程 涌 楊八九

（云南亞融礦業(yè)科技有限公司）

在邊坡穩(wěn)定性研究中，通常采用Bishop 法、Janbu 法、Morgenstem-Price 法和Sarma 法等極限平衡分析方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法引入邊坡穩(wěn)定性研究過(guò)程中，主要有有限元法、離散元法和有限差分法等。露天礦山邊坡和其他行業(yè)（水利、公路、鐵路）邊坡相比，具有開(kāi)挖地點(diǎn)的無(wú)選擇性、時(shí)效性和巖體的可變形性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)。

露天礦邊坡角的大小決定了露天礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。邊坡角提高1°，節(jié)約剝離成本上千萬(wàn)元甚至上億元［1］。傳統(tǒng)邊坡角的確定，基于彈性力學(xué)平面應(yīng)變的原理［2］，邊坡角通常在35°～45°。目前深凹邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法，如宋衛(wèi)東等［3］以蘭尖鐵礦營(yíng)盤(pán)山段深凹高陡邊坡為工程背景，采用Geo-Slop 軟件，分別分析了該邊坡在地下水、地震載荷以及地下水和地震載荷共同作用下的穩(wěn)定性。朱乃龍等［4］運(yùn)用彈性力學(xué)原理，對(duì)深凹露天礦邊坡的空間效應(yīng)進(jìn)行分析，提出下部邊坡可以加陡的結(jié)論。任高峰等［5］利用時(shí)間序列建模，得到任意時(shí)間下相關(guān)巖體強(qiáng)度參數(shù)的預(yù)測(cè)值關(guān)系式。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

北衙金礦萬(wàn)硐山礦段礦區(qū)出露的地層有二疊系上統(tǒng)峨眉山組（P2β）、三疊系下統(tǒng)（T1）青天堡組（T1q）、三疊系中統(tǒng)北衙組（T2b）、第四系更新統(tǒng)蛇山組（Q1s）、更新統(tǒng)Qp及全新統(tǒng)Q4。其中三疊系中統(tǒng)北衙組（T2b）。按其巖性特征，自下而上劃分為T(mén)2b1～T2b5這5 個(gè)巖性段，T2b5地層出露不全，頂部直接與Q1s、Q4不整合接觸。工程地質(zhì)巖組劃分見(jiàn)表1，巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

2 深凹露天邊坡加陡原理

一般來(lái)說(shuō)，隨著開(kāi)采深度的增加，巖體風(fēng)化程度變?nèi)酰暾詭r體質(zhì)量逐漸變好，為下部邊坡角增大奠定了良好的基礎(chǔ)。露天礦邊坡形成過(guò)程中，采用自上而下的開(kāi)采順序，上部邊坡服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，受爆破、風(fēng)化影響時(shí)間長(zhǎng)，而下部邊坡相對(duì)較短，穩(wěn)定性降低程度小于上部邊坡。凹陷露天礦下部邊坡擠壓作用明顯，利于邊坡穩(wěn)定。

3 穩(wěn)定邊坡角的確定

朱乃龍等［4］把深凹邊坡視為喇叭曲面，以喇叭曲面形邊坡上一環(huán)巖體為力學(xué)模型，分析其臨界下滑時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，并以庫(kù)侖準(zhǔn)則作為環(huán)巖體的破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)出了深凹邊坡的穩(wěn)定性坡角與巖體物理參數(shù)之間的關(guān)系式：

式中，α為邊坡角，（°）；C為黏聚力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，（°），r為水平半徑（圖1），m；γ為巖體容重，N/m3。

根據(jù)終了境界圖（圖2），劃分不同區(qū)域，不同高程，分別量測(cè)出水平半徑r，根據(jù)上式計(jì)算出了邊坡角，具體見(jiàn)表3。

將各區(qū)域邊坡角及該區(qū)域設(shè)計(jì)邊坡列于表4?？梢钥闯?，除I、VI、VII和VIII區(qū)域設(shè)計(jì)邊坡角與計(jì)算所得邊坡角接近外，其余區(qū)域設(shè)計(jì)邊坡角均小于計(jì)算所得邊坡角。下部邊坡角有提高空間。

