童志鵬，李栓柱，呂林洪

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

平壩山石灰?guī)r礦山為1座在建露天礦山，該石灰?guī)r露天礦每年生產(chǎn)規(guī)模100萬 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。平壩山石灰?guī)r礦露天礦為山坡露天—凹陷露天開采，采場(chǎng)形成的最終邊坡絕大部分為巖質(zhì)邊坡。該露天礦采場(chǎng)邊坡分別由西幫、南幫、北幫和東幫邊坡構(gòu)成，其中西幫邊坡為近似順層邊坡，穩(wěn)定性條件較差；南幫和北幫邊坡為切向邊坡，東幫邊坡為逆向邊坡，切向邊坡和逆向邊坡穩(wěn)定性條件好。平壩山石灰?guī)r礦開采形成的最終邊坡最大標(biāo)高為1 315 m，最大標(biāo)高點(diǎn)位于礦區(qū)西北邊界上，露天坑底最終標(biāo)高1 125 m，最終邊坡高差為190 m，即邊坡最大高度為190 m；其中1 215 m平臺(tái)標(biāo)高以上已綠化復(fù)墾，除去綠化復(fù)墾高度，今后露天采場(chǎng)裸露的邊坡最大高度為90 m；生成的三維立體露天開采終了境界模型詳見圖1。

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。該文通過FLAC2D有限差分法數(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)地層特征

礦區(qū)位于開遠(yuǎn)盆地西南邊緣谷坡地帶，地形西高東低，高程1 140～1 355 m，相對(duì)高差215 m，為構(gòu)造侵蝕、溶蝕低中山緩坡地貌。

礦區(qū)內(nèi)出露地層比較穩(wěn)定且簡單，由老至新主要分布的地層有三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組上段(T2g2)、三疊系中統(tǒng)法郎組上—下段(T2f1～T2f3)、三疊系上統(tǒng)鳥格組(T3n)、第四系殘坡積(QedL)及人工堆積(Qs)。

圖1 三維立體露天開采終了境界模型(露天坑底640 m)Fig.1 Three-dimensional ultimate limit model of the open pit mining

1.1 三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組上段(T2g2)

礦層賦存于中三疊統(tǒng)個(gè)舊組上段(T2g2)，為區(qū)內(nèi)出露的主要地層，巖性為灰—深灰色，黃灰色致密狀、角礫狀、條帶狀、薄層狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、頁巖。該段為礦區(qū)石灰?guī)r礦的賦存層位，根據(jù)云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院2018年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山礦區(qū)水泥原料用石灰?guī)r泥灰?guī)r砂巖礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組上段(T2g2)由下至上細(xì)分為9層，其劃分原則是：層位基本穩(wěn)定、巖性差異明顯、野外識(shí)別方便?，F(xiàn)分述如下：

T2g2-1：深灰色灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r夾黃灰色鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r，厚度>150.00 m。

T2g2-2：分布于礦區(qū)西部。巖性為黃灰色條帶狀灰?guī)r，灰黃色頁巖、鈣質(zhì)頁巖，其中常見眼球狀泥灰?guī)r礫石。該層出露位置較高，且?guī)r性與其他層位差異較大，在工程控制范圍內(nèi)可作為1個(gè)標(biāo)志層，厚度0～20 m。是該礦區(qū)頁巖礦的主要含礦層位，也是礦體最終開采邊坡的主要構(gòu)成部分。

T2g2-3：深灰色角礫狀灰?guī)r夾黃灰、灰黑色薄層條帶狀灰?guī)r、泥灰?guī)r透鏡體，厚度17.70～70.00 m。

T2g2-4：淺灰—深灰色夾灰白色灰?guī)r，局部夾條帶狀灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r透鏡體，厚度32.00～119 m。

T2g2-5：灰—黃灰色條帶狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r，灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖，厚度4.00～33.00 m。

T2g2-6：淺灰—深灰色條帶狀灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，局部夾泥灰?guī)r，厚度7.5～41 m。

T2g2-7：黃灰色泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖、頁巖夾條帶狀灰?guī)r，厚度3.5～46.95 m。

T2g2-8：深灰色灰?guī)r，局部夾條帶狀灰?guī)r，厚度17.5～48.50 m。

T2g2-9：淺灰、褐灰、黃灰色泥灰?guī)r、薄層灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖，厚度>150.00 m。

