李文新 ，劉艷紅，蔣京名 ，郭朝陽(yáng)

(1.湖南有色環(huán)保研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.華楚智能科技（湖南）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

根據(jù)2017 年《全國(guó)非煤礦山生產(chǎn)安全事故統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告》[1]，全國(guó)金屬非金屬礦山共發(fā)生事故407 起，其中露天礦山事故106 起、死亡113 人，邊坡垮塌事故28 起，占總數(shù)的6.9%，事故頻率僅次于地下礦山的冒頂坍塌事故（125 起）。我國(guó)非煤露天礦山存在的主要危險(xiǎn)有害因素是滑坡、坍塌。

露天礦山在開(kāi)采礦產(chǎn)資源時(shí)，一般采用自上而下分臺(tái)階開(kāi)采[2]，開(kāi)采結(jié)束后會(huì)形成高邊坡，如果臺(tái)階坡面角設(shè)置過(guò)陡，或者安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)寬度設(shè)置不滿足規(guī)范要求，形成的最終邊坡角過(guò)大，容易導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)，發(fā)生滑坡、坍塌等事故[3]，危及礦山作業(yè)人員安全，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成損毀，制約企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

露天礦山巖質(zhì)邊坡根據(jù)巖體種類分為5 類：散體狀結(jié)構(gòu)（強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化）、碎裂狀結(jié)構(gòu)（構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎巖層）、層狀結(jié)構(gòu)（薄、中厚層狀沉積巖）、塊狀結(jié)構(gòu)（厚層狀沉積巖，塊狀巖漿巖和變質(zhì)巖）、整體狀結(jié)構(gòu)（塊狀巖漿巖和變質(zhì)巖，巨厚層沉積巖）[5]。

由于巖體結(jié)構(gòu)面的影響，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性判斷起來(lái)較為困難。選取較難判斷的碎裂狀、層狀、塊狀3 類（不考慮散體狀、整體狀巖石邊坡）巖質(zhì)邊坡，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。并結(jié)合4 個(gè)露天礦山實(shí)例，采用畢肖普法和薩爾瑪法計(jì)算其邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，得出計(jì)算結(jié)果，從而為露天礦山邊坡治理對(duì)策措施的制定提供依據(jù)。

1 計(jì)算方法介紹

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）[6]，碎裂狀巖體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法[7]，層狀及塊狀巖體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用薩爾瑪法[8]。

1.1 簡(jiǎn)化畢肖普法

畢肖普法是基于極限平衡原理，考慮了條塊間相互作用力的一種圓弧滑動(dòng)分析法。其將滑裂條塊當(dāng)作剛體繞圓心旋轉(zhuǎn)，并分條計(jì)算其滑動(dòng)力與抗滑力，最后求出穩(wěn)定安全系數(shù)，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 畢肖普法計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.2 薩爾瑪法

薩爾瑪法是基于極限平衡原理而發(fā)展起來(lái)的，廣泛用于露天礦邊坡穩(wěn)定性分析的一種方法，其可用來(lái)確定各種形狀滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性，能夠根據(jù)巖體中實(shí)際存在的斷層、節(jié)理和層面等結(jié)構(gòu)面劃分條塊，使計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際。其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 薩爾瑪法計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中，為分塊底面的黏結(jié)力，kPa；為分塊側(cè)面的黏結(jié)力，kPa；為分塊底面的內(nèi)摩擦角，（°）；為分塊側(cè)面的內(nèi)摩擦角，（°）；di為分塊側(cè)面長(zhǎng)度，m；li為分塊滑面長(zhǎng)度，m；αi為滑面與水平面的夾角，（°）；δi、δi+1為分塊側(cè)面與垂直方向的夾角，（°）。

2 露天礦山邊坡實(shí)例

選取4 個(gè)露天礦山的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，其第四系覆蓋層已超前剝離或者巖體基本裸露，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)不考慮第四系覆蓋層的影響。

（1）BP1 碎裂狀巖體（湖南某多金屬礦東南側(cè)邊坡測(cè)水組砂頁(yè)巖）。中風(fēng)化巖體，巖塊密度為2.39～2.54 g/cm3，飽和極限抗壓強(qiáng)度為3.5～73.6 MPa，軟化系數(shù)為0.51～0.77，內(nèi)摩擦角為41°06′～45°52′，凝聚力為0.63～5.32 MPa；受水浸泡后內(nèi)摩擦角約為6°，內(nèi)聚力32 kPa。

