某石墨露天礦邊坡穩(wěn)定性分析研究*

趙 彬 謝東偉

（1.五礦勘查開發(fā)有限公司；2.蘿北縣經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會）

露天礦山邊坡參數(shù)選取的合理性關(guān)乎礦山安全生產(chǎn)，決定著礦山經(jīng)濟效益。科學(xué)有效地進行邊坡穩(wěn)定性分析與評估，是確定礦山邊坡參數(shù)選取合理性的主要手段，根據(jù)評估結(jié)果對邊坡參數(shù)進一步優(yōu)化調(diào)整，才能實現(xiàn)安全生產(chǎn)和企業(yè)經(jīng)濟效益最大化［1-2］。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的專家和學(xué)者借助ABAQUS、Geo-studio、Midas、FLAC等大型模擬軟件［3-7］，對邊坡穩(wěn)定性進行模擬分析，提高了露天礦山邊坡穩(wěn)定性評估的準(zhǔn)確性，提升了邊坡穩(wěn)定性評估工作效率。

邊坡穩(wěn)定性影響因素較多，需要綜合考慮工程、地質(zhì)、水文等多方面要素，而Geo-slope軟件具有內(nèi)嵌模塊多、計算精度高等優(yōu)勢，能夠?qū)?fù)雜條件下的邊坡穩(wěn)定性進行有效模擬。潘祖瑛等［8］將Geo-slope軟件應(yīng)用到露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析中，取得了良好效果。鑒于此，為判斷某石墨礦邊坡設(shè)計參數(shù)是否合理，考慮了邊坡穩(wěn)定性具有隨機性和不確定性的特點，本研究采用Geo-slope軟件，基于簡化Bishop法極限平衡理論，模擬邊坡在不同工況條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，與設(shè)計允許安全系數(shù)進行比較，分析判定邊坡穩(wěn)定性情況；并使用博弈論—云模型邊坡穩(wěn)定性綜合評價模型進行分析，以對結(jié)果做出綜合評判。

1 工程概況及評估方案

1.1 露天礦概況

蘿北縣某石墨礦區(qū)礦石以片巖型和變粒巖型石墨礦石為主，其次為片麻巖型、混合巖型和含大理巖型石墨礦石，巖性以堅硬巖—較堅硬巖為主，完整程度以較完整—較破碎為主，巖體整體上為Ⅲ類巖體，工程地質(zhì)條件中等。該礦區(qū)已探明石墨工業(yè)礦石量為26 438.39萬t（（332）+（333））。該礦區(qū)已開采近30 a，原有采礦權(quán)范圍內(nèi)已完全形成采坑，地表植被全部破壞，采坑面積約373 125 m2，采坑底部標(biāo)高為240～260 m，南北長約700 m，東西寬約500 m，邊坡高度為20～60 m，工作面邊坡角一般為70°，局部有滾石及土體滾落滑落，穩(wěn)定性較差。為對礦產(chǎn)資源安全、高效、規(guī)范化開發(fā)，對該礦區(qū)重新進行了開采設(shè)計。

根據(jù)礦山巖石力學(xué)條件，初步圈定了露天開采境界：采坑?xùn)|西長2 480 m，南北寬1 185 m，采場最高水平為406 m，底部標(biāo)高為230 m，邊坡最高為176 m。對露天采場邊坡參數(shù)進行了設(shè)計：臺階高度為12 m，臺階坡面角為65°～70°，邊坡靠近地表覆蓋層坡面角為55°～60°，安全清掃平臺寬度為6～20 m；不考慮路肩及擋車堆，道路路面寬度設(shè)計為單車道7 m，雙車道12 m；采用類比法確定露天采場最終邊坡角42°。

結(jié)合項目地質(zhì)報告、現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，得到各類巖石主要力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 邊坡剖面選擇

根據(jù)采場幾何形狀以及邊坡高度分布情況，本次選取A—A、B—B、C—C、D—D共4個典型邊坡剖面進行穩(wěn)定性評估。露天采場開采境界及典型邊坡剖面位置關(guān)系如圖1所示。4個典型邊坡剖面的高程信息及巖體主要構(gòu)成情況如圖2所示。

1.3 邊坡允許安全系數(shù)

研究表明，邊坡穩(wěn)定性受到工程（如邊坡高度、邊坡坡度、地震烈度、爆破質(zhì)點振動速度等）、地質(zhì)（如單軸抗壓強度、RQD、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等）、環(huán)境（如地下水、最大過程降雨量等）等多方面的綜合影響。為便于模擬與綜合評估，本次考慮自重+地下水（工況1）、自重+地下水+爆破振動力（工況2）以及自重+地下水+地震力（工況3）3種情況，應(yīng)用Geo-slope軟件，計算不同工況條件下的邊坡最小安全系數(shù)。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001），本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.1g。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）的相關(guān)規(guī)定，綜合考慮露天礦邊坡高度以及危害等級，初步判定邊坡工程安全等級為Ⅱ級。不同工況條件下總體邊坡允許安全系數(shù)見表2。為提高數(shù)值模擬的可靠性，各工況條件下的邊坡允許安全系數(shù)取規(guī)范要求的最大值，即工況1～工況3允許安全系數(shù)分別為1.20、1.18、1.15。

