岳 明

露天礦山邊坡穩(wěn)定性影響因素及分析方法研究

岳 明

（河南建泰化工工程設(shè)計有限公司，河南三門峽 472000）

對露天礦山邊坡穩(wěn)定性影響因素從內(nèi)外因兩個方面進行分析，總結(jié)了極限平衡法、基于FLAC3D強度折減的有限差分法和基于強度折減的有限元法等3種常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，提出了加強地質(zhì)勘查、做好安全監(jiān)測、合理確定臺階要素和選擇爆破方法、削坡減壓和減重壓腳、加強邊坡檢查與管理等治理邊坡滑動災(zāi)害的控制措施。研究結(jié)果對露天礦山的安全生產(chǎn)及預(yù)防和控制邊坡失穩(wěn)具有一定的指導意義。

露天礦山；影響因素；邊坡穩(wěn)定性分析方法；滑動災(zāi)害防治措施

露天礦山經(jīng)過長時間的開采，邊坡高度日益增加，一旦發(fā)生滑坡事故，將會造成重大人身傷亡與財產(chǎn)損失。因此，對邊坡穩(wěn)定性進行分析，制定針對性的防治措施，保障人們的生命安全，降低礦山的運營維護成本，具有重要的安全與經(jīng)濟意義。

1 邊坡穩(wěn)定性影響因素

1.1露天礦山邊坡簡介

露天礦山邊坡是經(jīng)剝離及采礦作業(yè)后形成的一種特殊的安全構(gòu)筑物，其主要成分為巖體。邊坡形成臨空面后，原巖的應(yīng)力狀態(tài)便發(fā)生了改變［1］。邊坡開挖前，應(yīng)力場處于相對平衡狀態(tài)，經(jīng)過開挖，會在坡頂交線位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。當應(yīng)力集中區(qū)擴大到一定程度，邊坡便會發(fā)生破壞。

1.2邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

露天礦山邊坡經(jīng)常受到自身巖體結(jié)構(gòu)、人類工程活動、自然力作用等因素影響而發(fā)生失穩(wěn)，主要有以下四個方面。

1.2.1 巖性特征及巖體結(jié)構(gòu)

巖性特征：巖體自重、孔隙度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強度和抗壓強度等物理力學特性都會影響到邊坡的穩(wěn)定，而抗剪強度的大小則直接決定邊坡是否發(fā)生滑動。一般情況下，巖體本身的抗剪強度越高越有助于邊坡的穩(wěn)定。

巖體結(jié)構(gòu)：巖體自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會影響到邊坡的穩(wěn)定。邊坡的滑動通常沿著巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面發(fā)生，當坡向與結(jié)構(gòu)面交線的傾角一致時，便會發(fā)生滑動；巖體結(jié)構(gòu)面中的黏粒含量越少、粗碎屑含量越多、表面顆粒間越粗糙、泥質(zhì)充填物越薄，則邊坡穩(wěn)定性越好。

1.2.2 人類工程活動作用

爆破震動荷載：露天礦山爆破期間，邊坡巖體應(yīng)力場會受到爆破震動荷載的作用，當應(yīng)力集中區(qū)擴大到一定程度，邊坡便會發(fā)生破壞。爆破震動對邊坡的破壞由巖體振動速度大小決定，主要涉及巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件、爆破炸藥量、爆破中心至邊坡的距離等因素。巖體振動速度v的大小為：

式中：Q為炸藥量／t；R為爆破中心至邊坡的距離／m；K為爆破系數(shù)；α為衰減系數(shù)。

附加荷載：人為在坡頂堆積設(shè)備、廢石產(chǎn)生的自重荷載；鉆車、挖掘機等大型設(shè)備本身的自重及作業(yè)產(chǎn)生的震動荷載等附加荷載都會影響到邊坡的穩(wěn)定。

開采順序和推進方向：開采順序和推進方向也會影響到邊坡的整體性和穩(wěn)定性［2］。實際生產(chǎn)中，如果采用的開采順序不合理，或在邊坡底部進行掏采，產(chǎn)生的浮石、傘檐和空洞，將嚴重影響到邊坡的穩(wěn)定。

1.2.3 地表水及地下水作用

地表水作用：地表水的影響主要體現(xiàn)在對邊坡巖體的侵蝕，特別是在降雨季節(jié)和冰雪解凍期，雨雪通過坡頂或坡面的張裂隙滲入邊坡巖體。一方面，裂隙充水產(chǎn)生水平推力使巖體失去約束；另一方面，裂隙充水造成邊坡巖體軟化，從而降低了巖體的強度和摩擦力，引起邊坡失穩(wěn)。