其中，1、2層(T2g2-1、T2g2-2)為底板；3～8層(T2g2-3、T2g2-4、T2g2-5、T2g2-6、T2g2-7、T2g2-8)為礦層；9層(T2g2-9)為頂板。

1.2 第四系殘坡積(QedL)、人工堆積(Qs)

主要分布于礦區(qū)東部山腳低緩平坦處及西部山頂，礦體間接底板(T2g2-1)之上亦有較大面積的分布。巖性為褐紅色粘土，具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，松散土狀構(gòu)造，偶含灰?guī)r礫石，地表常含植物根莖。厚度0～10 m。第四系人工堆積(Qs)：分布于礦床各開采平臺(tái)以及剝離物堆放處，系礦山開采過程中產(chǎn)生的各種灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖等碎塊及粘土混雜堆積。厚度0～2 m。

上述各層經(jīng)工程揭露，均為整合接觸，其接觸界線較清楚，各層巖性差別較大，肉眼即可分辨，因地層傾向與坡向一致，加之廠方多年的開采，地形破壞嚴(yán)重，致使各細(xì)層地表出露形態(tài)極不規(guī)則，平面上呈時(shí)寬時(shí)窄的“香腸”狀、條帶狀。

2 礦體及圍巖穩(wěn)固性評(píng)價(jià)

第四系人工堆積(Qs)，系采礦剝離形成的巖石碎屑、碎石、塊石松散堆積層(體)和殘坡積(Qedl)粘土層。Qs分布局限，順坡堆積，在季節(jié)性地表水流侵蝕作用下，易坍塌，不構(gòu)成露采礦坑最終邊坡；Qedl于東部低凹平緩地段廣泛分布，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，干燥易碎，浸水具可塑性，構(gòu)成局部露采礦坑最終邊坡(⑥坡)頂部坡體，厚度≤3 m，對(duì)邊坡穩(wěn)定影響不大，可不予考慮。

礦區(qū)邊坡層理結(jié)構(gòu)面總體呈向北東傾的單斜層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定。礦體傾角在靠近底板處較陡(35°～42°)，局部達(dá)64°，順傾向延伸100 m后傾角變緩(20°～35°)，之后又變陡，總體產(chǎn)狀60°～80°(傾向)，<19°～36°(傾角)；局部地段產(chǎn)狀變化較大，并伴有皺曲現(xiàn)象。

礦層為T2g2-3-T2g2-8，巖性主要為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖等，該礦層巖體是將來礦床開采構(gòu)成切向邊坡和逆向邊坡的主要巖體。該層邊坡巖體巖溶不發(fā)育，邊坡巖層分布著大量層理結(jié)構(gòu)面，其邊坡穩(wěn)定性由層理結(jié)構(gòu)面控制。巖石致密，微風(fēng)化，力學(xué)強(qiáng)度較高，巖石堅(jiān)硬；巖體層理結(jié)構(gòu)面閉合比較緊密，結(jié)構(gòu)面較粗糙，層間裂隙發(fā)育一般，巖體完整性一般，屬于巖體中等完整，巖體中等穩(wěn)固。

頂板為T2g2-9，巖性為泥灰?guī)r、灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖。該層中的泥灰?guī)r巖體部分構(gòu)成逆向邊坡的坡頂。

T2g2-2為直接底板，巖性為條帶狀灰?guī)r、頁巖、鈣質(zhì)頁巖互層，頁巖、鈣質(zhì)頁巖多呈透鏡狀順層產(chǎn)出，為軟弱夾層。由于該層有2～3個(gè)軟弱夾層，整體穩(wěn)固性較差，將來作為順層邊坡，勢(shì)必存在較大的安全隱患。因此建議將該層不作為順層大面積暴露的最終邊坡巖體，在礦床實(shí)際開采過程，應(yīng)給予足夠重視。

T2g2-1為間接底板，巖性為灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖。將來T2g2-2剝離后，由該層的可溶鹽巖體構(gòu)成順層最終邊坡，巖層單層厚度0.3～0.8 m，平均0.5 m。邊坡形成后，坡頂及附近無軟弱夾層。該層巖石致密，未風(fēng)化，力學(xué)強(qiáng)度高，巖石堅(jiān)硬；巖體完整性較好，層間裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面閉合緊密，結(jié)構(gòu)面很粗糙，屬于穩(wěn)固的巖體。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)調(diào)查來看，該露天礦最終形成的邊坡性質(zhì)總體為西部為順層邊坡、北部及南部為切向邊坡，東部為逆向邊坡。最終順層邊坡頂部地層巖組為直接底板(T2g2-2)構(gòu)成，厚度不穩(wěn)定，空間分布連續(xù)性差。