2 露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 Geo-slope軟件

Geo-slope軟件是一款大型有限元數(shù)值模擬與分析軟件，該軟件內(nèi)嵌了邊坡分析計算模塊（SLOPE/W）、滲流分析模塊（SEEP/W）、巖土應(yīng)力應(yīng)變場分析模塊（SIGMA/W）、溫度場分析模塊（TEMP/W）、地震應(yīng)力應(yīng)變場分析模塊（QUAKE/W）及介質(zhì)運輸分析模塊（CTRAN/W）。Geo-slope軟件模塊之間可以緊密結(jié)合，不僅可以應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析，還可以對溫度、應(yīng)力應(yīng)變、地震等進行綜合分析。本研究主要應(yīng)用Geo-slope軟件中的SLOPE/W模塊進行邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2 安全系數(shù)計算原理

采用極限分析法中計算精度較高的簡化Bishop法，在計算時，假定條塊間的切向力忽略不計，邊坡力系分析如圖3所示，此時簡化Bishop法邊坡安全系數(shù)計算公式可以表示為［8］

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；mai為第i個條塊的計算系數(shù)；αi為第i個條塊底部的傾角，（°）；Wi為第i個條塊的重力，N；Ci為第i個條塊的黏聚力，N；bi為第i個條塊的長度，m；Ui為第i個條塊的孔隙水壓力，N；φi為第i個條塊的有限內(nèi)摩擦角，（°）；R為滑面半徑，m；Qi為第i個條塊所受的水平作用力，N；ei為第i條塊所受的法向條間力，N。

2.3 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

在實際工程中，由于邊坡圍巖存在斷層或者結(jié)構(gòu)面等缺陷，工程巖體強度并不同于巖石強度，本研究采用經(jīng)驗法對邊坡巖石強度進行折減（表3）。

2.4 模擬結(jié)果

根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)，運行Geo-slope軟件，計算各邊坡剖面不同工況條件下的最小安全系數(shù)。在計算數(shù)值模擬時，對坡面設(shè)定為自由邊界，對邊坡底部設(shè)定位固定約束邊界，模型四周設(shè)為單向邊界。限于篇幅，僅展示各邊坡剖面工況3的模擬結(jié)果，如圖4所示，最小安全系數(shù)計算結(jié)果統(tǒng)計見表4。

根據(jù)以上結(jié)果，各邊坡在工況1條件下最小安全系數(shù)分別為1.559、1.282、1.495和1.534，均大于邊坡允許安全系數(shù)1.20；在工況2條件下最小安全系數(shù)分別為1.517、1.250、1.456和1.493，均大于邊坡允許安全系數(shù)1.18；在工況3條件下最小安全系數(shù)分別為1.479、1.219、1.421和1.456，均大于邊坡允許安全系數(shù)1.15，表明4個邊坡安全性較高，穩(wěn)定性較好，屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)；受邊坡高度等因素影響，邊坡B—B最小安全系數(shù)最小，穩(wěn)定性稍差；平面滑動、圓弧滑動、楔形破壞、傾倒破壞和潰屈破壞是巖質(zhì)邊坡最常見的破壞類型，該礦區(qū)邊坡巖體以較完整性—較破碎為主，從模擬邊坡破壞與發(fā)展情況來看，主要表現(xiàn)為圓弧滑動。

2.5 邊坡穩(wěn)定性綜合評價

考慮到云模型在處理具有隨機性和不確定性問題的突出優(yōu)勢，為提高邊坡穩(wěn)定性評估結(jié)果的可信性，建立了基于博弈論—云模型的邊坡穩(wěn)定性綜合評價模型。在計算過程中，首先，選取了坡高、坡角、黏聚力、內(nèi)摩擦角、巖石質(zhì)量指標(biāo)、地震烈度等指標(biāo)構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系；其次，采用改進FAHPCRITIC法和博弈論計算指標(biāo)綜合權(quán)重；通過運行MATLAB軟件，生成單指標(biāo)云模型云圖，并計算單指標(biāo)隸屬度和綜合確定度，最后，基于最大隸屬度原則，判斷分析邊坡穩(wěn)定性。考慮到工況3為極限條件，以該條件為研究基礎(chǔ)，進行邊坡穩(wěn)定性綜合評估。各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及具體計算過程見文獻［9］，其中Ⅰ級～Ⅴ級分別表示為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定，計算結(jié)果見表5。

根據(jù)表5計算結(jié)果，選取的4個典型邊坡剖面穩(wěn)定性均為Ⅲ級，即屬于基本穩(wěn)定等級，與Geo-slope模擬計算結(jié)果完全一致，表明邊坡參數(shù)設(shè)計能夠滿足工程安全性要求。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，邊坡B—B巖性結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，高度較高，巖性相對破碎，邊坡穩(wěn)定性稍差，在實際開采過程中需要格外關(guān)注。

3 結(jié)論

（1）4個典型邊坡剖面在各工況條件下的最小安全系數(shù)均大于允許安全系數(shù)，邊坡整體屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，且與基于博弈論—云模型的邊坡穩(wěn)定性綜合評價結(jié)果一致，表明邊坡參數(shù)設(shè)計合理。

（2）邊坡B—B巖性結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，高度較高，巖性相對破碎，穩(wěn)定性稍差，在開采過程中需要加強監(jiān)測管理工作。