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研山铁矿高陡边坡稳定性分析及治理措施

2024-11-20 93 上传者：管理员

摘要：露天矿山边坡稳定性与采场高效生产及人员设备安全息息相关，以胶带系统转载站上方边坡为研究对象，综合考虑自重、地下水、爆破震动及地震力等影响因素，采用简化Bishop法及M-P法对现状及设计加固后边坡开展稳定性计算，结果表明：转载站上方现状边坡除-97m至-127m段在天然工况及日常爆破工况下处于稳定状态外，其余安全系数均不满足规定要求，为降低边坡安全隐患，保证后续胶带系统运行稳定，对边坡节理发育的-18m～-67m段高区域边坡，设计了锚杆-锚索框架梁治理方案，对岩体主要受风化作用影响，局部崩塌落石等危害的-97m～-127m段高边坡，设计了喷锚网封闭治理方案，之后再次应用极限平衡法对加固后边坡稳定性开展计算分析，结果得到，治理设计后的边坡稳定性系数在不同荷载组合下均符合规定要求，边坡达到了稳定状态。

关键词：
M-P法
简化Bishop法
边坡稳定性
采矿业
露天矿山
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采矿业作为我国支柱性产业，在国民经济中发挥着重要作用。露天矿山伴随开采深度和规模逐年扩大，边坡逐渐呈现出高陡的特点，再加上，近年来地质灾害事故的发生频率逐渐上升[1]，使得边坡稳定性问题逐渐成为关注的焦点。边坡稳定性不仅直接影响矿山的生产效率，还与作业人员的生命安全、矿山运营成本以及生态环境等因素紧密相关[2]。因此，对露天矿山边坡进行稳定性分析对于指导矿山安全生产具有极其重要的意义。通过对边坡稳定性的影响因素、评价方法以及防护措施的深入研究，可以有效地预防和减轻地质灾害事故的发生，确保矿山生产的安全与可持续发展。

在边坡稳定性分析方面，李云波等[3]以某水电站边坡为研究对象并开展系统分析，研究得到现状边坡安全系数较小并据此提出两种支护加固方案，遏制了溃坝风险。李桂艳[4]采用FLAC 3D软件建立三维采场边坡模型，对不同开采条件下北帮及南帮边坡稳定进行数值分析，发现现状边坡具有一定的安全风险，并制定了减载削坡的治理方案。聂绪斯[5]等采用Geo-Slope软件，以某顺倾露天矿为研究案例，考虑正常工况和地震荷载作用对边坡安全系数开展计算分析，研究得到了顺倾边坡削坡前后边坡安全系数，对日常安全生产起到了一定指导作用。王海[6]等对不同露天矿山地下水控制技术进行了系统研究，研究表明截水帷幕可有效控制露天矿边坡地下水位，使得边坡体力学参数保持在合理范围，确保边坡稳定性系数居于安全区间。

本文在前人的研究基础上，采用极限平衡法及实地勘察法，综合考虑自重、地下水、爆破震动及地震力等多种作用因素，对研山铁矿转载站上方边坡稳定性及治理措施开展了系统研究，旨在保证后续胶带路由系统安全运行，为矿山安全生产提供一定参考。

1、工程概况

近年来，随着采矿生产的进行，研山铁矿露天采坑逐渐采深，边坡高度逐渐增高，目前采场北帮-187m以上已经靠帮到界，永久边坡区域内局部岩体受不同程度风化剥蚀，以及受开挖爆破震动影响，发现有下降、裂隙、单台阶垮塌、楔形破坏等边坡失稳情形，且在采场北侧区域-127m平台上设计有皮带运输转运站，上部边坡垮塌将会影响转运站上人员设备安全，从而逐渐影响到矿山后续安全生产。图1为北帮边坡现状图，根据实际勘察及结合以往资料分析来看，研山铁矿采场北侧边坡主要在-127m～-18m段高范围内存在局部不稳定区域。

其中，-67m至-97m坡面此前已发生顺倾滑坡，并列入公司2024年治理加固防护范围内，为避免转载站上方其它坡面滑坡或滚落碎石等影响后续皮带运行及人员设备安全，有必要对转载站上方其它台阶边坡进行稳定性分析，并对存在的不稳定区域及时进行治理。

