霍丹丹 楊剛 楊志彬 張洪宇 徐成巖 于世杰

（河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司）

隨著露天礦山不斷日常開采，爆破擾動(dòng)、雨水沖刷、構(gòu)造應(yīng)力等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響日益凸顯［1］，邊坡穩(wěn)定性不僅是決定露天采場(chǎng)能否安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，也會(huì)對(duì)確定露天礦坡面角、礦山生產(chǎn)規(guī)模、剝采比及最終開采境界等具有重要影響［2-3］。研究表明，在保證邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)下，適當(dāng)提高邊坡角度可以為礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于大型凹陷露天礦而言，即使邊坡角度只提高1°，也可節(jié)省千萬元級(jí)別的剝巖費(fèi)用［4-5］，甚至還可以回收一些因上部坡面角較緩而無法開采的掛邊礦。因此，分析研究露天礦邊坡穩(wěn)定性對(duì)后期優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 工程概況

河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦是典型的沉積變質(zhì)型鐵礦，原設(shè)計(jì)年產(chǎn)礦石為2 100 萬t，年剝巖量達(dá)7 200 萬t，是國(guó)內(nèi)特大型凹陷露天鐵礦，也是河鋼集團(tuán)的主力礦山。礦區(qū)出露地層以前震旦系、震旦系和第四系為主，區(qū)內(nèi)第四系表土層厚大，覆蓋在最上部，礦體賦存于一個(gè)沉積變質(zhì)的單斜構(gòu)造中，石英砂巖作為沉積蓋層呈角度不整合覆蓋在變質(zhì)巖（混合巖化黑云變粒巖、太古代沉積變質(zhì)鐵礦等）以上，采場(chǎng)沿著礦體走向南北向布置。目前采場(chǎng)已采至-247 m水平。

研山東幫邊坡位于礦體下盤，為非工作幫，永久邊坡目前已靠界至-157～-187 m 水平，由于順傾的不利條件，并且常年受新河河水入滲，巖體浸水弱化，致使邊坡在靠幫過程中發(fā)生了多次規(guī)模不等的滑坡（圖1）。

在開采過程中發(fā)現(xiàn)自然安息角為40°～45°，然而-97 m 以下設(shè)計(jì)坡面角度為65°，經(jīng)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)-97～-157 m 層理角度為39°～42°，為減少滑坡事故，經(jīng)過設(shè)計(jì)單位優(yōu)化調(diào)整，將-97～-157 m 坡面角度放緩至39°左右，并為此壓礦950 萬t。然而，根據(jù)開采現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，部分圍巖及礦體穩(wěn)定性較強(qiáng)，且受地質(zhì)因素影響，局部邊坡角度仍有變化。因此，有必要對(duì)采場(chǎng)現(xiàn)有邊坡狀況進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在保障邊坡穩(wěn)定前提下，為進(jìn)一步優(yōu)化邊坡角度，提高邊幫礦石回收，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源安全高效利用提供參考依據(jù)。

2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

2.1 GEO-SLOPE 軟件介紹

GEO-SLOPE 軟件作為一種新興的極限平衡仿真軟件，具備專業(yè)性強(qiáng)、處理數(shù)據(jù)效率高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，常用于巖土工程領(lǐng)域［6-7］，應(yīng)用軟件內(nèi)置Slope/w 模塊對(duì)邊坡進(jìn)行建模，通過運(yùn)算可分析得到邊坡最小安全系數(shù)及確定滑移面的位置，依據(jù)該軟件模擬結(jié)果，可為露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究提供技術(shù)支持。

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算原理

Bishop法適用于計(jì)算破壞面近似圓弧狀的邊坡，其邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs計(jì)算公式如下［8-9］：

