董賀偉

(首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司，河北 唐山 064404)

某鐵礦隨著多年開采，露天坑越來越深，露天邊坡高度也越來越高，面臨風(fēng)險也隨之增加，有必要對其穩(wěn)定性進(jìn)行評估。當(dāng)前，對露天邊坡穩(wěn)定性分析的研究較多，何旭等[1]運(yùn)用3DMine與MidasGTS將模型導(dǎo)入FLAC3D，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析了邊坡安全性；易露等[2]采用極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬，計算出四種工況下的安全系數(shù)；楊天寶[3]利用GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，得出在正常工況下四個分區(qū)安全系數(shù)在正常范圍內(nèi)；劉志軍等[4]為判斷某露天礦邊坡設(shè)計是否合理，采用Geo-Slope進(jìn)行計算，模擬邊坡潛在滑移面在不同條件下的破壞過程，并設(shè)計兩種工況，計算出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。上述研究方法大多較為單一，針對幾種工況的安全性分析，在方法應(yīng)用方面不夠全面。本文應(yīng)用GeoStudio軟件，以極限平衡理論為基礎(chǔ)，分析瑞典條分法、簡化Bishop法、精確Janbu法和Morgenstern-Price法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，并分別對邊坡不同區(qū)域的三種荷載穩(wěn)定性進(jìn)行計算，校核了該鐵礦邊坡穩(wěn)定性并結(jié)合邊坡特點(diǎn)分別給出相應(yīng)的治理建議。

1 工程概況

該鐵礦為大型深凹型露天采礦場，露天采場長為3 600 m，寬為1 600～1 800 m，由南、北兩個采場構(gòu)成，二者在+34 m以上連通，向下延伸基本是兩個獨(dú)立的采場；其中：北采場邊坡最高標(biāo)高310 m，最低開采標(biāo)高-350 m，封閉圈標(biāo)高80 m，目前最低開采水平為-245 m；南采場邊坡最高標(biāo)高140 m，最低開采標(biāo)高-185 m，封閉圈標(biāo)高104 m，目前最低開采水平為-35 m。

2 邊坡分區(qū)及建模

2.1 邊坡分區(qū)

根據(jù)工程巖組特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體不連續(xù)面特征、采礦設(shè)計及邊坡方位特征，將該鐵礦采場研究區(qū)劃分為Ⅰ～Ⅷ共8個工程地質(zhì)區(qū)。為確切反映各區(qū)段邊坡的客觀實(shí)際，根據(jù)采場邊坡的實(shí)際特征，基于該鐵礦現(xiàn)場邊坡情況(2021年8月現(xiàn)狀圖)，每個工程地質(zhì)區(qū)分別選取1處采場邊坡典型區(qū)域剖面。其中剖面1為北采場北側(cè)工作幫邊坡的最陡處，剖面2為北采場南側(cè)非工作幫邊坡且上部有辦公樓設(shè)施，剖面3和剖面4為北采場南側(cè)的邊坡，剖面5為北采場目前開采至最深處的一個最陡邊坡，剖面6為北采場西側(cè)的邊坡，剖面7為北采場原來發(fā)生過局部小滑坡現(xiàn)已完成治理的區(qū)域，剖面8為南采場西側(cè)邊坡。

針對該鐵礦的具體條件，本次邊坡穩(wěn)定性分析的荷載組合如下：

荷載組合Ⅰ：自重+地下水

荷載組合Ⅱ：自重+地下水+爆破振動力

荷載組合Ⅲ：自重+地下水+地震力

2.2 穩(wěn)定性參數(shù)

通過已有的相關(guān)資料可知，采場邊坡的地層基本為第四系人工堆積物、礫巖、黑云混合片麻巖、礦體和混合花崗巖。根據(jù)本項(xiàng)目已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析報告等相關(guān)資料，選取的礦巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)計算值分別見表1。

表1 采場邊坡巖體參數(shù)數(shù)值模擬取值表Table 1 Numerical simulation value table of rock mass parameters of stope slope