图1 北帮边坡现状图

2、边坡稳定性分析研究

2.1边坡破坏类型

岩石边坡的破坏形式主要由边坡的岩石类型以及存在于岩层中的各种构造和坡面之间的空间关系决定[7]，研山铁矿采场北帮-18m～-127m段边坡上部存在部分泥岩及第四系边坡，下部岩体在受到本身节理裂隙切割的同时，还受不同程度风化剥蚀以及矿区爆破开挖影响，根据现场调查和分析，以及赤平投影分析结果，该区域边坡结构面在台阶边坡表面出露，主要为节理破坏，滑坡后缘裂隙和前沿裂缝明显，边坡存在沿结构面发生滑动的风险。

2.2稳定性分析方法的选择

边坡稳固性分析方法较多，目前主要分为：极限平衡法、有限单元法、离散单元法等[8]。尽管边坡稳定性分析方法繁多，但实际工程需要具体问题具体分析，应根据特定边坡工程的特点和研究目标，选择合适的分析方法。极限平衡法在国内外广泛应用，具有丰富的实践经验，现已成为一种成熟的方法。其最大的优点便是能够提供边坡稳固性的定量评价指标—安全系数Fs，有利于工程实践，因此受到界内人士普遍认可，故此次模拟计算采取极限平衡法。

2.3计算剖面及参数选取

根据北帮地质构造和结构特征，在北帮边坡整体稳定的情况下[9]，对本次转载站上方局部台阶边坡开展稳定性计算，综合现场实际，在北帮-18m～-42m、-42m～-67m、-97m～-127m分别选取了3个代表性剖面，进行计算分析，序号对应为A1、A2及A3。

岩石力学性质作为决定边坡岩体稳定性的最本质的内在因素，在模拟计算前，首先开展不同剖面边坡岩体力学试验，得到北帮边坡折减后的岩石力学参数，见表1。

本次模拟仅考虑水平爆破振动作用对边坡的影响，水平加速度取值为0.5m/s2，综合振动系数Kc取值为0.01，矿区所处地震烈度7度区，故设计基本加速度（地震峰值加速度）取值为0.2g。

2.4允许安全系数

允许安全系数是评价边坡稳定性的一项重要指标，依据《非煤露天矿边坡技术规程》表3.0.5-3.0.9中规定，不同荷载组合下边坡的设计安全系数应满足表2。研山铁矿现状边坡高度已达302m，综合考虑该区域的重要性、危害等级等，可确定该处边坡安全等级为Ⅰ级。

表2 不同荷载组合下边坡的设计安全系数

2.5边坡稳定性分析

本次滑面搜索方法采用Simulated Annealing法（模拟退火法）精确搜索最危险滑裂面，同时对比圆弧型滑动模拟数据选取最小安全系数，各种工况下现状边坡稳定性分析结果见表3。计算工况中，工况Ⅰ为自重+地下水，工况Ⅱ为自重+地下水+爆破震动力，工况Ⅲ为自重+地下水+地震力。

图2为荷载组合Ⅲ下不同剖面稳定性计算结果，结合表3及图2可以得到，A1剖面和A2剖面，在三种荷载组合条件下稳定性系数虽接近允许最小安全系数，但均不符合国家规范要求，边坡偏于危险。A3剖面在自然工况下安全系数为1.203～1.201，爆破工况下安全系数为1.189～1.188，满足规范要求，即-97m～-127m段边坡，在自然工况及日常爆破下均处于稳定状态，但在地震工况下安全系数为1.135～1.132，未达到安全要求。受矿山日常开采爆破震动以及降雨、地下水等各方面影响，以上边坡仍有可能发生破坏坍塌或碎石滚落，为保证后续转载站及皮带系统运行稳定，有必要对以上区域进行治理加固。