本次數(shù)值模擬采用計(jì)算簡(jiǎn)單、使用率及精度較高的簡(jiǎn)化版Bishop法［10］，忽略條塊間切向應(yīng)力，推導(dǎo)出如下計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)s為邊坡穩(wěn)定系數(shù)；mi為第i個(gè)條塊的計(jì)算系數(shù)；ci為滑坡體與邊坡面間黏聚力，kPa；bi為巖土條分塊的寬度，m；Wi為第i個(gè)條塊的重量，kN/m3；Qi為第i個(gè)條塊所受水平作用力，kN；Yi為條塊間切向力，kN；μi為滑坡面上的孔隙水壓力，kN；φi為第i個(gè)條塊的內(nèi)摩擦角，（°）；αi為第i個(gè)條塊底部的傾角，（°）；i為分析條塊序號(hào)，i=1，2，…，n。

3 邊坡穩(wěn)定判別準(zhǔn)則

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）對(duì)Ⅰ級(jí)邊坡工程安全等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的荷載組合進(jìn)行的規(guī)定，對(duì)邊坡進(jìn)行如下2種荷載條件下的穩(wěn)定性分析：

（1）荷載組合Ⅰ考慮自重+地下水，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.20。

（2）荷載組合Ⅱ考慮自重+地下水＋爆破震動(dòng)，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.18。

若計(jì)算出的安全系數(shù)大于限值，則視為邊坡穩(wěn)定；反之，則不穩(wěn)定。

4 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算參數(shù)選取

對(duì)邊坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取樣、鉆孔打磨，開展巖石力學(xué)物理試驗(yàn)，測(cè)得本次模擬中所選用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

4.2 計(jì)算剖面選取

根據(jù)研山采場(chǎng)水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、邊坡地形等因素，綜合采場(chǎng)各部位邊坡幾何要素、采礦工藝要求等因素，確定剖面選取的原則：

（1）剖面應(yīng)盡可能穿過采場(chǎng)地質(zhì)鉆孔，以便保證研究的準(zhǔn)確性。

（2）剖面應(yīng)與邊坡走向垂直，以便將三維邊坡穩(wěn)定性問題簡(jiǎn)化為二維穩(wěn)定性問題。

目前，北端幫從整體境界上看較陡，永久到界只進(jìn)行到-42～-67 m 水平，下部區(qū)域欠剝巖較多，造成現(xiàn)狀邊坡整體較緩；N18～N22 勘探線位于東幫東南區(qū)域，已剝采至-187 m 水平，此區(qū)域內(nèi)N18 勘探線大部分沒有到界，N20 勘探線在-42～-67 m 永久到界，N22 勘探線在-97 m 永久到界，N18～N22 勘探線現(xiàn)狀整體上較緩；N24～N30 勘探線位于東幫中部區(qū)域，已剝采至-202 m 水平，在-97 m 水平以上N24～N30勘探線已經(jīng)達(dá)到永久到界。綜合考慮以上因素，在-157～-187 m 水平以上北端幫區(qū)域、N18～N22 勘探線區(qū)域、N24～N30勘探線區(qū)域選擇3個(gè)代表性剖面開展模擬分析，分別為北端幫剖面、N22 勘探線剖面、N24 勘探線剖面。各剖面形式如圖2所示。

研山鐵礦頻繁的生產(chǎn)爆破振動(dòng)對(duì)邊坡造成的危害是明顯的，由于這種振動(dòng)作用時(shí)間十分短暫，且振動(dòng)速度衰減很快，其危害僅限于邊坡巖體的表層部分，計(jì)算爆破振動(dòng)力時(shí)，只考慮水平方向分力，假定其作用方向指向采場(chǎng)臨空面方向，考慮到爆破振動(dòng)的影響范圍，水平振動(dòng)影響系數(shù)取0.05g進(jìn)行計(jì)算，由于本次分析厚度為12 m 左右，穩(wěn)定性分析參數(shù)選取黏聚力C=37.2 kPa，內(nèi)摩擦角?=32°。