4 設(shè)計(jì)終了邊坡數(shù)值模擬研究

采用數(shù)值模擬軟件建立模型，見(jiàn)圖3。

在礦山實(shí)際開(kāi)采中，在時(shí)間上表現(xiàn)為不連續(xù)，綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算工作量，計(jì)算過(guò)程中分2 步進(jìn)行開(kāi)挖，由原始地形到現(xiàn)狀地形，再由現(xiàn)狀地形到終了地形。本文主要從開(kāi)挖后的主應(yīng)力、位移量和塑性區(qū)的分布3個(gè)方面進(jìn)行分析。

4.1 最大主應(yīng)力

由于露天邊坡的開(kāi)挖，邊坡的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了較大的變化，邊坡的應(yīng)力重新分布。終了邊坡情況下，模型中最大主應(yīng)力分布情況如圖4所示。

從圖4 可以看出，深色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最小的區(qū)域，為拉應(yīng)力，數(shù)值0.36 MPa，拉應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域?yàn)槁短爝吰峦獠亢涂觾?nèi)西北邊底部。

4.2 位 移

在邊坡穩(wěn)定性分析中，整體位移是邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，因?yàn)檫^(guò)量的豎直位移將直接導(dǎo)致邊坡的垮塌。模型計(jì)算結(jié)果位移如圖5～圖7所示。

從圖5～圖7可以看出，通過(guò)對(duì)整體位移和Z方向位移的比較，露天邊坡位移主要以Z方向位移為主，并且位移值為正，說(shuō)明位移是向上的，由于上部巖體剝離后，下部巖體回彈產(chǎn)生向上的位移。

?

?

4.3 塑性區(qū)

塑性區(qū)包含剪切塑性區(qū)和拉伸塑性區(qū)，代表巖體產(chǎn)生了剪切破壞和拉伸破壞，塑性區(qū)越多，就代表相應(yīng)區(qū)域越不穩(wěn)定，該區(qū)域的穩(wěn)定性就越差。終了邊坡塑性區(qū)見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在東幫邊坡和西幫邊坡的坡腳區(qū)域，邊坡其他位置零星分布很少的塑性區(qū)，說(shuō)明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

采用強(qiáng)度折減法，計(jì)算出終了露天邊坡的安全系數(shù)為1.37，從極限狀態(tài)邊坡的剪切應(yīng)變?cè)隽亢臀灰剖噶縼?lái)分析，選取了部分剖面的位移矢量和剪切應(yīng)變?cè)隽科拭鎴D，如圖9～圖12所示。

從圖9～圖12 可以看出，危險(xiǎn)滑移面位置主要出現(xiàn)在西幫、北幫和東幫邊坡的上部，滑面方向沿邊坡面向下，說(shuō)明邊坡如果發(fā)生破壞，破壞區(qū)域主要位于邊坡上部。邊坡安全系數(shù)1.37，安全儲(chǔ)備較大，說(shuō)明下部邊坡角有提高空間。

5 結(jié) 論

（1）隨著開(kāi)采深度的增加，深凹露天礦邊坡下部巖體受爆破振動(dòng)及風(fēng)化作用降低，為下部邊坡加陡奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)深凹邊坡的穩(wěn)定性坡角與巖體物理力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，確定了北衙金礦萬(wàn)硐山礦段深凹露天礦邊坡角，1 844 m 以下邊坡角38.4°～42.1°，1 724 m 以下邊坡角40.4°～44.9°，對(duì)礦山實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)作用。

（3）和數(shù)值模擬結(jié)果相比，下部邊坡角可以增大，與力學(xué)模型計(jì)算公式所得結(jié)論一致。