槐永波，賀模紅，黃曉明，葉勝華，趙其蘇

（四川九○九建設(shè)工程有限公司，四川 綿陽 621000）

礦山開采過程中，邊坡形成臨空面，原巖的應(yīng)力狀態(tài)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，會在坡頂交線處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)大到一定程度，邊坡會發(fā)生破壞[2]，能量釋放是引發(fā)巖體突然破壞的內(nèi)在原因[3-7]。由于邊坡巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等多方面的差異，實(shí)際邊坡的漸進(jìn)破壞與理論模型有一定的差距[8]。鄭穎人[9]院士指出：“邊坡的穩(wěn)定性分析、參數(shù)選取，至今仍是一大技術(shù)難題，特別是巖質(zhì)邊坡尚沒有實(shí)用的分析方法”。研究的露天采場自基建和覆土剝離之初，開采邊坡管理和穩(wěn)定性監(jiān)測與控制就凸顯為采場安全監(jiān)控重點(diǎn)，2014 年5 月，采場左側(cè)中部臺階由于巖層產(chǎn)狀、降雨和風(fēng)化等因素影響，臺階出現(xiàn)較大面積垮塌，已嚴(yán)重影響終了邊坡局部結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，同時(shí)威脅礦山開采和運(yùn)輸安全。以研究區(qū)先期地質(zhì)資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)針對礦山開采設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，通過對不同計(jì)算方法的穩(wěn)定性結(jié)果對比分析，以期對后期開采和邊坡控制參數(shù)取值提取參考。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域穩(wěn)定性

1）區(qū)域地應(yīng)力場類型。礦區(qū)及周邊地區(qū)，河流下切，基巖裸露，形成高山深谷景觀，故判斷礦區(qū)區(qū)域地應(yīng)力場表現(xiàn)為動力場型。表明礦區(qū)屬于構(gòu)造應(yīng)力大的地區(qū)，組成地應(yīng)力的3 個主應(yīng)力在水平方向。

2）地震。根據(jù)GB 18306—2015 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，區(qū)內(nèi)屬于Ⅶ度區(qū)，區(qū)域內(nèi)地震頻繁，發(fā)生5級以上的地震達(dá)10 余次，7 級以上的地震2 次，其余多屬5 級以下小震。根據(jù)GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，本區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，地面建筑抗震應(yīng)按7 度設(shè)防。

3）新構(gòu)造運(yùn)動。區(qū)內(nèi)挽近構(gòu)造運(yùn)動較為明顯，體現(xiàn)標(biāo)志有：以河谷階地、上升型地貌結(jié)構(gòu)，老構(gòu)造繼承性活動等為表征；總體表現(xiàn)為大面積（整體）間歇性上升；礦區(qū)北東方向的藏翁斷層屬于高角度的逆沖活斷層，藏翁斷裂傾向?yàn)?40°～260°，傾角為75°～85°，破碎帶較寬，在藏翁有溫泉，在該破碎帶的第四系中也有斷層跡象，顯示了藏翁斷層在挽近時(shí)期有活動。

綜上，礦區(qū)穩(wěn)定性較差。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦體頂板為變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖，部分為凝灰質(zhì)片巖；底板巖石為片理化蝕變基性火山巖，部分為蝕變基性火山巖。礦體夾石為蝕變（中）基性火山巖，有鈉長巖、絹云母鈉長片巖、綠泥石鈉長片巖、片理化基性火山巖等，普遍蝕變，有硅化、褐鐵礦化、黃鐵礦化、絹云母化、碳酸鹽化等。礦體與頂板之間有破碎帶（斷層）。原生礦體是含金黃鐵礦化蝕變火山巖組成。氧化礦是表生作用強(qiáng)烈褐鐵礦化含金蝕變火山巖組成。礦區(qū)巖性復(fù)雜，受斷裂構(gòu)造破壞，蝕變強(qiáng)烈，節(jié)理構(gòu)造裂隙切割、巖體破碎，巖體發(fā)育結(jié)構(gòu)面多，工程地質(zhì)性能較差。