4.3 N24 勘探線剖面邊坡穩(wěn)定性分析

N24 勘探線穩(wěn)定性分析見圖3，2 種工況下的穩(wěn)定性結(jié)果見表2?？梢钥吹剑ㄟ^對(duì)整體及局部2 個(gè)并段臺(tái)階（約60 m）進(jìn)行穩(wěn)定性分析，-157～-187 m 水平以上N24 勘探線區(qū)域整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于安全系數(shù)限值，整體邊坡較穩(wěn)定，但是局部邊坡在2種工況下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)狀邊坡仍存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 N22勘探線剖面邊坡穩(wěn)定性分析

N22 勘探線剖面穩(wěn)定性分析見圖4，2 種工況下的穩(wěn)定性結(jié)果見表3?？梢钥闯?，N18～N22 勘探線現(xiàn)狀整體上較緩，穩(wěn)定性系數(shù)較高，分別對(duì)整體邊坡以及局部2個(gè)并段臺(tái)階進(jìn)行穩(wěn)定性分析，考慮不同工況的影響，在荷載Ⅰ、Ⅱ下整體邊坡可以保證穩(wěn)定性。由于-42～-97m 處于強(qiáng)風(fēng)化帶圖，如4（a）所示，穩(wěn)定性較低，局部邊坡欠穩(wěn)定，由于風(fēng)化帶的嚴(yán)重影響，更加需要加強(qiáng)局部邊坡防護(hù)。

4.5 北端幫剖面邊坡穩(wěn)定性分析

北端幫剖面穩(wěn)定性分析見圖5，2 種工況下穩(wěn)定性結(jié)果見表4。北端幫從整體境界上看較陡，但是永久到界只進(jìn)行到-42～-67 m 水平，下部區(qū)域欠剝巖較多，造成現(xiàn)狀邊坡整體較緩，整體邊坡穩(wěn)定性也較高，如圖5（b）所示。但是通過對(duì)局部臺(tái)階進(jìn)行穩(wěn)定性分析，2 種工況下穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.153、1.126，小于安全系數(shù)限值，穩(wěn)定性欠佳，如圖5（a）所示；并且北端幫現(xiàn)場(chǎng)存在諸多不利條件，如北端幫與東幫的交角處存在楔形體，而且到界區(qū)域的邊坡角度較陡，造成北端幫局部區(qū)域欠穩(wěn)定，所以對(duì)于北端幫的安全性需要提高重視。

通過對(duì)N24 勘探線剖面、N22 勘探線剖面、北端幫剖面為代表的3個(gè)區(qū)域邊坡穩(wěn)定性研究得出，研山東幫的3 個(gè)區(qū)域現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性都較好，N24～N30 區(qū)域整體邊坡穩(wěn)定性小于N18～N22 勘探線以及北端幫，由于N18～N22 勘探線以及北端幫的欠剝巖較多，邊坡較緩，穩(wěn)定性優(yōu)于N24～N30 勘探線；但是局部邊坡穩(wěn)定性不能保證，對(duì)這3個(gè)區(qū)域的局部較陡部分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)都存在局部欠穩(wěn)定的情況。

5 結(jié)論

以研山鐵礦露天邊坡為研究對(duì)象，考慮巖體自重、地下水及爆破震動(dòng)影響的情況下，利用GEOSLOPE 軟件構(gòu)建了有效的分析模型。研究表明：研山東幫N22～N28 現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性較好，但是局部邊坡的穩(wěn)定性欠佳，N22～N28 勘探線下部邊坡較陡，不排除潛在斷層影響下局部滑坡的可能性；N18～N22 勘探線局部邊坡處于風(fēng)化帶，穩(wěn)定性系數(shù)較低；北端幫由于諸多不利條件，部分到界區(qū)域邊坡穩(wěn)定性較低。為防止出現(xiàn)滑坡，后期應(yīng)在以上局部不穩(wěn)定區(qū)域采取加固措施，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止因局部失穩(wěn)而產(chǎn)生不必要的損失。同時(shí)，基于當(dāng)前-157～-187 m 以上東幫整體邊坡穩(wěn)定性較好的現(xiàn)狀，可以考慮在原來坡面放緩的基礎(chǔ)上重新優(yōu)化邊坡角度，提高邊幫礦石回收，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源安全高效利用。