3、边坡治理加固设计

预防滑坡现象，从根本上说，是降低下滑力或提高抗滑力。针对露天矿场边坡滑坡的解决，常用的处理方式包括降低斜度、回填坡脚、排水除湿以及人工加固措施。

本次研究区域均为北帮，已经靠帮到界区域，进行削坡减载将改变边坡境界，不符合设计要求，采用回填压坡将影响下部台阶靠帮到界，最终影响资源开采，同时矿山边坡独特的分布特征导致施工场地有限，也不适用于大型抗滑桩施工。基于实地考察结论，参照相关安全规范，针对本次边坡的加固治理设计，拟对易滑坡失稳区域采用锚索（杆）框架梁结体系；对破面松散、滚石区域采取喷锚网支护进行封闭。

表1 北帮边坡岩石力学参数

表3 现状边坡稳定性分析计算结果

图2 荷载组合Ⅲ下不同剖面稳定性计算结果（Bishop法）

3.1-18m～-42m、-42m～-67m段高加固措施

根据边坡稳定性分析结果，当达到规定的安全系数时，边坡仍存在一定的下滑潜力。鉴于空间限定，决定应用锚杆和锚索来抵消这些潜在的下滑力。经计算，采用单根锚索900k N滑面方向的抗力、单根锚杆轴向拉力取250k N进行设计。

结合现场踏勘结果，北帮-18m～-42m段高及-42m～-67m段高区域，边坡已经出现局部顺倾滑塌现象，故此区域上部采用锚杆锚索框架梁体系，下部采用短锚杆加喷锚网支护，以便避免局部应力集中，增强该区域整体性，同时可减少风化作用对边坡的侵蚀作用。主要措施包含有以2排长锚杆以及2排长锚索组成纵横连续梁，横竖梁截面尺寸为400×400mm，竖梁的水平间距设定为3m，而横梁的排列间距则依据锚杆和锚索的排列间距来确定。长锚杆深度设计为15m、18m，锚杆钻孔直径不小于110mm；长锚索深度为20m、22m，钻孔直径不小于130mm；锚杆锚索排距4.5m，间距3m；底部交错布置2m、4m挂网短锚杆，间排距均为2m，喷锚网支护厚度100mm。

3.2-97m～-127m段高加固措施

-97m～-127m段高区域，其稳定计算结果表明日常生产过程中边坡处于稳定状态，但因风化影响岩体呈散体块状结构，存在浅层崩塌碎石滚落的可能，故考虑采用喷锚网封闭岩层表面借以防范岩石风化、边坡落石。主要措施为在-97m～-112m段高采用短锚杆加喷锚网支护，交错布置2m、4m挂网短锚杆，间排距均为2m，喷锚网支护厚度100mm。（图3、图4)

图3 加固治理设计立面图

3.3加固后边坡稳定性计算

根据加固设计，对-18m～-42m段高以及-42m～-67m段高区域的剖面，重新采用极限平衡法计算加固后的台阶边坡安全系数，见表4，荷载组合Ⅲ下不同剖面加固后稳定性计算结果（M-P法）见图5。

表4 加固后边坡安全系数

图5 荷载组合Ⅲ下不同剖面加固后稳定性计算结果（M-P法）

图4 北帮局部区域治理设计剖面示意图

结合简化Bishop法及M-P法所计算的安全系数可以看出，采用加固设计后的边坡稳定性系数在不同荷载组合下均满足规范要求，边坡达到了稳定状态，证明本次针对转载站上方边坡所设计治理方案是可行的。

4、结论

以研山铁矿北帮边坡为研究对象，采用极限平衡法对转载站上方边坡开展稳定性分析及加固治理研究，得到以下结论：(1)-127m转载站上方现状边坡的稳定性系数较小，除-97m～-127m段边坡在天然工况及日常爆破工况下达到规范要求外，其余均不满足规定要求。(2)针对数值分析及实际勘察结果，对边坡节理发育的-18m～-42m段高及-42m～-67m段高区域边坡，设计了锚杆-锚索框架梁治理方案，对岩体主要受风化作用影响，局部崩塌落石等危害的-97m～-127m段高边坡，设计了喷锚网封闭治理方案。通过再次运用极限平衡法对加固后边坡的稳定性进行评估，结果表明，在多种荷载条件下，治理设计后的边坡稳定性系数均符合规范规定，边坡达到了稳定状态。

文章来源:吕斌,杨志彬.研山铁矿高陡边坡稳定性分析及治理措施[J].价值工程,2024,43(32):33-36.