根據(jù)不同分區(qū)的巖性和邊坡形態(tài)，本文選取的計算剖面位置示意圖如圖1所示。限于篇幅，僅就剖面1進(jìn)行模型分析，如圖2所示。

圖1 計算剖面分區(qū)位置Fig.1 Calculated section location

圖2 剖面1分析模型Fig.2 Analysis model of profile 1

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 采場邊坡穩(wěn)定性計算方法

本文的邊坡穩(wěn)定性計算采用SLOPE/W模塊進(jìn)行。SLOPE/W模塊是計算巖土邊坡安全系數(shù)的主流軟件產(chǎn)品[4]，其對于綜合問題公式化的特征使得它可以同時用8種方法分析計算簡單或復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題。分析采場邊坡其理論基礎(chǔ)具體可以表述為：對邊坡體進(jìn)行條分，并依據(jù)靜力學(xué)平衡原理，計算已知滑裂面上的抗滑力和下滑力的比值，該值即為所求邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[5]。SLOPE/W模塊使用極限平衡理論對不同土體類型、復(fù)雜地層和滑移面形狀的邊坡中的孔隙水壓力分布狀況進(jìn)行建模分析[6]。

極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)流程：

1)假定邊坡內(nèi)部存在一個確定的滑裂面作為初始滑裂面；

2)根據(jù)靜力平衡原理和莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則計算，計算結(jié)果得出沿預(yù)先設(shè)定的初始滑面滑動的可能性[7]；

3)選取多個初始滑裂面，由上述過程求出與之對應(yīng)的穩(wěn)定性安全系數(shù)；

4)計算出的所有穩(wěn)定性安全系數(shù)中，找到最小的穩(wěn)定性安全系數(shù)的值，該最小穩(wěn)定性安全系數(shù)值對應(yīng)的滑裂面就是我們尋找的最危險滑裂面。

本文以極限條分法為基礎(chǔ)，分別選取瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法對8個剖面3種荷載(自重+地下水；自重+地下水+爆破振動力；自重+地下水+地震力)情況下分別分析計算邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。

瑞典條分法不考慮滑動散體內(nèi)部的相互作用力，只是整體平衡，因此求出來的安全系數(shù)偏低10%～20%，這種誤差隨著滑裂面圓心角和孔隙壓力的增大而增大；簡化 Bishop 法計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，主要是因?yàn)槠湓谟嬎氵^程中充分考慮了土體內(nèi)部條塊之間的相互作用力，有嚴(yán)格的分割要求，計算方式采用迭代法，此方法適用于均質(zhì)黏性及破碎石堆土等斜坡形成的圓弧形或近似圓弧形滑動滑坡；Janbu普遍條分法的剪切面是任意的，針對一般的土坡斷面情況，土坡面也是任意的，Janbu法適合于分析滑動面較淺時的任意形狀滑動面；Morgenstern-Price法用于任意形狀的滑動面，該法假定條塊間力的合力與上一條塊底面相平行。

由于剖面3和剖面4為北采場南側(cè)的普通邊坡，剖面8為南采場西側(cè)邊坡，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，礦床賦存于三屯營組二段含礦變質(zhì)巖系中，礦石的礦物組成比較簡單，以磁鐵礦為主，假象赤鐵礦次之，伴有極少量的褐鐵礦等次生礦物，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)以塊狀和層狀結(jié)構(gòu)為主，巖石強(qiáng)度較高，較堅硬，穩(wěn)定性較好，但礦床主要礦體大部分位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，附近地表水體不構(gòu)成礦床的主要充水因素，地形有利于自然排水，礦床主要充水含水層和構(gòu)造破碎帶富水性中等，屬于圓弧滑動面的滑坡的穩(wěn)定性分析[8]，可以假設(shè)兩條間力方向相反且與土條底面圓弧的切線平行，大小相等，因此和假設(shè)條間力只有水平力的Bishop法相比，更適合選擇瑞典條分法對三邊坡進(jìn)行分析。

剖面1為北采場北側(cè)工作幫邊坡最陡處，剖面2為北采場南側(cè)非工作幫邊坡且上部有辦公樓設(shè)施，剖面5為北采場目前開采至最深處的一個最陡邊坡。由于這三個剖面位置較為特殊，受力情況較為復(fù)雜，不適合應(yīng)用假設(shè)兩條間力方向相反的瑞典條分法和假設(shè)條間力只有水平力的Bishop法，因此選擇既能滿足力平衡又滿足力矩平衡條件的Morgenstern-Price法進(jìn)行分析。

剖面6為北采場西側(cè)的邊坡，由于大氣降水量較多，此邊坡巖土體受到軟化和泥化作用，巖土體抗剪強(qiáng)度大大降低，同時此剖面為所選剖面中管理情況較差的一個，對其重視程度不夠?qū)е挛ｋU性較大，又因剖面6不包含坡頂條件，滿足各條塊上作用力和作用力矩的平衡條件，因此Janbu法對該剖面較為適用。

