呂林洪，徐家慶

[1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司礦山工程設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650231； 2.華新紅塔水泥(景洪)有限公司，云南 景洪 666100]

0 引 言

景洪曼空石灰?guī)r礦山為一新建露天礦山，該石灰?guī)r露天礦生產(chǎn)規(guī)模為200萬t/a，設(shè)計(jì)采用露天開采方式，緩幫開采工藝，公路汽車開拓運(yùn)輸方式。曼空露天采場(chǎng)為三面圍繞的山坡—凹陷露天礦，該露天采場(chǎng)邊坡分別由西南幫、東南幫、東北幫邊坡構(gòu)成(圖1)，其中西南幫為順向(順層)邊坡，東南幫為切向邊坡，東北幫為反向(逆層)邊坡。西南幫采場(chǎng)邊坡坡頂最高標(biāo)高911 m，東南拱形幫采場(chǎng)邊坡坡頂最高標(biāo)高901 m，東北幫采場(chǎng)邊坡坡頂最高標(biāo)高841 m，該露天礦設(shè)計(jì)終了露天坑底標(biāo)高640 m，露天采場(chǎng)最大采深271 m(西南幫)。露天采場(chǎng)形成后，礦體頂板為第四系蓋層被剝離，開采至最低開采標(biāo)高均為灰?guī)r，故礦區(qū)出露巖性主要為灰?guī)r，構(gòu)成了露天采場(chǎng)的主要邊坡工程巖組。巖石微風(fēng)化，巖石強(qiáng)度較高，也較為堅(jiān)硬，但層理裂隙分布密集發(fā)育，巖體完整性較差，不利于采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定與安全。

圖1 礦區(qū)總體地形地貌圖Fig.1 Overall landform chart of mining area

隨著露天開采深度不斷下降，邊坡高度逐年加大，逐步形成高陡露天邊坡和深凹采場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)采礦作業(yè)安全性提出了越來越高的要求。露天礦邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)、確定以及邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)等工作的重要性日趨顯示出來，使得露天礦邊坡穩(wěn)定性分析成為一項(xiàng)很突出且亟待要解決的問題。

綜上所述，礦區(qū)露天開采規(guī)模大，加之邊坡高度較高，層理結(jié)構(gòu)面較密集發(fā)育，露天開采高陡邊坡巖石力學(xué)問題較為突出，為此開展對(duì)該露天礦采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性研究。本文通過極限平衡法和FLAC2D數(shù)值軟件來模擬計(jì)算該露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

1 礦區(qū)地形地貌

礦區(qū)地勢(shì)北低南高，地形切割較劇烈，礦區(qū)屬低山淺切割地貌，最高處為礦區(qū)南部山頂，海拔標(biāo)高950 m，最低處為礦區(qū)西北部山凹，海拔標(biāo)高624.5 m，相對(duì)高差325.5 m(見圖1)。山坡自然坡度25～40°，屬低山構(gòu)造侵蝕山地地貌，呈溶蝕丘嶺峰叢地形，巖溶、沖溝發(fā)育，局部地段形成陡坎。區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，有竹林、橡膠、雜木密集，種類繁多，森林茂密，通行通視條件差。

礦區(qū)西北部山凹海拔標(biāo)高624.5 m，可視為礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面，最低開采標(biāo)高為640 m，高于最低侵蝕基準(zhǔn)面，地形有利于自然排泄。

礦區(qū)內(nèi)無大的地表水體，大氣降水沿山溝形成地表徑流向外排泄。

2 礦體及圍巖穩(wěn)固性

該石灰?guī)r礦床類型屬于沉積型，終了邊坡組成的巖層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)層狀較堅(jiān)硬工程巖組，巖性為淺灰色、灰色、深灰色及灰黑色中厚層狀微-細(xì)粒晶灰?guī)r，分布于采礦范圍內(nèi)98%的平面范圍內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)調(diào)查來看，該巖石微風(fēng)化，層理分布密集較發(fā)育，巖性及巖體完整性較差，但巖塊強(qiáng)度較高，層理結(jié)構(gòu)面閉合較緊密，結(jié)構(gòu)面較粗糙，整體上屬于較堅(jiān)硬的中等穩(wěn)固偏下的一般巖體?；?guī)r礦體上部頂板為第四系(Q)蓋層，巖性為淺黃、淺褐黃色粘土、含礫粘土，第四系土層平均厚度為8.34 m，礦床開采終了分布在最終邊坡的頂部。該灰?guī)r礦床類型屬于沉積型。

為了解巖石質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄、統(tǒng)計(jì)，巖芯RQD>50%中等完整占9%，25%<巖芯RQD<50%破碎占50%，巖芯RQD<25%極破碎占41%，整體巖芯RQD平均值為31.3%。屬巖石質(zhì)量指標(biāo)較差、巖體完整性也較差。深部節(jié)理裂隙多以閉合型為主，部分節(jié)理面為鈣質(zhì)薄膜膠結(jié)充填。通過RQD指標(biāo)分析，邊坡巖體整體完整性較差。

