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某露天矿边坡稳定性及优化研究

2024-06-11 32 上传者：管理员

摘要：文章以广西某露天矿山高陡边坡为研究对象，通过现场调查及室内岩石力学试验，结合矿山地质资料，采用RQD和RMR方法进行岩体质量评价，采用RocLab软件确定岩体力学参数，采用极限平衡法并基于Slide软件进行边坡稳定性及优化研究。研究结果表明：使用推荐的优化参数可使现状边坡的安全性和经济性之间达到最佳平衡，采场边坡参数的选取可作为同类矿山参考之依据。

关键词：
RQD
岩体质量评价
滑坡治理
边坡稳定性
露天矿
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在露天矿山的开采和生产过程中，边坡稳定性问题是矿山企业安全管理的最重要内容之一[1]，直接关系到企业的生产安全、经济效益和社会效益等[2]。而露天矿山的不断开采使得最终边坡高度不断增加，给安全生产带来了不少隐患[3,4]。因此，研究露天矿山边坡稳定性，并为此提出正确、合理的治理措施意义重大[5]。针对露天矿的边坡稳定性问题，可以综合边坡的高度和坡度、岩体力学参数、地下水位以及地质结构等因素进行分析，从而得出相关结论及结果[6]。目前主要的边坡稳定性分析手段为定性与定量分析法相结合。其中定性分析主要有工程地质类比法和图解法等，定量分析有极限平衡法、数值分析法和可靠性分析法等[7]。其中极限平衡法因其原理简单，适用面广而被广泛采用，极限平衡法的原理是将被研究滑体切割成若干条块并看作刚体，对可能出现危险的滑面建立二维平衡静力方程，求解得出安全系数[8,9]，实际分析中最常使用的有Morgenstern-Price、Janbu、Spencer条分法等。

1、矿山概况

1.1 矿区地理及基本情况

矿区构造位置处于大瑶山凸起东南部，与六万大山隆起北东段交汇处附近。矿体岩性为青灰色中-厚层状浅变质粉-细砂岩，矿区内未发育断层和褶皱，整体上地质构造及水文条件简单，环境地质条件中等。矿山以开采砂岩矿为主，矿区面积0.1983km2，生产规模100万m3/a。开采标高为+326m～+84m，采用组合式台阶采矿法，台阶式自上而下回采。

1.2 岩体工程地质条件

矿体岩层由上到下依次分为：残坡积层、砂岩全风化层、砂岩中风化层及新鲜砂岩层。其中残坡积层平均厚度2.2m；砂岩全风化层平均厚度12.6m；砂岩中风化层平均厚度20.2m；综上所述本矿区覆盖层（包括残坡积层、砂岩全风化层、砂岩中风化层）平均厚度为35m。强风化砂岩、中风化砂岩和新鲜砂岩的岩石单轴抗压强度为7.2MPa、42.13MPa和68.96MPa。

2、岩体质量评价和岩体强度参数

2.1 岩体质量评价

进行岩体质量的评价可对岩体做出判别，是稳定性分析研究的基础。岩体结构分类能够充分反映其地质特征，因而可有效地用于岩体稳定性评价。针对本矿区岩体特点，采用RQD和RMR岩体分级方法进行岩体质量评价。

(1)RQD分级。

RQD反映岩体被结构面的切割程度，用于岩石的完整性分类。因本次钻孔未取岩芯，故根据体积节理数Jv与RQD之间的关系判断岩体RQD值。当结构面均匀分布时，用几组实际测量范围内的节理面密度之和乘以经验系数K可得Jv。本文K取1.35,RQD分级结果如表1所示。

表1 RQD分级结果表

(2)RMR分级。

RMR系统有岩石抗压强度、岩体RQD值、节理间距和节理的状态、地下水赋存情况等5项评价指标。本文将各岩体组评价所得的分值进行累加，并根据各项指标的实际情况进行修正，最终得到RMR值，其分级结果如表2所示。

表3 边坡岩体力学参数表

表2 RMR分级结果表

2.2 岩体强度参数确定

本文基于广义Hoek-Brown准则，通过Roclab软件进行岩体强度计算。计算和查阅资料确定各岩组岩石的GSI、材料常数mi和扰动系数D，将以上参数及岩石单轴抗压强度等数据输入软件，处理后得出露天矿山边坡岩体参数，岩体力学参数如表3所示。