地下水作用：地下水的影響主要體現(xiàn)在潛在破壞面抗剪強度的降低。地下水通過與巖體的物理力學作用和化學作用等，降低了巖體的抗剪強度，引起邊坡破壞。

1.2.4 構(gòu)造力、風化及植被作用

構(gòu)造力作用：構(gòu)造力主要為地質(zhì)構(gòu)造運動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，表現(xiàn)為觸發(fā)效應(yīng)和累積效應(yīng)兩個方面。前者因振動使邊坡中的軟弱層觸變液化，引發(fā)臨界狀態(tài)下的邊坡瞬間失穩(wěn)［3］；后者則引起邊坡巖體結(jié)構(gòu)的松動變形、破裂面擴大和孔隙水壓力累積上升等，使邊坡發(fā)生破壞。

巖體的風化及植被作用：風化作用主要由溫濕度變化、降雨、積雪和蝕變等因素引起，會擴大巖體原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的范圍，增加巖體裂隙。一方面，風化作用使邊坡形成地表水易于侵入的形狀；另一方面，沿裂隙風化時，會使巖體脫落或沿裂隙崩塌、滑移。植被作用會根據(jù)邊坡類型的不同產(chǎn)生完全相反的作用。對于土質(zhì)邊坡，植被根系可吸收地下水保持邊坡的干燥，并固結(jié)土壤，從而增強穩(wěn)定性；而對于巖質(zhì)邊坡，生長在裂隙中的根系則會使裂隙擴大，導致邊坡崩塌。

2 邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法

露天開采邊坡穩(wěn)定性分析的目的是在確保安全的前提下，提出剝離量小、采礦量大、邊坡維護費用低的設(shè)計方案［4］。通過合理確定邊坡角，在安全條件下，增加剝采比，提高礦山經(jīng)濟效益。經(jīng)分析，主要有以下3種方法。

2.1極限平衡法

極限平衡法是將滑動范圍內(nèi)的巖土體按規(guī)則劃分為小塊體，通過分析塊體的受力平衡條件來構(gòu)建平衡方程，以安全系數(shù)表示其穩(wěn)定程度。

對于直線型滑動，安全系數(shù)定義為抗滑力與下滑力之比；對于曲線型滑動，安全系數(shù)則為抗滑力矩與下滑力矩之比［3］。其評判標準為：安全系數(shù)大于1時呈穩(wěn)定狀態(tài)；等于1時處于臨界狀態(tài)；小于1時為失穩(wěn)狀態(tài)。

瑞典條分法是極限平衡法中常用的一種方法。該法首先假定滑動面為圓弧面，且忽略條塊間的作用力對邊坡的影響。如圖1所示，對條塊進行分析，滑弧面上的極限平衡條件滿足下式：式中：Tfi為條塊i在滑動面上的抗剪強度／MPa；Fs為滑動圓弧的安全系數(shù)。

對所有條塊均進行如上分析，則得出邊坡的安全系數(shù)公式：

式中：ci為巖體的內(nèi)聚力／MPa；li為條塊的弧長／m；Wi為條塊的重量／kg；θi為角度／（°）。θi如圖1所示。

圖1 瑞典條分法圖

由于邊坡結(jié)構(gòu)常常比較復雜、影響因素多種多樣，常有安全系數(shù)大于1發(fā)生破壞，而小于1反而穩(wěn)定的矛盾現(xiàn)象。因此，極限平衡法還需要進一步的發(fā)展和完善。

2.2基于FLAC3D強度折減的有限差分法

FLAC3D強度折減法是一種新起的針對性比較強的分析方法，通過折減巖土體抗剪強度參數(shù)，代入有限差分軟件一直計算到不收斂為止，使邊坡處于破壞狀態(tài)而得到滑動破壞面。這種方法不需事先假定滑移面的形式和位置，可直接得到安全系數(shù)，并判斷邊坡是否處于安全狀態(tài)和可能發(fā)生滑坡的區(qū)域。

根據(jù)圖2所示的網(wǎng)格剖分圖［5］，以A為例進行點的應(yīng)力分析，假設(shè)巖體抗剪強度以折減系數(shù)Fs進行折減，當逐漸增加折減系數(shù)，巖體的抗剪強度會逐漸降低，邊坡的塑性區(qū)范圍會逐漸擴大，當折減系數(shù)增加到一定程度時，塑性區(qū)形成連通區(qū)域，則認為邊坡已發(fā)生破壞。此時的強度折減系數(shù)即為邊坡的整體安全系數(shù)，滑裂面的位置可根據(jù)位移等值線和剪應(yīng)力等值線的疏密程度以及塑形區(qū)的范圍來確定。

圖2 網(wǎng)格剖分圖

2.3基于強度折減的有限元法

有限元法是將巖土體分割成不同大小和種類的小區(qū)域，然后分析每一個單元的受力情況，再組合成整個系統(tǒng)并構(gòu)成系統(tǒng)方程組，然后求解。這種方法主要依據(jù)彈塑性理論，得出完整的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，再折減所有單元的強度指標直至失去平衡，以此來評價邊坡的穩(wěn)定。該方法具有如下優(yōu)點：

1.可分析任何形狀的結(jié)構(gòu)體，對于幾何條件、荷載條件和材料分區(qū)較為復雜的問題，也能夠解決。

2.理論體系更為嚴密，除線性分析外，還可進行非線性分析，并考慮邊坡內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變問題，滿足變形協(xié)調(diào)條件。