（2）BP2 碎裂狀巖體（湖南某多金屬礦東北側(cè)邊坡灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r）。節(jié)理、劈理非常發(fā)育，主要有3 組，第一組最為發(fā)育，傾向?yàn)?10°～20°，傾角為60°～75°，密集帶達(dá)40 條/m；第二組不甚發(fā)育，為170°～190°∠80°，密集帶達(dá)3～5 條/m；第三組層間裂隙發(fā)育弱，280°∠26°，密集帶達(dá)2～3 條/m。巖塊密度為2.68～2.71 g/cm3，飽和極限抗壓強(qiáng)度是33.4～55.9 MPa，軟化系數(shù)0.63～0.72，內(nèi)摩擦角38°22′～41°25′，凝聚力3.79～5.71 MPa，巖石質(zhì)量系數(shù)為0.726～0.907。

（3）BP3 層狀結(jié)構(gòu)（云浮某水泥用石灰?guī)r礦灰、灰黑色微?；?guī)r、粉砂質(zhì)灰?guī)r）。巖塊平均抗壓強(qiáng)度68.5 MPa，石灰?guī)r密度27 kN/m3，巖體結(jié)構(gòu)面黏聚力0.15～0.23 MPa，內(nèi)摩擦角33°～41°。

（4）BP4 塊狀結(jié)構(gòu)（廣東高州某片麻巖礦黑云母斜長(zhǎng)片麻巖）。礦體賦存于+295.0～130.0 m 標(biāo)高。礦石為中粒黑云斜長(zhǎng)片麻巖，以層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀為350°∠65°，顏色呈淺灰色至灰黑色，部分深灰色。

巖塊抗壓強(qiáng)度為110.3 MPa；抗折強(qiáng)度為21.5 MPa；天然密度為2.65 g/cm3；普氏硬度為6.5，巖體結(jié)構(gòu)面黏聚力為0.18～0.27 MPa，內(nèi)摩擦角為39°～47°。

3 穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 條件設(shè)定

（1）選取的4 個(gè)礦山的最大開(kāi)采深度均大于100 m，為方便對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本次計(jì)算設(shè)定臺(tái)階高度為100 m。

（2）穩(wěn)定性計(jì)算中，不考慮各平臺(tái)設(shè)置，只考慮最終邊坡角。

（3）穩(wěn)定性計(jì)算考慮3 種荷載：荷載I，現(xiàn)狀工況（不考慮地下水）；荷載II，荷載I+降雨；荷載III，荷載I+7 級(jí)地震。

3.2 計(jì)算參數(shù)

碎裂狀巖體（簡(jiǎn)化畢肖普法）內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）[6]，通過(guò)巖體質(zhì)量指標(biāo)（RMR）、巖石地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）、完整巖石常數(shù)（mi），巖塊單軸抗壓強(qiáng)度（σc）等計(jì)算確定（見(jiàn)表1）。

表1 簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算參數(shù)

層狀巖體及塊狀巖體（薩爾瑪法）結(jié)構(gòu)面內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角參考《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）[6]，并根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度選?。ㄒ?jiàn)表2）。

表2 薩爾瑪法計(jì)算參數(shù)

3.3 安全系數(shù)計(jì)算

采用理正巖土軟件進(jìn)行計(jì)算。首先建立4 類巖質(zhì)邊坡的工程地質(zhì)模型，再分別考慮不同邊坡角條件下，降雨影響和地震影響下4 類巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，各邊坡參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 各礦山臺(tái)階參數(shù)

表4 臺(tái)階邊坡角與最終邊坡角對(duì)照

當(dāng)臺(tái)階邊坡角為60°時(shí)，碎裂狀BP1 的安全系數(shù)已接近于1，故不再對(duì)邊坡角大于60°的情況進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)臺(tái)階邊坡角為50°時(shí)，碎裂狀BP2、層狀BP3、塊狀BP4 安全系數(shù)值均較大，說(shuō)明小于該值安全系數(shù)更大，故不再對(duì)邊坡角小于50°的情況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.4 計(jì)算結(jié)果

由表5 繪制各邊坡安全系數(shù)變化曲線，如圖3至圖6 所示。由表5、圖3 至圖6 可得到如下結(jié)論。

表5 不同臺(tái)階邊坡角下的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

（1）碎裂狀結(jié)構(gòu)BP1 在荷載II 下穩(wěn)定性安全系數(shù)小于1。湖南某多金屬礦現(xiàn)狀臺(tái)階邊坡角45°，最終邊坡角33°，由圖3 可知，碎裂狀BP1 受雨水影響嚴(yán)重，遇降雨邊坡易發(fā)生局部滑坡，與該礦現(xiàn)場(chǎng)邊坡經(jīng)常發(fā)生小規(guī)?；孪喾?。