3、边坡稳定性分析

3.1 采场边坡参数及安全系数

根据矿体开采条件以及岩体力学性质，同时综合考虑采深、采场服务年限等因素，本矿山露天采场边坡参数如下：

(1)台阶高度。

强风化层台阶高度：6～10m；中风化岩层台阶高度11～13.5m；新鲜岩层台阶坡高度：17.5～20m。

(2)台阶坡面角。

强风化层工作台阶坡面角45～50°，终了台阶坡面角28～34°；中风化层及新鲜层工作台阶坡面角68～72°，最大边坡高度242m，终了台阶坡面角51°。

(3)平台宽度。

安全平台宽度5m，清扫平台宽取8m，安全平台和清扫平台间隔设置，最小工作平台宽度40m。

本矿山露天采场最大边坡高度242m，根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014），确定该矿山边坡为中边坡，边坡危害等级为Ⅱ级，边坡工程安全等级确定为Ⅱ级，三种载荷组合下的边坡安全系数分别取1.17、1.15和1.13。

3.2 边坡稳定性分析

本次利用Slide软件对露天采场边坡进行稳定性分析研究，该软件的理论基础为极限平衡法，选用Morgenstern-Price、Janbu和Spencer法进行边坡稳定性分析研究。在该露天矿现状边坡处选取3个剖面，剖面位置见图1，并利用CAD建立剖面A、B、C的剖面图，将其转为dxf格式文件后导入Slide软件中，输入各岩层之岩体力学参数，采用Slide软件建立的边坡计算模型进行边坡稳定性分析。

本次共分析三种工况下边坡的稳定性，工况情况如下：

(1)自然工况（荷载组合Ⅰ）：自重力影响；

(2)爆破振动工况（荷载组合Ⅱ）：自重力+地震力影响；

图1 开采平面现状及剖面位置图

(3)暴雨工况（荷载组合Ⅲ）：自重力+连续暴雨一天影响。计算出现状边坡典型剖面不同工况下的安全系数如表4所示，剖面分析计算结果如图2所示。

表4 现状边坡典型剖面不同工况下的安全系数表

根据上述安全系数计算数值和分析结果图，可知A、B剖面之最小安全系数在三种工况下均在规定范围内，开采处于安全状态。但C剖面坡顶处最小安全系数在三种工况下均小于技术规范要求，经调查发现该坡顶处坡度达43度且全风化岩体强度低，导致该坡顶面发生滑坡。因此，有必要对该处边坡隐患进行消坡减载治理，以免造成人员伤亡事故。

3.3 滑坡治理模拟分析

为确保矿山后续开采的稳定性，拟采用削减强风化层坡面角的方式进行滑坡治理。本次分别模拟计算削减边坡角为34°、33°和32°后的安全系数，并综合考虑边坡治理的安全性及经济性，最终得出最佳削减值。削减不同边坡角的安全系数如表5所示，计算结果云图如图3所示。

图2 三种工况下剖面分析计算云图

表5 削减不同边坡角情况下的安全系数表

根据上述计算结果，当削减后的坡度为34°时，在工况Ⅰ和Ⅱ的情况下，安全系数均大于规定值；但在工况Ⅲ下，安全系数仍低于规定值；当坡度小于或等于33°时，三种工况下的安全系数均大于规定值。因此，建议削减坡度到33°，既能减少削坡的费用，又能保持边坡的稳定性。

图3 削减不同边坡角情况下剖面分析计算云图

4、结论

本文通过进行现场调查、资料收集并根据岩石实验结果，结合矿山地质资料，对其高陡边坡进行稳定性分析。基于极限平衡法，用过Slide软件模拟计算，分别对现状边坡在自然工况、爆破工况、暴雨工况下进行稳定型分析，得到结论如下：整体边坡处于稳定状态，其边坡参数的选取可为同类矿山初步设计提供参考。但由分析计算结果可知，西南坡顶处（C剖面）由于是全风化岩体，强度较低且坡度较大，其安全系数在三种工况下均小于技术规范要求，存在局部滑坡危险。经分析计算，削减坡度至33°及以下时，该处边坡坡顶在三种工况下均能满足技术规范要求，从而保证生产的安全性。

参考文献:

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[2]刘武.断层影响下露天矿边坡稳定性分析及优化[J].露天采矿技术,2022,37(06):82-85.

[3]马毓婷,陈俊智,任春芳,等.露天矿岩体力学参数对终了边坡稳定性影响敏感性数值模拟[J].有色金属(矿山部分),2022,74(04):95-101.

[4]陈光木.降雨对露天矿软弱基底排土场边坡稳定性的弱化效应[J].矿业研究与开发,2022,42(12):56-62.

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[9]郭子钰,王勇,李晓俊,等.基于极限平衡法和有限元法的边坡稳定性综合分析[J].露天采矿技术,2023,38(06):45-47,51.

文章来源:杨一豪,李学锋,黄绪兴,等.某露天矿边坡稳定性及优化研究[J].价值工程,2024,43(16):97-100.