構(gòu)造簡單。部分礦床有軟弱夾層，且有斷層穿過，對礦床邊坡穩(wěn)定性有一定影響。大部分礦床礦巖力學強度高，致密堅硬，巖溶不發(fā)育，穩(wěn)固性較好，工程地質(zhì)條件多屬簡單類型。

3）環(huán)境地質(zhì)條件

河南省地震烈度多為VI-VII度區(qū)，大部分地區(qū)較穩(wěn)定。環(huán)境地質(zhì)條件多屬簡單類型。

省內(nèi)主要水泥灰?guī)r礦礦體產(chǎn)狀及開采技術(shù)條件見表1。

表1 礦體產(chǎn)狀及開采技術(shù)條件一覽表

1.2 一般采場要素

據(jù)統(tǒng)計，省內(nèi)露天建材礦山采場臺階高度15 m，安全平臺寬4 m，清掃平臺寬8 m，安全平臺、清掃平臺隔一設(shè)一，最終臺階坡面角:土質(zhì)邊坡45°，巖質(zhì)邊坡70°，最終邊坡角56°左右。

2 露天開采邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

河南建材礦山幾乎全為露天開采，由于采礦場地不可選擇性、礦體賦存空間的限制和地域特點，影響邊坡穩(wěn)定性的因素非常多，但主要可以分為三類：自然因素、地質(zhì)因素和人為因素。

2.1.1 自然因素

1）降水。水對邊坡穩(wěn)定性的影響很大，降水量大的地區(qū)較之干旱地區(qū)滑坡數(shù)量多，發(fā)生頻繁，災害嚴重。河南省南北橫跨550 km，地處暖溫帶與亞熱帶，年平均降水量約為500~900 mm，南部及西部山地較多大別山區(qū)可達1 100 mm以上。全年降水主要集中在夏季，常有暴雨。

2）地震。高烈度區(qū)地震的頻繁發(fā)生，使邊坡應力狀態(tài)多次改變，巖體破碎，裂隙發(fā)育，地下水下滲，邊坡滑移面強度降低。地震增加了下滑力，使邊坡體產(chǎn)生滑動。據(jù)國家地震局武漢地震大隊編制的《地震危險區(qū)劃分地震裂度區(qū)劃圖》，河南省一般為VI-VII度區(qū)，基本加速度值0.05~0.10 g。

3）河流沖刷。河流下切和沖刷，削弱邊坡坡腳的支撐力，改變了邊坡的應力狀態(tài)，引起滑坡。河南建材礦山受河流沖刷很少。

2.1.2 地質(zhì)因素

1）巖土的性質(zhì)

影響邊坡穩(wěn)定性的巖土性質(zhì)主要包括巖土的堅硬程度、抗風化能力、巖石抗剪強度及透水性能等。河南建材礦山礦巖均屬堅硬類巖石，但大部分礦山局部有第四系覆蓋。

2）巖層的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

根據(jù)邊坡體的各種巖土層、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及其與邊坡面的關(guān)系，將邊坡結(jié)構(gòu)分為類均質(zhì)結(jié)構(gòu)、近水平層狀結(jié)構(gòu)、順坡向結(jié)構(gòu)面、順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)，其中順坡向結(jié)構(gòu)面及順傾層狀結(jié)構(gòu)對礦山邊坡穩(wěn)定性的影響最大。

地質(zhì)構(gòu)造造成巖層褶曲和斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育,為巖體滑動的產(chǎn)生創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)條件，也為地下水活動提供了通道，地下水軟化潛在滑動帶地層，降低其強度，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性。有的邊坡滑動帶就是沿著斷層和錯動帶發(fā)育的。

3）地下水條件

絕大多數(shù)邊坡滑坡或多或少有地下水的作用。邊坡滑動帶常常是隔水層，受水長期作用而軟化，強度降低，這是邊坡滑坡形成的必要條件。地下水的另一作用是增大邊坡體重力，形成靜水壓力和邊坡體中形成動水壓力而增加下滑力，導致邊坡的破壞。河南北部、中部建材礦山一般受地下水影響較小，南部凹陷露天礦（如確山獨山石灰?guī)r礦）受地下水影響很大。