圖3 碎裂狀BP1 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（2）碎裂狀結(jié)構(gòu)BP2 在荷載II 下，當(dāng)最終邊坡角大于52°時(shí)，穩(wěn)定性安全系數(shù)降低至小于1。

湖南某多金屬礦現(xiàn)狀臺(tái)階邊坡角65°，最終邊坡角47.8°，由圖4 可知，碎裂狀巖體BP2 受降雨影響較大，這是因?yàn)橛晁M(jìn)入巖質(zhì)邊坡裂隙，增加了潛在滑動(dòng)面水壓力，降低了邊坡整體C、φ值。

圖4 碎裂狀BP2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（3）層狀結(jié)構(gòu)BP3 邊坡穩(wěn)定性較好。云浮某水泥用石灰?guī)r礦現(xiàn)狀臺(tái)階邊坡角為70°，最終邊坡角為54.1°，由圖5 可知，層狀巖體BP3 穩(wěn)定性較好，在長(zhǎng)時(shí)間暴露及降雨情況下，邊坡仍能保持穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

圖5 層狀BP3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（4）塊狀結(jié)構(gòu)BP4 穩(wěn)定性較好。廣東高州某片麻巖礦現(xiàn)狀臺(tái)階邊坡角為70°，最終邊坡角為54.1°，由圖6 可知，塊狀巖體BP4 穩(wěn)定性較好，在長(zhǎng)時(shí)間暴露及降雨情況下，邊坡仍能保持穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

圖6 塊狀BP4 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

綜上分析，可分析得出以下結(jié)論：

（1）邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨著最終邊坡角的增大逐漸降低；

（2）碎裂結(jié)構(gòu)巖石邊坡在降雨工況（荷載II）下邊坡會(huì)失穩(wěn)，發(fā)生滑坡；

（3）降雨（荷載II）對(duì)碎裂結(jié)構(gòu)巖石邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)影響較大；

（4）降雨（荷載II）對(duì)層狀和塊狀巖石邊坡影響較??；

（5）地震（荷載III）對(duì)各類巖石邊坡穩(wěn)定性具有一定的影響。

4 邊坡治理對(duì)策措施

依據(jù)各類邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，可針對(duì)性地編制露天邊坡治理對(duì)策措施，主要從最終邊坡角、降雨兩方面著手。

（1）適當(dāng)減緩最終邊坡角，具體措施包括：減小臺(tái)階邊坡角，增大安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)寬度；在最終邊坡坡腳處設(shè)置防滑擋墻；靠近最終邊坡采用控制爆破技術(shù)，層狀及塊狀巖石邊坡采用預(yù)裂爆破和微差爆破，散體巖石邊坡采用光面爆破及微差爆破。

（2）對(duì)于碎裂狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡，尤其防范雨水對(duì)邊坡的影響，具體措施如下：露天礦山封閉圈外設(shè)置截水溝，各臺(tái)階平臺(tái)設(shè)置排水溝，降低雨水對(duì)邊坡的影響；加強(qiáng)巖石邊坡內(nèi)地下水的疏干[9]，降低巖體內(nèi)潛在滑動(dòng)面上水壓力；碎裂或易風(fēng)化邊坡采用掛網(wǎng)噴漿[10]支護(hù)，既防止了雨水滲入，又有一定防止邊坡風(fēng)化的作用；設(shè)置邊坡內(nèi)部和表面位移監(jiān)測(cè)設(shè)施。

此外，應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中的邊坡安全管理，及時(shí)清理不穩(wěn)定巖體、浮石等，并將邊坡發(fā)生滑坡可能影響范圍設(shè)置為危險(xiǎn)區(qū)域，張貼警示標(biāo)志，禁止人員及設(shè)備靠近。

5 結(jié)論

基于畢肖普法、薩爾瑪法分別計(jì)算了4 個(gè)礦山3 類巖質(zhì)邊坡在不同邊坡角下，分別在正常、降雨、地震等不同工況條件下的穩(wěn)定性安全系數(shù)，結(jié)論如下：

（1）最終邊坡角越大，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)越?。?/p>

（2）降雨對(duì)層狀和塊狀巖石邊坡穩(wěn)定性影響小，對(duì)碎裂結(jié)構(gòu)巖石邊坡穩(wěn)定性影響較大。

（3）地震對(duì)各類巖石邊坡穩(wěn)定性具有一定影響，但影響不明顯。

依據(jù)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果，針對(duì)性地提出了降低邊坡角、防降雨、加強(qiáng)邊坡安全管理等邊坡治理對(duì)策措施。