曼空200万t/a大型石灰岩露天矿边坡稳定性分析

吕林洪，徐家庆

[1.昆明有色冶金设计研究院股份公司矿山工程设计院，云南 昆明 650231； 2.华新红塔水泥(景洪)有限公司，云南 景洪 666100]

0 引 言

景洪曼空石灰岩矿山为一新建露天矿山，该石灰岩露天矿生产规模为200万t/a，设计采用露天开采方式，缓帮开采工艺，公路汽车开拓运输方式。曼空露天采场为三面围绕的山坡—凹陷露天矿，该露天采场边坡分别由西南帮、东南帮、东北帮边坡构成(图1)，其中西南帮为顺向(顺层)边坡，东南帮为切向边坡，东北帮为反向(逆层)边坡。西南帮采场边坡坡顶最高标高911 m，东南拱形帮采场边坡坡顶最高标高901 m，东北帮采场边坡坡顶最高标高841 m，该露天矿设计终了露天坑底标高640 m，露天采场最大采深271 m(西南帮)。露天采场形成后，矿体顶板为第四系盖层被剥离，开采至最低开采标高均为灰岩，故矿区出露岩性主要为灰岩，构成了露天采场的主要边坡工程岩组。岩石微风化，岩石强度较高，也较为坚硬，但层理裂隙分布密集发育，岩体完整性较差，不利于采场边坡的稳定与安全。

图1 矿区总体地形地貌图Fig.1 Overall landform chart of mining area

随着露天开采深度不断下降，边坡高度逐年加大，逐步形成高陡露天边坡和深凹采场，进而对采矿作业安全性提出了越来越高的要求。露天矿边坡结构参数的设计、确定以及边坡稳定性的评价等工作的重要性日趋显示出来，使得露天矿边坡稳定性分析成为一项很突出且亟待要解决的问题。

综上所述，矿区露天开采规模大，加之边坡高度较高，层理结构面较密集发育，露天开采高陡边坡岩石力学问题较为突出，为此开展对该露天矿采场边坡的稳定性研究。本文通过极限平衡法和FLAC2D数值软件来模拟计算该露天矿高陡边坡稳定性安全系数。

1 矿区地形地貌

矿区地势北低南高，地形切割较剧烈，矿区属低山浅切割地貌，最高处为矿区南部山顶，海拔标高950 m，最低处为矿区西北部山凹，海拔标高624.5 m，相对高差325.5 m(见图1)。山坡自然坡度25～40°，属低山构造侵蚀山地地貌，呈溶蚀丘岭峰丛地形，岩溶、冲沟发育，局部地段形成陡坎。区内植被发育，有竹林、橡胶、杂木密集，种类繁多，森林茂密，通行通视条件差。

矿区西北部山凹海拔标高624.5 m，可视为矿区最低侵蚀基准面，最低开采标高为640 m，高于最低侵蚀基准面，地形有利于自然排泄。

矿区内无大的地表水体，大气降水沿山沟形成地表径流向外排泄。

2 矿体及围岩稳固性

该石灰岩矿床类型属于沉积型，终了边坡组成的岩层主要为二叠系下统栖霞组(P1q)层状较坚硬工程岩组，岩性为浅灰色、灰色、深灰色及灰黑色中厚层状微-细粒晶灰岩，分布于采矿范围内98%的平面范围内。从现场实际工程地质调查来看，该岩石微风化，层理分布密集较发育，岩性及岩体完整性较差，但岩块强度较高，层理结构面闭合较紧密，结构面较粗糙，整体上属于较坚硬的中等稳固偏下的一般岩体。灰岩矿体上部顶板为第四系(Q)盖层，岩性为浅黄、浅褐黄色粘土、含砾粘土，第四系土层平均厚度为8.34 m，矿床开采终了分布在最终边坡的顶部。该灰岩矿床类型属于沉积型。

为了解岩石质量指标，根据钻孔岩芯工程地质编录、统计，岩芯RQD>50%中等完整占9%，25%<岩芯RQD<50%破碎占50%，岩芯RQD<25%极破碎占41%，整体岩芯RQD平均值为31.3%。属岩石质量指标较差、岩体完整性也较差。深部节理裂隙多以闭合型为主，部分节理面为钙质薄膜胶结充填。通过RQD指标分析，边坡岩体整体完整性较差。