3 邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)《云南省景洪市曼空帕克后山水泥用灰?guī)r礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告(2019年)》中所反映的該礦床巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果可知，灰?guī)r巖石平均抗壓強(qiáng)度天然狀態(tài)為61.3 MPa，巖石平均抗拉強(qiáng)度為4.64 MPa；巖石抗剪強(qiáng)度天然狀態(tài)內(nèi)聚力為5.2～6.4 MPa，平均為5.7 MPa；內(nèi)摩擦角為43.59～46.65°，平均為45.27°。礦石的破碎性能良好，煅燒性能、易磨性能好，滿足水泥用石灰質(zhì)原料礦加工技術(shù)性能要求。該石灰?guī)r巖性的普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=6，屬于較堅(jiān)硬類型,堅(jiān)固等級(jí)處于Ⅳ級(jí)。

綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際穩(wěn)固情況進(jìn)行分析研究，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖石物理力學(xué)參數(shù)的折減處理[2-3]，所得邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of slope rock mass

4 邊坡穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

按照滿足礦山經(jīng)濟(jì)性與安全性兼顧的要求并結(jié)合各規(guī)范對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的要求[1-3]，依據(jù)上述邊坡穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，景洪曼空石灰?guī)r露天礦采場(chǎng)設(shè)計(jì)終了邊坡最大高度為271 m，擬定該露天礦邊坡工程安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，其邊坡安全系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：

荷載組合Ⅰ為自重+地下水工況FS≥1.2；

荷載組合Ⅱ?yàn)樽灾?地下水+爆破振動(dòng)力工況FS≥1.15；

荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力工況FS≥1.10。

由地質(zhì)資料顯示，根據(jù)國(guó)家《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2001附錄A的規(guī)定，本工程抗震設(shè)防烈度為8度。

5 計(jì)算剖面選擇、模型建立

露天礦最終邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和驗(yàn)證要選擇有代表性的剖面進(jìn)行計(jì)算，終了境界邊坡穩(wěn)定性分析根據(jù)露天境界不同分區(qū)選取了有代表性的剖面，不同位置的剖面圖及模型詳見圖2～7。采用極限平衡法和數(shù)值分析法分別對(duì)設(shè)計(jì)終了采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析。

圖2 A-A開挖形態(tài)剖面圖Fig.2 A-A excavation profile

圖3 A-A計(jì)算模型圖Fig.3 A-A calculation model diagram

圖4 F-F開挖形態(tài)剖面圖Fig.4 F-F excavation profile

圖5 F-F計(jì)算模型圖Fig.5 F-F calculation model diagram

圖6 B-B開挖形態(tài)剖面圖Fig.6 B-B excavation profile

圖7 B-B計(jì)算模型圖Fig.7 B-B calculation model diagram

6 露采終了境界邊坡穩(wěn)定性分析

曼空石灰?guī)r露天礦終了境界，考慮了安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)寬度，進(jìn)行了露天終了境界的圈定。終了境界(露天坑底水平640 m)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：反向-切向邊坡臺(tái)階坡面角65°，順向(順層)邊坡臺(tái)階坡面角60°，臺(tái)階高度12 m(由現(xiàn)場(chǎng)挖掘設(shè)備確定)，安全平臺(tái)寬度6 m，清掃平臺(tái)寬度12 m(每隔3個(gè)臺(tái)階設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái))。該露天采場(chǎng)終了境界邊坡最終由順向邊坡、切向邊坡和反向邊坡構(gòu)成，設(shè)計(jì)終了境界平面圖及剖面圖位置見圖8；生成的三維立體露采終了境界模型見圖9。采用極限平衡法和數(shù)值分析法分別對(duì)設(shè)計(jì)終了采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算分析。

圖8 設(shè)計(jì)終了境界平面圖及剖面位置圖(露天坑底640 m)Fig.8 Plan and profile location of design end boundary (640 m open pit bottom)

圖9 三維立體露采終了境界模型(露天坑底640 m)Fig.9 Three dimensional open pit mining end boundary model (640 m open pit bottom)

西南幫采場(chǎng)邊坡為順向(順層)邊坡，終了露天坑底標(biāo)高(邊坡最低標(biāo)高)640 m，邊坡最頂部標(biāo)高911 m，最終開采完成后西南幫順層邊坡最終整體邊坡角為38.1°，邊坡最大高度為271 m。

東南拱形幫采場(chǎng)邊坡為切向邊坡，終了露天坑底標(biāo)高(邊坡最低標(biāo)高)640 m，邊坡最頂部標(biāo)高901 m。最終開采完成后東南幫切向邊坡最終整體邊坡角為39.6°，邊坡最大高度為261 m。

東北幫采場(chǎng)邊坡為反向(逆層)邊坡，終了露天坑底標(biāo)高(邊坡最低標(biāo)高)640 m，邊坡最頂部標(biāo)高841 m。最終開采完成后東北幫反向邊坡最終整體邊坡角為43.9°，邊坡最大高度為201 m。