剖面7為北采場原來發(fā)生過局部小滑坡現(xiàn)已完成治理的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，然而針對出現(xiàn)過滑坡的剖面應(yīng)更加關(guān)注其抗剪強(qiáng)度與實(shí)際剪應(yīng)力的關(guān)系，Bishop法中的安全系數(shù)正與此相呼應(yīng)，同時此方法考慮了土條側(cè)面的作用力，并假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數(shù)均相同，因此Bishop法對該剖面較為適用。

3.2 邊坡穩(wěn)定性判斷依據(jù)

安全系數(shù)限值Fs的確定是評價邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，是較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，且一般邊坡安全系數(shù)的計算與邊坡研究的深度和廣度、研究方法、所選參數(shù)的代表性和可靠行、邊坡高度與坡角堆及對邊坡工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等諸多因素的認(rèn)識程度有關(guān)。安全系數(shù)限值的確定要綜合考慮現(xiàn)場評估、工程類比及有關(guān)設(shè)計規(guī)范[9]。

根據(jù)該鐵礦工程地質(zhì)分區(qū)的邊坡高度，結(jié)合邊坡的危害等級，對照圖1和表2，得Ⅰ區(qū)和Ⅷ區(qū)的邊坡高度大于100 m小于300 m，邊坡工程安全等級為Ⅱ級，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ區(qū)的邊坡高度大于300 m，邊坡工程安全等級為I級。

表2 邊坡工程安全等級劃分Table 2 Classification of safety levels of slope

綜合《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》(GB 50771—2012)和《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016—2014)，結(jié)合不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)進(jìn)行分析，如表3。

表3 不同荷載組合下總體邊坡的設(shè)計安全系數(shù)Table 3 Design safety factor of overall slope under different load combinations

結(jié)合該鐵礦實(shí)際情況，最終對八個分區(qū)選取以下安全系數(shù)。

1)該鐵礦邊坡在考慮邊坡巖體自重和地下水條件下(荷載組合Ⅰ)，Ⅰ區(qū)和Ⅷ區(qū)設(shè)計安全系數(shù)取1.20，Ⅱ～Ⅶ區(qū)設(shè)計安全系數(shù)取1.25。

2)該鐵礦邊坡受到生產(chǎn)爆破的多次影響，取水平地震荷載系數(shù)為0.01，考慮邊坡巖體自重、地下水及爆破振動力作用(荷載組合Ⅱ)，Ⅰ區(qū)和Ⅷ區(qū)的設(shè)計安全系數(shù)取1.18，Ⅱ～Ⅶ區(qū)設(shè)計安全系數(shù)取1.23。

3)該鐵礦所在區(qū)域地震烈度7～8度，地震動峰值加速度a=0.15 g，取水平地震荷載系數(shù)為0.15，考慮邊坡巖體自重、地下水及地震荷載作用(荷載組合Ⅲ)，Ⅰ區(qū)和Ⅷ區(qū)的設(shè)計安全系數(shù)取1.15，Ⅱ～Ⅶ區(qū)設(shè)計安全系數(shù)取1.20。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

如果把邊坡巖體作為連續(xù)介質(zhì)，由于巖體的材料強(qiáng)度較高，利用極限平衡法得到的安全系數(shù)較高，因此地下采場影響情況下，以開挖后的應(yīng)力場為基礎(chǔ)，計算地下開采影響下邊坡的安全系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場考察，結(jié)合前述分析，剖面6和剖面7危險性相對較大?，F(xiàn)以剖面6、剖面7穩(wěn)定性分析為例。

剖面6滑動面較淺且滑動面形狀不固定，根據(jù)前述分析，應(yīng)用Bishop法對剖面6的三種工況進(jìn)行分析，如圖3所示。三種荷載組合下的安全系數(shù)分別為1.741，1.711和1.359，均符合設(shè)計安全系數(shù)。

圖3 采場邊坡安全性分析(剖面6 Bishop法)Fig.3 Safety analysis of stope slope(section 6 Bishop method)