總之，建議順層最終邊坡應(yīng)設(shè)置在T2g2-1巖體或T2g2-3～T2g2-8巖體上，不應(yīng)設(shè)置在T2g2-2層，以防可能出現(xiàn)的滑移。

3 邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊(duì)2000年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山石灰?guī)r礦勘探報(bào)告》和云南地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院2018年8月提交的《云南省開遠(yuǎn)市平壩山礦區(qū)水泥原料用石灰?guī)r泥灰?guī)r砂巖礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》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)74.1 MPa，巖石平均抗拉強(qiáng)度4.64 MPa；巖石抗剪強(qiáng)度天然狀態(tài)內(nèi)聚力7～10 MPa，平均8 MPa；內(nèi)摩擦角40.61°～43.63°，平均42.12°。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=7，屬于較堅(jiān)硬類型，堅(jiān)固等級(jí)處于Ⅳ級(jí)。

根據(jù)鉆孔巖芯工程地質(zhì)編錄、統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)面間距1～95 cm，平均16 cm。鉆孔巖芯采取率高，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD值)44.3 %～65.1 %，平均55.5 %，巖石質(zhì)量中等，巖體中等完整。

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，所得邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Tab.1 Physical-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，依據(jù)上述邊坡穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，平壩山石灰?guī)r露天礦采場(chǎng)設(shè)計(jì)終了邊坡最大高度為190 m，若除去綠化復(fù)墾高度，今后露天采場(chǎng)裸露的邊坡最大高度為90 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。

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，不同位置的剖面圖模型詳見圖2-7。并采用數(shù)值分析法分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)終了采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算分析。

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

圖3 B-B開挖形態(tài)剖面圖Fig.3 B-B profile of excavation

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

圖5 E-E開挖形態(tài)剖面圖Fig.5 E-E profile of excavation

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

圖7 K-K開挖形態(tài)剖面圖Fig.7 K-K profile of excavation

6 露采終了境界邊坡穩(wěn)定性分析

平壩山石灰?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。充分考慮礦山現(xiàn)狀西幫邊坡1 215平臺(tái)以上臺(tái)階已經(jīng)復(fù)墾的開采現(xiàn)狀情況，按確定的采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)，圈定了華新水泥(紅河)有限公司平壩山石灰石礦露天開采終了境界，終了境界邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：臺(tái)階高度15 m(由現(xiàn)場(chǎng)挖掘設(shè)備確定)，臺(tái)階坡面角60°，安全平臺(tái)寬度6 m，清掃平臺(tái)寬度8 m(每隔2個(gè)臺(tái)階設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái))，最終控制邊坡角控制在46.5°以內(nèi)，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，臺(tái)階坡面角及平臺(tái)寬度可在保證邊坡安全穩(wěn)定的條件下靈活進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)計(jì)終了境界平面圖及剖面圖位置詳見圖8。并采用數(shù)值分析法分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)終了采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算分析。

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)，最終的FS值會(huì)顯示出來。

6.1 基于強(qiáng)度折減法FLAC2D邊坡穩(wěn)定性分析

FLAC2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)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。該次采用強(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2。

圖8 設(shè)計(jì)終了境界平面圖及剖面位置圖Fig.8 Plan and location profile of designed ultimate limit

表2 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.2 Calculation result of slope safety factors of designed ultimate limit

圖9-14是根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出的露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動(dòng)面位置圖。

6.2 計(jì)算結(jié)果分析

從表2和計(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均大于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)。

圖9 A-A剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.9 Potential sliding surface diagram of A-A profile

圖10 B-B剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.10 Potential sliding surface diagram of B-B profile

圖11 D-D剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.11 Potential sliding surface diagram of D-D profile

圖12 E-E剖面潛在滑動(dòng)面分布云圖Fig.12 Potential sliding surface diagram of E-E profile

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

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

(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均大于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)均大于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) 語

通過采用FLAC2D強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬分析對(duì)平壩山石灰?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)，說明設(shè)計(jì)確定的邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)比較合理，安全有一定的保障。同時(shí)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，而非局部邊坡滑動(dòng)面。

(2)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。

(3)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。