3 边坡岩体物理力学性质

根据《云南省景洪市曼空帕克后山水泥用灰岩矿资源储量核实报告(2019年)》中所反映的该矿床岩石物理力学性质测试结果可知，灰岩岩石平均抗压强度天然状态为61.3 MPa，岩石平均抗拉强度为4.64 MPa；岩石抗剪强度天然状态内聚力为5.2～6.4 MPa，平均为5.7 MPa；内摩擦角为43.59～46.65°，平均为45.27°。矿石的破碎性能良好，煅烧性能、易磨性能好，满足水泥用石灰质原料矿加工技术性能要求。该石灰岩岩性的普氏坚固性系数f=6，属于较坚硬类型,坚固等级处于Ⅳ级。

综合工程地质调查、岩体质量评价以及现场围岩实际稳固情况进行分析研究，利用Hoek-Brown准则进行岩石物理力学参数的折减处理[2-3]，所得边坡岩体物理力学参数结果如表1所示。

表1 边坡岩体物理力学参数取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of slope rock mass

4 边坡稳定性判别标准

按照满足矿山经济性与安全性兼顾的要求并结合各规范对边坡稳定性安全系数的要求[1-3]，依据上述边坡稳定性判别准则，景洪曼空石灰岩露天矿采场设计终了边坡最大高度为271 m，拟定该露天矿边坡工程安全等级为Ⅱ级，其边坡安全系数评价标准为：

荷载组合Ⅰ为自重+地下水工况FS≥1.2；

荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破振动力工况FS≥1.15；

荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力工况FS≥1.10。

由地质资料显示，根据国家《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001附录A的规定，本工程抗震设防烈度为8度。

5 计算剖面选择、模型建立

露天矿最终边坡稳定性计算和验证要选择有代表性的剖面进行计算，终了境界边坡稳定性分析根据露天境界不同分区选取了有代表性的剖面，不同位置的剖面图及模型详见图2～7。采用极限平衡法和数值分析法分别对设计终了采场边坡稳定性进行验算分析。

图2 A-A开挖形态剖面图Fig.2 A-A excavation profile

图3 A-A计算模型图Fig.3 A-A calculation model diagram

图4 F-F开挖形态剖面图Fig.4 F-F excavation profile

图5 F-F计算模型图Fig.5 F-F calculation model diagram

图6 B-B开挖形态剖面图Fig.6 B-B excavation profile

图7 B-B计算模型图Fig.7 B-B calculation model diagram

6 露采终了境界边坡稳定性分析

曼空石灰岩露天矿终了境界，考虑了安全平台和清扫平台宽度，进行了露天终了境界的圈定。终了境界(露天坑底水平640 m)边坡结构参数如下：反向-切向边坡台阶坡面角65°，顺向(顺层)边坡台阶坡面角60°，台阶高度12 m(由现场挖掘设备确定)，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度12 m(每隔3个台阶设置1个清扫平台)。该露天采场终了境界边坡最终由顺向边坡、切向边坡和反向边坡构成，设计终了境界平面图及剖面图位置见图8；生成的三维立体露采终了境界模型见图9。采用极限平衡法和数值分析法分别对设计终了采场边坡稳定性进行验算分析。

图8 设计终了境界平面图及剖面位置图(露天坑底640 m)Fig.8 Plan and profile location of design end boundary (640 m open pit bottom)

图9 三维立体露采终了境界模型(露天坑底640 m)Fig.9 Three dimensional open pit mining end boundary model (640 m open pit bottom)

西南帮采场边坡为顺向(顺层)边坡，终了露天坑底标高(边坡最低标高)640 m，边坡最顶部标高911 m，最终开采完成后西南帮顺层边坡最终整体边坡角为38.1°，边坡最大高度为271 m。

东南拱形帮采场边坡为切向边坡，终了露天坑底标高(边坡最低标高)640 m，边坡最顶部标高901 m。最终开采完成后东南帮切向边坡最终整体边坡角为39.6°，边坡最大高度为261 m。

东北帮采场边坡为反向(逆层)边坡，终了露天坑底标高(边坡最低标高)640 m，边坡最顶部标高841 m。最终开采完成后东北帮反向边坡最终整体边坡角为43.9°，边坡最大高度为201 m。

稳定性计算过程：计算剖面模型建立→软件中选择破坏准则(摩尔-库伦准则)→输入岩土体物理力学指标→软件中选择工况条件→点击安全系数计算命令菜单，所有的安全系数FS值都会不断地在屏幕上显示出来。命令结束时，得到最终的FS值。