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 計(jì)算剖面

為了分析采場中上部可能的整體滑坡區(qū)域穩(wěn)定狀況，選取根據(jù)其滑坡形態(tài)特征推斷的可能滑坡體范圍典型剖面，不同開采邊坡形態(tài)參數(shù)剖面則以實(shí)際開采放坡走向一致方向。開采邊坡堆置材料的物理力學(xué)參數(shù)是開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性決定了開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算成果的可靠性。按巖石強(qiáng)度分類：黃鐵礦化蝕變中基性火山巖（原生礦）屬于半軟弱－半堅(jiān)硬巖石，碳質(zhì)板巖（頂板）屬于半堅(jiān)硬巖石，蝕變基性火山巖（底板）屬于半軟弱巖石，強(qiáng)褐鐵礦化蝕變火山巖（氧化礦）屬于極軟弱巖石?？傮w上說，構(gòu)成該礦山開采剖面的幾種巖體物理力學(xué)性質(zhì)差異不大，形成開采剖面邊坡的穩(wěn)定性能均較差。

現(xiàn)狀開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，頂部邊坡表層有少部分覆土和風(fēng)化層存在，下部表層風(fēng)化土應(yīng)該已經(jīng)完全清除，同時(shí)考慮到計(jì)算過程中如果要真實(shí)再現(xiàn)開采剖面的地質(zhì)構(gòu)造分層情況，其礦山提供的地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)詳盡程度還不能完全滿足，且從前面的開采剖面構(gòu)造情況分析可知，本開采剖面的各層物理力學(xué)性質(zhì)差異并不顯著，且從本次穩(wěn)定性分析的實(shí)際出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測臺階邊坡形狀參數(shù)進(jìn)行概化。

2.2 計(jì)算結(jié)果

實(shí)測現(xiàn)狀臺階整體控制良好，除個別臺階由于局部坍塌自然并段外，最小安全平臺4.1 m，清掃運(yùn)輸平臺10～13 m，臺階高8～22 m，最大邊坡角53°。除干燥狀態(tài)，每種工況首先進(jìn)行滲流分析，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定性分析。其中，浸潤線確定方法采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，作為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的浸潤線。

根據(jù)以上計(jì)算剖面、荷載工況、計(jì)算力學(xué)參數(shù)，將上述計(jì)算模型和材料參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，無暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性結(jié)果圖如圖1。實(shí)測尺寸且無暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算見表1。

圖1 無暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性結(jié)果圖

表1 實(shí)測尺寸無暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性結(jié)果

計(jì)算結(jié)果可知，目前開采邊坡尺寸在干燥無雨且嚴(yán)格控制好施工放坡等工藝狀態(tài)下，開采邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)較高，簡化畢肖普法和簡布法的安全系數(shù)分析達(dá)到了2.428 290 和2.237 450。

暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖如圖2，暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表見表2。計(jì)算所用浸潤線位置由現(xiàn)場勘查結(jié)果所得。

圖2 暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

表2 暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

實(shí)測尺寸暴雨影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算所得全局最危險(xiǎn)滑面及安全系數(shù)結(jié)果如下：在暴雨影響下，開采邊坡穩(wěn)定性有所下降，2 種方法計(jì)算結(jié)果分別有1.856 830 和1.637 040，能滿足規(guī)范要求。但由于開采邊坡存在斷裂、軟弱帶和空洞分布等情況，節(jié)理和裂隙發(fā)育，再加上暴雨導(dǎo)致大量雨水流入裂隙中，將對開采邊坡穩(wěn)定性有較大影響。暴雨加地震影響狀態(tài)下開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖如圖3，暴雨加地震影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表見表3，實(shí)測尺寸暴雨加地震影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算所得全局最危險(xiǎn)滑面及安全系數(shù)結(jié)果：在暴雨和地震同時(shí)影響的極端狀態(tài)下，開采邊坡穩(wěn)定性急劇下降，2 種方法計(jì)算結(jié)果分別僅有1.416 800 和1.224 520。故在該種工況下，邊坡穩(wěn)定性雖然基本達(dá)到要求，但若受到開采邊坡斷裂、軟弱帶和空洞等特殊條件的影響，該開采邊坡穩(wěn)定性極可能不能滿足規(guī)范要求。