2.1.3 人為因素

1）坡腳開挖。在礦山開采過程中形成邊坡，改變了自然坡體的應力狀態(tài)和地下水的滲流場，引起山坡滑坡。

2）邊、斜坡上堆載。排土場選址不合理，位于邊坡上方，且距離較近；或者斜坡上堆載，增加下滑力，在地下水發(fā)育的地段，造成沿老地面整體或局部滑動，形成滑坡現(xiàn)象。

3）采空塌陷。露天采場之下有地下開采遺留的采空區(qū)，或露天、地下聯(lián)合開采，造成露天邊坡體應力變化，引起邊坡體向臨空面滑動，致使位于階地上的設(shè)施嚴重變形。

4）爆破振動。爆破振動引起露天礦邊坡失穩(wěn)滑動比較常見，它雖不如地震影響大，但對局部邊坡的穩(wěn)定性影響不可忽視，尤其是大藥量爆破，不僅削弱了坡腳支撐力，而且破碎了邊坡巖體，造成邊坡體松弛，使地表水下滲軟化帶引起滑坡。

5）植被破壞。植被是邊坡的保護層，其根系對表層土有加固作用，枝干和樹葉減少降水下滲，有增加蒸發(fā)的作用，減少坡體地下水量，對邊坡穩(wěn)定是有利的。大量開挖破壞植被，不僅對環(huán)境保護不利，對邊坡穩(wěn)定也不利。

6）采場要素設(shè)計不合理。臺階高度、臺階坡面角、安全平臺、清掃平臺寬度參數(shù)設(shè)計不合理，致最終邊坡角過大，采場滑坡危險性高。如果邊坡高度超過100 m，并且為巖層內(nèi)傾型邊坡，采場滑坡危險性更高。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計算[2-3]

根據(jù)河南省大型建材礦山特征，選用較為成熟可靠的極限平衡法和強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性，計算結(jié)果為安全系數(shù)和對應最危險滑動面，一般步驟為確定計算參數(shù)、選擇計算方法、軟件求解。

2.2.1 計算參數(shù)

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性影響因素分析，確定主要計算參數(shù):①自然因素：地下水（水位、水頭）降雨量、地震加速度；②地質(zhì)因素：巖體力學參數(shù)抗壓強度、抗拉強度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體重等；③人為因素：邊坡幾何參數(shù)邊坡高度、邊坡角、安全平臺、清掃平臺寬度等。

2.2.2 計算方法

1）強度準則

邊坡工程穩(wěn)定性分析由土力學發(fā)展而來，以材料力學與彈塑性力學為基礎(chǔ)，形成Mohr-Coulomb強度準則；隨著對巖體強度受結(jié)構(gòu)面影響的認識，邊坡分析由靜態(tài)的圓弧形破壞逐步擴展到受各種結(jié)構(gòu)面形式控制的破壞模式分析，包括平面剪切破壞、楔形體破壞、傾倒破壞等，形成Hoek-Brown強度準則。近年來，流變學、斷裂力學、非連續(xù)介質(zhì)力學和非線性理論在邊坡工程引入應用，形成其他強度準則，如Drucker-Prager準則、Griffith準則，但在工程中應用偏少。

工程計算中巖體破壞的強度準則主要為①Mohr-Coulomb準則:公式簡單，參數(shù)易獲取，適應于彈塑性破壞，但忽略了中間主應力對巖石真三軸強度的影響；②Hoek-Brown準則:考慮巖塊強度、結(jié)構(gòu)面強度、巖塊結(jié)構(gòu)等因素，能反映巖塊的非線性破壞，對拉應力及低應力區(qū)有較好的適應，沒有考慮中間主應力對巖石真三軸強度的影響。

2）數(shù)值方法

極限平衡法將滑體劃分為若干條塊，引入Mohr-Coulomb準則，對滑動面和條塊間作用力方式作假定，建立條塊的力或力矩平衡方程，求解邊坡安全系數(shù)表達式。該方法原理簡單、便于應用，結(jié)果直接明了。在礦山邊坡工程中應用最早、經(jīng)驗最多。當滑動面未知時，需要先搜索最危險滑動面，求取對應最小安全系數(shù)。一般選用瑞典法、Bishop法、Janbu法、余推力法等，計算軟件為GeoStiudo Slope、Slide、北京理正等軟件。