穩(wěn)定性計(jì)算過程：計(jì)算剖面模型建立→軟件中選擇破壞準(zhǔn)則(摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則)→輸入巖土體物理力學(xué)指標(biāo)→軟件中選擇工況條件→點(diǎn)擊安全系數(shù)計(jì)算命令菜單，所有的安全系數(shù)FS值都會(huì)不斷地在屏幕上顯示出來。命令結(jié)束時(shí)，得到最終的FS值。

6.1 基于極限平衡法邊坡穩(wěn)定性分析

本次采用極限平衡法Slide 6.0巖質(zhì)邊坡分析軟件(由加拿大Rocscience公司開發(fā)的邊坡穩(wěn)定分析軟件)對(duì)景洪曼空露天礦設(shè)計(jì)終了境界邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，搜索邊坡的潛在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。。

表2 設(shè)計(jì)終了境界邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果(極限平衡法)Tab.2 Calculation results of safety factor of slope at the end of design

計(jì)算結(jié)果云圖詳見圖10～12。

圖10 A-A剖面潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖Fig.10 Potential location of the most unfavorable sliding surface of A-A profile

圖11 F-F剖面潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖Fig.11 Potential location of the most unfavorable sliding surface of F-F profile

圖12 B-B剖面潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖Fig.12 Potential location of the most unfavorable sliding surface of B-B profile

6.2 基于強(qiáng)度折減法FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

FLAC2D是二維快速拉格朗日法，是一種基于二維顯示有限差分的數(shù)值分析軟件。本次采用強(qiáng)度折減法FLAC2D7.0巖質(zhì)邊坡分析軟件對(duì)景洪曼空石灰?guī)r露天礦設(shè)計(jì)終了境界邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，搜索邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，并計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)終了境界邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表(FLAC2D法)Tab.3 Calculation results of safety factor of slope at the end of design

計(jì)算結(jié)果如圖13～15所示：露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖。

圖13 A-A剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.13 Potential sliding surface chart of A-A profile

圖14 F-F剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.14 Potential sliding surface chart of F-F profile

圖15 B-B剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.15 Potential sliding surface chart of B-B profile

6.3 計(jì)算結(jié)果分析

從表2和表3及計(jì)算結(jié)果云圖中可以看出：

1)設(shè)計(jì)開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水工況下(荷載組合I)，露天采場(chǎng)不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)FS均>1.20，滿足規(guī)范II級(jí)邊坡工程安全等級(jí)要求，說明開采終了境界邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全有一定保障，也論證了該露天開采終了境界設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性和合理性，為后期的露天邊坡開挖布置提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2)設(shè)計(jì)開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水+爆破工況下(荷載組合II)，露天采場(chǎng)不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)FS均>1.15，滿足規(guī)范II級(jí)邊坡工程安全等級(jí)要求，說明該露天礦終了境界邊坡在現(xiàn)露天開采設(shè)計(jì)方案下具有一定的抗爆破擾動(dòng)能力。

3)設(shè)計(jì)開采終了境界邊坡各剖面安全系數(shù)在自重+地下水+地震工況下(荷載組合III)，露天采場(chǎng)不同區(qū)域邊坡剖面安全系數(shù)均>1.10，滿足規(guī)范II級(jí)邊坡工程安全等級(jí)要求，說明該露天礦終了境界邊坡在現(xiàn)露天開采設(shè)計(jì)方案下具有一定的抗地震擾動(dòng)能力。

7 結(jié)論與建議

通過采用極限平衡法和FLAC2D強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬分析對(duì)曼空石灰?guī)r露天采場(chǎng)設(shè)計(jì)終了邊坡進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論:

1)通過對(duì)研究推薦的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算得出，設(shè)計(jì)終了邊坡安全系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范安全等級(jí)要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動(dòng)面位置是從邊坡頂部切入而后從坡腳穿出，屬于整體邊坡潛在滑動(dòng)面，而非局部邊坡滑東面。

2)經(jīng)兩種穩(wěn)定性計(jì)算方法相互對(duì)比驗(yàn)算分析，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范的安全要求，說明設(shè)計(jì)確定的最終邊坡角比較合理，安全有一定的保障。設(shè)計(jì)終了境界邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)推薦為，反向-切向邊坡臺(tái)階坡面角65°，順向(順層)邊坡臺(tái)階坡面角60°，臺(tái)階高度12 m(由現(xiàn)場(chǎng)挖掘設(shè)備確定)，安全平臺(tái)寬度6 m，清掃平臺(tái)寬度12 m(每隔3個(gè)臺(tái)階設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái))。該露天礦設(shè)計(jì)終了坑底最終標(biāo)高 640 m，終了邊坡最大高度為271 m(西南幫)。

3)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)工作，局部區(qū)域增加位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，雨季加強(qiáng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)處理。

4)邊坡靠幫時(shí)，爆破須采用控制爆破技術(shù)及減震技術(shù)，如預(yù)裂爆破、光面爆破、微差爆破。以達(dá)到降低爆破震動(dòng)強(qiáng)度，減小爆破對(duì)邊坡強(qiáng)度損害的目的。