剖面7一部分由破碎石堆土構(gòu)成，危險性相對較高，安全系數(shù)求解準(zhǔn)確性要求較高，且滑動面近似圓弧，根據(jù)前述分析，選取Morgenstern-Price法對剖面7三種工況進(jìn)行分析，如圖4所示。三種荷載組合下的安全系數(shù)分別為1.759，1.726和1.353，均符合設(shè)計安全系數(shù)。

圖4 采場邊坡安全性分析(剖面7 Morgenstern-Price法)Fig.4 Safety analysis of stope slope(section 7 Morgenstern-Price method)

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析

采用極限平衡法對剖面1至剖面8的采場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，結(jié)果如表3和表4所示，剖面1在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.477～1.871；剖面2在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.476～1.904；剖面3在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.627～2.092；剖面4在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.749～2.231；剖面5在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.599～2.129；剖面6在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.359～1.749；剖面7在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.340～1.759；剖面8在三種荷載組合下安全系數(shù)為1.500～2.012。

表3 剖面1和剖面8邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算值Table 3 Slope stability coefficient calculation values for profile 1 and profile 8

表4 剖面2～7邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算值Table 4 Calculated values of slope stability coefficient of profile 2 to 7

通過計算，剖面6危險性最大，經(jīng)過實(shí)際調(diào)研，剖面6巖體中結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度相對較低，并且縫隙中易風(fēng)化次生礦物較多，地表水滲入和地下水流動較為頻繁，巖石孔隙度相比其他剖面較大，因此危險性較大，綜上所述，計算結(jié)果與客觀事實(shí)相符。

4 邊坡維護(hù)治理建議

基于上述結(jié)論，結(jié)合礦山實(shí)際提出以下邊坡維護(hù)治理建議：

1)剖面1、2、5、7位置特殊，相對于其它剖面較容易出現(xiàn)局部小滑坡事故，距離開挖面10 m范圍內(nèi)巖體破碎結(jié)構(gòu)是剖體中最容易發(fā)生變形的位置，因此諸如此類剖面，應(yīng)將防治重點(diǎn)放在防止碎裂巖體的變形上。基于變形破壞機(jī)制分析的治理思路認(rèn)為必須在控制碎裂巖體變形的基礎(chǔ)上，控制潛在滑動面的變形，因此可以選擇抗滑樁加固、錨桿錨索加固、抗滑擋土加固、采用各種石灰混合料，灰漿，水泥漿等材料進(jìn)行剖面防護(hù)。

2)剖面6不穩(wěn)定主要因素是大氣降水，針對此類邊坡，暴雨和匯水是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也是治理的中心環(huán)節(jié)，應(yīng)及時建立完善的截、疏、排水體系，防治雨水沿裂隙入滲坡體，將已進(jìn)入坡體的地表水快速排出，盡量減少甚至消除地下水對邊坡巖土體的影響，根據(jù)實(shí)際情況采取截水盲溝，支撐盲溝、排水廊道、集水溝和排水孔等方式。

3)剖面3、4、8整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，未發(fā)生過滑坡事故，力學(xué)情況比較簡單，針對此類安全性較高的邊坡，進(jìn)行定期檢查，實(shí)時更新剖面數(shù)據(jù)，加強(qiáng)剖面管理監(jiān)督。剖面8已停止開采，可采用生態(tài)治理的理念，根據(jù)剖面的實(shí)際情況，以“草灌結(jié)合、灌木為主、草本為輔”的思想種植植被，達(dá)到降低剖體孔隙水壓力、控制土粒流失的作用。

5 結(jié)論

1)以極限平衡法為基礎(chǔ)，根據(jù)不同分區(qū)剖面的地質(zhì)概況分別采用適宜的計算方法分析評價某鐵礦開采現(xiàn)狀的8個剖面在3種工況下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：該鐵礦現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的。但針對邊坡表層的局部巖體，在擾動的過程中，可能發(fā)生小范圍的破壞，如果邊坡表層巖體局部破損，在雨水和爆破振動等情況的誘發(fā)下，可能發(fā)生局部坍塌或失穩(wěn)，應(yīng)進(jìn)行及時處理，確保采場邊坡的整體穩(wěn)定。

2)GeoStudio軟件中的SLOPE/W模塊計算各分區(qū)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)安全可靠，但隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，露天坑加深，邊坡越來越高，邊坡形態(tài)會發(fā)生變化，因此，礦山應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況更新繪制坡面，重新進(jìn)行安全系數(shù)評估，便于指導(dǎo)安全生產(chǎn)。