強度折減法利用有限元軟件，建立三維幾何模型，進行網(wǎng)格劃分，求解剛度矩陣?？梢缘玫竭吰聝?nèi)應力狀態(tài)及塑性區(qū)分布，通過對巖體參數(shù)不斷折減，當計算不收斂時，認為巖體邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，此時用定義的折減系數(shù)來表達安全系數(shù)。該方法不需要假定滑動面形狀，適用于邊坡巖體復雜的條件。有限元軟件多采用ANSYS、COMSOL Multiphysics等軟件。當采用有限差分法時，將計算過程中的微分算子用差分代替迭代求解[4]，對計算資源需求較小，常用軟件為FLAC3D，該方法在三維復雜邊坡計算中應用最多。

其他非線性科學方法如可靠度分析和模糊綜合評價等理論研究逐漸深入，但工程實踐中應用仍然偏少，缺少應用案例對比。

極限平衡法因結(jié)果直觀、簡單易用，應用較多；強度折減法無須假定滑動面形態(tài)，適應性強，可以考慮復雜地質(zhì)條件及復雜地形地貌,應用效果較好。

2.2.3 安全系數(shù)判定標準

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》GBT 32864—2016，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)按表2確定。露天礦邊坡一般綜合取用最小允許安全系數(shù)在Fs=1.15～1.50之間。

表2 滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

我們在河南省焦作谷堆后水泥灰?guī)r礦、井溝水泥灰?guī)r礦采用上述計算方法，計算結(jié)果邊坡較穩(wěn)定，與現(xiàn)場情況符合較好。

2.3 邊坡管理措施

1）采場邊坡設(shè)計參數(shù)，要根據(jù)巖層傾向傾角，通過計算（或類比）選擇臺階高度、平臺寬度、最終臺階坡面角和最終邊坡角，且符合開采設(shè)計及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程的要求。

2）采取自上而下分臺階開采，禁止一面墻式開采及掏底開采。

3）預防水對土坡的沖蝕，修筑截、排水溝，土質(zhì)坡面種植草木。對軟弱結(jié)構(gòu)面、局部破碎地段，可噴射混凝土護坡。

4）邊坡上部覆蓋的松散巖石層厚度超過2 m時，對其進行削坡至45°。邊坡上方禁止堆放排棄廢石廢土。

5）臨近最終邊坡時，應采用控制爆破技術(shù)，減少爆破對邊坡的影響和對圍巖的擾動，使采場最終邊幫穩(wěn)定。

6）健全邊坡安全管理制度，建立邊坡長期定點觀測制度，對潛在變形和滑動的地段，設(shè)置專門觀測點，定期觀測，作好記錄。

3 結(jié)論

1）河南省露天建材礦山邊坡穩(wěn)定性主要影響因素:①降水:豫南及豫西局部山地降雨量大，受降水影響；②巖土性質(zhì):河南建材礦山礦巖堅硬，但大部分礦山地表有第四系覆蓋，受軟弱表土影響；③結(jié)構(gòu)及構(gòu)造:河南大部分建材礦山存在順坡向結(jié)構(gòu)面及順層狀結(jié)構(gòu)，部分邊坡受結(jié)構(gòu)面影響；④地下水:豫南個別礦山凹陷開采受地下水影響；⑤邊坡上方載荷:邊坡上方排土或堆物增加邊坡荷載，產(chǎn)生不利影響；⑥采場要素:邊坡參數(shù)設(shè)計不合理造成最終邊坡角過大或邊坡高度過高，產(chǎn)生不利影響。

2）根據(jù)河南省大型建材礦山主要影響因素，選用極限平衡法和強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性，計算豫北建材礦山邊坡較穩(wěn)定，與現(xiàn)場情況較符合。

3）露天建材礦山邊坡管理對策措施:認真執(zhí)行開采設(shè)計方案，嚴格落實采場設(shè)計要素，疏水排水，減小邊坡荷載,控制爆破振動對終了邊坡的影響，加強邊坡監(jiān)測工作。

[1]王運敏.現(xiàn)代采礦手冊[M].冶金工業(yè)出版社,2012.

[2]欒婷婷,謝振華,等.露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡預警技術(shù)[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù),2013,9(4):11-16.

[3]姚江強,朱曉娥.基于有限元強度折減法的某邊坡穩(wěn)定性分析[J].廣東建材,2017,33(1):54-57.

[4]周世良,王義山,等.基于有限差分法的邊坡穩(wěn)定影響因素分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2010,29(5): 737-740.

文章研究工作依托2016年度河南省科技攻關(guān)項目，項目編號:162102210385。