圖3 暴雨加地震影響狀態(tài)下開采邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

表3 暴雨加地震影響狀態(tài)下開采邊坡安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

2.3 巖性條件劣化對邊坡穩(wěn)定性影響

露天礦邊坡巖體，開挖卸荷及滲流、動載荷作用下，損傷擾動區(qū)是控制邊坡的變形與失穩(wěn)的主要因素[10-12]。為了探明“施工擾動、降雨、地震和構(gòu)造”等外在不利因素對“采場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步發(fā)展演化的具體影響”，通過“調(diào)整邊坡巖性黏聚力參數(shù)c值”，側(cè)面探索巖性條件劣化對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，對不同工況下，實(shí)測開采邊坡穩(wěn)定性作進(jìn)一步驗(yàn)算，邊坡安全系數(shù)隨黏聚力減小的變化趨勢如圖4。

從圖4 可以看出，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著巖性劣化呈現(xiàn)明顯的減小趨勢。如圖4，隨著開采臺階邊坡受到“水蝕、風(fēng)化、爆破震動及構(gòu)造等外因綜合作用”其黏聚力系數(shù)降到130 kPa 時(shí)，其暴雨加洪水工況邊坡將不滿足規(guī)范，可能出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

圖4 邊坡穩(wěn)定性隨粘聚力減小的變化趨勢圖

根據(jù)現(xiàn)場勘探結(jié)果可知，實(shí)際開采面巖性破碎，易風(fēng)化，且節(jié)理、裂隙發(fā)育，抗水蝕作用差。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果得到，由于巖性劣化導(dǎo)致實(shí)際邊坡的黏聚力c 值已大幅減小，僅為50 kPa。

實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果圖（c 值為50 kPa）如圖5，實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）見表4。

圖5 實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果圖（c 值為50 kPa）

表4 實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）

暴雨工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（c 值為50 kPpa）如圖6。暴雨工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）見表5。

圖6 暴雨工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（c 值為50 kPa）

表5 暴雨工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)際黏聚力c 值僅為50 kPa 時(shí)，暴雨工況下，該邊坡穩(wěn)定性由Bishop 法計(jì)算結(jié)果由1.234，而Janbu 法的計(jì)算結(jié)果為1.097，已接近失穩(wěn)臨界條件。

暴雨加地震工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（c值為50 kPa）如圖7。暴雨加地震工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）見表6。

圖7 暴雨加地震工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果（c 值為50 kPa）

表6 暴雨加地震工況下實(shí)際邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表（c 值為50 kPa）

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)實(shí)際黏聚力c 值僅為50 kPa 時(shí)，暴雨加地震工況下，該邊坡穩(wěn)定性由Bishop法計(jì)算結(jié)果為1.004，而Janbu 法的計(jì)算結(jié)果僅為0.883，已不能滿足穩(wěn)定性要求，極可能出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌。礦山2009 年6 月份以來出現(xiàn)的邊坡滑移問題也進(jìn)一印證了該結(jié)果。

2.4 建議修改尺寸

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，目前的邊坡實(shí)際尺寸不能滿足穩(wěn)定性要求，建議在礦山開采過程中將尺寸作如下調(diào)整：最終邊坡臺階坡面角調(diào)整為45°，臺階高度為10 m，安全平臺寬度4 m，清掃運(yùn)輸平臺寬度10 m，每隔2 個安全平臺設(shè)置1 個清掃平臺，最終邊坡角為40°，調(diào)整后的邊坡尺寸的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果均滿足穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)論

1）礦山坡面結(jié)構(gòu)和邊坡結(jié)構(gòu)不良：局部臺階設(shè)計(jì)過陡、臺階高度過高、平臺寬度不夠、臺階坡面結(jié)構(gòu)完整性極差等現(xiàn)狀，加之爆破振動和雨水等的頻繁作用，易使邊坡巖土體原有裂隙、層理產(chǎn)生松動、錯動與擴(kuò)張，降低了臺階巖土體結(jié)構(gòu)面的抗剪性能，減小了摩擦阻力，導(dǎo)致其失穩(wěn)，如不修改邊坡開采尺寸，可能會導(dǎo)致臺階結(jié)構(gòu)體沿優(yōu)勢產(chǎn)狀失穩(wěn)滑出或剪出，或誘發(fā)較大滑坡。

2）雖然地質(zhì)結(jié)構(gòu)破損、結(jié)構(gòu)松散、孔隙發(fā)育及存在斷層是開采邊坡失穩(wěn)的內(nèi)因，但雨水滲流和開采放坡不合理才是開采邊坡出現(xiàn)推移滑移的關(guān)鍵誘因。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制開采臺階合理結(jié)構(gòu)，搞好截、排水措施是今后礦山邊坡安全管理的核心工作。