6.1 基于极限平衡法边坡稳定性分析

本次采用极限平衡法Slide 6.0岩质边坡分析软件(由加拿大Rocscience公司开发的边坡稳定分析软件)对景洪曼空露天矿设计终了境界边坡稳定性进行计算分析，搜索边坡的潜在最危险滑动面，并计算出边坡的安全系数，计算结果见表2。。

表2 设计终了境界边坡安全系数计算结果(极限平衡法)Tab.2 Calculation results of safety factor of slope at the end of design

计算结果云图详见图10～12。

图10 A-A剖面潜在的最不利滑动面位置图Fig.10 Potential location of the most unfavorable sliding surface of A-A profile

图11 F-F剖面潜在的最不利滑动面位置图Fig.11 Potential location of the most unfavorable sliding surface of F-F profile

图12 B-B剖面潜在的最不利滑动面位置图Fig.12 Potential location of the most unfavorable sliding surface of B-B profile

6.2 基于强度折减法FLAC2D边坡稳定性分析

FLAC2D是二维快速拉格朗日法，是一种基于二维显示有限差分的数值分析软件。本次采用强度折减法FLAC2D7.0岩质边坡分析软件对景洪曼空石灰岩露天矿设计终了境界边坡稳定性进行计算分析，搜索边坡的最危险滑动面，并计算出边坡的安全系数，计算结果见表3。

表3 设计终了境界边坡安全系数计算结果表(FLAC2D法)Tab.3 Calculation results of safety factor of slope at the end of design

计算结果如图13～15所示：露天开挖后边坡潜在的最不利滑动面位置图。

图13 A-A剖面潜在滑动面分布云图Fig.13 Potential sliding surface chart of A-A profile

图14 F-F剖面潜在滑动面分布云图Fig.14 Potential sliding surface chart of F-F profile

图15 B-B剖面潜在滑动面分布云图Fig.15 Potential sliding surface chart of B-B profile

6.3 计算结果分析

从表2和表3及计算结果云图中可以看出：

1)设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水工况下(荷载组合I)，露天采场不同区域边坡剖面安全系数FS均>1.20，满足规范II级边坡工程安全等级要求，说明开采终了境界边坡处于稳定状态，安全有一定保障，也论证了该露天开采终了境界设计方案具有一定的可行性和合理性，为后期的露天边坡开挖布置提供了指导依据。

2)设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水+爆破工况下(荷载组合II)，露天采场不同区域边坡剖面安全系数FS均>1.15，满足规范II级边坡工程安全等级要求，说明该露天矿终了境界边坡在现露天开采设计方案下具有一定的抗爆破扰动能力。

3)设计开采终了境界边坡各剖面安全系数在自重+地下水+地震工况下(荷载组合III)，露天采场不同区域边坡剖面安全系数均>1.10，满足规范II级边坡工程安全等级要求，说明该露天矿终了境界边坡在现露天开采设计方案下具有一定的抗地震扰动能力。

7 结论与建议

通过采用极限平衡法和FLAC2D强度折减法数值模拟分析对曼空石灰岩露天采场设计终了边坡进行了模拟计算和分析，得出以下结论:

1)通过对研究推荐的边坡结构参数进行稳定性验算得出，设计终了边坡安全系数满足相关规范安全等级要求，边坡处于稳定状态。露天开挖后边坡潜在的最不利滑动面位置是从边坡顶部切入而后从坡脚穿出，属于整体边坡潜在滑动面，而非局部边坡滑东面。

2)经两种稳定性计算方法相互对比验算分析，边坡稳定性系数满足规范的安全要求，说明设计确定的最终边坡角比较合理，安全有一定的保障。设计终了境界边坡结构参数推荐为，反向-切向边坡台阶坡面角65°，顺向(顺层)边坡台阶坡面角60°，台阶高度12 m(由现场挖掘设备确定)，安全平台宽度6 m，清扫平台宽度12 m(每隔3个台阶设置1个清扫平台)。该露天矿设计终了坑底最终标高 640 m，终了边坡最大高度为271 m(西南帮)。

3)加强边坡监测工作，局部区域增加位移监测点，雨季加强观测，发现问题，及时处理。

4)边坡靠帮时，爆破须采用控制爆破技术及减震技术，如预裂爆破、光面爆破、微差爆破。以达到降低爆破震动强度，减小爆破对边坡强度损害的目的。