3.無需預(yù)先假定滑裂面的位置和形狀，就可自動找出潛在滑裂面并計算安全系數(shù)。

4.可根據(jù)塑性區(qū)的擴展調(diào)整荷載分布。

3 露天礦山邊坡滑動災(zāi)害的防治措施

1.加強對邊坡區(qū)域的地質(zhì)勘查。掌握巖體特征、巖體結(jié)構(gòu)面分布、邊坡滑落情況和水文地質(zhì)情況等信息，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的復雜程度，建立相關(guān)管理與運作制度，進行評級管理。

2.查明地下水源。根據(jù)地下水源位置，采取疏干降壓、注漿堵水、挖溝排（截）洪、整治河道等措施，減小地表水及地下水對邊坡穩(wěn)定的影響。

3.對邊坡進行監(jiān)測。建立邊坡狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過微震監(jiān)測技術(shù)、AE聲發(fā)射技術(shù)進行監(jiān)測，了解軟弱結(jié)構(gòu)面的變形規(guī)律與破壞類型，并及時采取有效治理手段。

4.采用削坡減壓、減重壓腳等邊坡治理措施。嚴重滑坡地段可采用擋墻、抗滑樁、錨桿（索）及注漿等方式對邊坡進行加固，抑制滑坡體的進一步發(fā)展。

5.合理確定臺階要素。按照設(shè)計要求確定臺階高度、最小平臺寬度、臺階坡面角、開采順序和推進方向等要素，確保開采的安全性與合理性。

6.合理選擇爆破方法。嚴格按照規(guī)程要求進行規(guī)劃和設(shè)計，禁止“掏采”現(xiàn)象發(fā)生，并避免一次性大藥量爆破，盡量采用預(yù)裂爆破、光面爆破、減震爆破和控制爆破等爆破技術(shù)，減少震動對邊坡的影響。

7.加強檢查。經(jīng)常對邊坡進行檢查，及時處理邊坡浮石、傘檐，在每年汛期及春融季節(jié)，要增加檢查次數(shù)。

8.加強管理、重視制度。建立健全安全管理機構(gòu)；建立邊坡檢查制度，制定可靠的邊坡防護措施；定期對從業(yè)人員進行安全培訓，提高員工安全意識。

4 結(jié) 論

1.邊坡發(fā)生失穩(wěn)實質(zhì)是內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。內(nèi)因主要是邊坡自身的巖性特征及巖體結(jié)構(gòu)等因素；而外因則包括人類工程活動、地表水及地下水作用、構(gòu)造力、風化及植被作用等。

2.邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有3種：極限平衡法、基于FLAC3D強度折減的有限差分法和基于強度折減的有限元法。

3.通過加強地質(zhì)勘查、做好安全監(jiān)測、合理確定臺階要素、合理選擇爆破方法、削坡減壓、減重壓腳、加強邊坡檢查與管理等措施可以避免邊坡災(zāi)害的發(fā)生。

［1］ 張飛，黃堃，劉德峰.FLAC～（3D）強度折減法在露天煤礦安全評價中的運用［J］.露天采礦技術(shù)，2014，（3）：21－23，27.

［2］ 于庭安，戴興國.露天礦邊坡穩(wěn)定性的安全因素分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35（1）：73－76.

［3］ 張麗，黃英，任磊，等.邊坡穩(wěn)定影響因素及穩(wěn)定分析方法探討［J］.云南水力發(fā)電，2007，23（4）：22－26.

［4］ 劉樹杰，徐貴娃，王勇，等.安太堡露天煤礦儲煤場破碎站滑坡分析及治理設(shè)計［J］.露天采礦技術(shù)，2010，（5）：65－68.

［5］ 李全明，付士根，王云海.露天開采邊坡穩(wěn)定性分析方法及災(zāi)害防治措施研究［J］.中國安全科學學報，2007，17（2）：55－60.

Research of Influence Factors and Analysis M ethod about Slope Stability in Open Pit M ine

YUEMing
（HenanJiantaiChemicalEngineeringDesignCo.，Ltd，Sanmenxia472000，China）

Analysis from two aspects of home and abroad about the influence factors of open-pitmine slope stability，it summered up the limitequilibrium method，finite difference based on FLAC3Dstrength reductionmethod，based on strength reduction finite element method to analyze three methods of slope stability，and put forward to strengthen geological exploration，good safetymonitoring and reasonable controlmeasures to determine the level factor and the selection of blasting method，slope cutting pressure and weight loss pressure foot，strengthen inspection and management of slope slope sliding disaster.The research results have certain guiding significance for the safe production and prevention and control of slope instability in open pitmine.

open pitmine；influence factor；slope stability analysismethod；sliding disaster prevention measures

TD854＋.6

：A

：1003－5540（2016）06－0006－03

2016－11－28

岳 明（1989－），男，助理工程師，主要從事采礦設(shè)計及安全評價工作。