某露天矿山边坡稳定性分析及参数优化

任卫东

摘要：露天采场边坡角的选取是露天开采境界确定的首要前提。针对某露天采场普遍存在边坡角较小，露天边坡压覆较多资源的情况，结合矿山岩石力学情况及矿体赋存条件，对现有边坡角进行优化，确定最优边坡角。采用CAD与有限元软件耦合的方式创建生成模型，采用摩尔-库仑本构关系选取具有代表性的剖面，结合开挖过程中不同台阶的位移变化，进行稳定性分析，确定露天采场终了边坡角为38°～42°，为矿山开采方案优化提供依据。

关键词：露天边坡;稳定性;边坡角;有限元软件;数值模拟

中图分类号：TD854+.6文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）06-0044-04 doi：10.11792/hj20200610

引 言

露天采场边坡设计是露天开采设计所面临的重要课题，而露天边坡角的选取是重中之重。边坡角过大，容易造成边坡失稳而产生一系列问题;边坡角过小，虽然保证了边坡的稳定，但造成了可露采资源的减少，降低了矿山企业的利润。

随着系统科学、计算机科学、人工智能技术等不断发展，尤其在控制边坡上的应用，促使边坡工程设计不断达到最优状态。有不少学者通过 ANYSY、PHASE2等有限元法更加准确地进行结构优化计算，依靠Flac3D数值计算模拟建立二维或三维边坡地质模型，进而更加优化计算的可信度[1-3]。本次研究采用某有限元软件数值模拟分析计算方法，以某露天矿采场边坡为对象，按照GB 51016—2014 《非煤露天矿边坡工程技术规范》和GB 50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》，研究了露天境界及最终边坡角设计时露天矿边坡的稳定性，分析了边坡的位移变化，验算了露天边坡安全系数，确定最终边坡角。

1 工程概况

1.1 地质条件

某金矿采用露天开采，矿区内地质构造复杂，可溶性岩类半坚硬岩组、半坚硬—坚硬岩组分布广泛，厚度大，并可见溶蚀现象;主要矿体赋存于断裂带中，岩体破碎，稳定性差;矿体顶板厚度不稳定且属软弱层，局部地段易发生矿山工程地质问题。矿区工程地质属以可溶岩层坚硬—半坚硬岩石为主、工程地质条件中等偏复杂类型。

根据矿体及围岩工程地质特征和岩石物理力学性质（见表1），对矿区工程地质岩组进行划分，结果见表2。

1.2 开采现状

矿区现有露天坑南北长约950 m，东西宽约850 m，坑底标高1 690 m，边坡角37°～41°，经多年生产，边坡总体较稳定。

矿区为一宽缓式短轴向斜，走向NNE，采场西高东低。采场西缘顶面标高1 965 m，与现有露天坑底相对高差275 m，岩层倾向东，倾角30°～60°，为顺向坡。在采场剥离期间，对采场及其外围地段同类型的自然和人工边坡进行了系统调查与分析，自然边坡角为20°～35°，人工边坡角为25°～38°。

露天采场东部边坡，位于向斜东翼，地层倾向西，倾角10°～40°，亦属顺向坡。东南帮采场上缘最高点标高为1 840 m，与现有露天坑底高差为150 m，切割的地层主要是蛇山组，岩石力学性能差，岩体结构松散，现露天采场东帮帮坡角为36°～41°，南帮帮坡角为29°～37°。矿山通过对东、南帮边坡采用疏水、注浆等维护措施，目前边坡较稳定。

生产多年来，虽然边坡失稳现象鲜有发生，但矿山普遍存在边坡角较小，露天边坡压覆较多资源的现象，结合矿山岩石力学情况及矿体赋存条件，矿山边坡角还有进一步优化的可能。因此，在露天边坡不同方位选取不同的边坡角进行验证分析，从而进一步优化采场边坡，尽可能地采用露天开采的方式回收资源，提高企业经济效益。

1.3 边坡设计参数

本次工程为露天延深开采设计，根据开采地段矿岩的物理力学性质及矿岩结构构造，同时参照国内外同类矿山实际生产的最终边坡角资料和矿山多年的生产经验，按类比法确定采场的最终边坡参数，见表3。

2 边坡稳定性分析

某有限元软件是一款适用于地面开挖设计和计算的弹塑性有限元分析软件，同时还可以进行边坡稳定的有限元分析。目前基于有限元分析的强度折减法广泛用于露天矿边坡稳定性分析。

2.1 计算程序

根据露天剥离揭露的岩性及各类结构面、软弱层分布情况，采用有限元软件[1-3]进行边坡稳定性分析验证，从而确定经济合理的最终边坡角，尽可能地减少废石剥离，多回收资源，增加矿山的经济效益。数值模拟采用的矿岩物理力学参数见表1。

2.2 分析剖面选取

設计的采场最终边坡参数见表3，根据设计确定的参数对该采场边坡做进一步的数值模拟稳定性分析验证。

分析剖面选择在纵Ⅰ号勘探线和56号勘探线，其中每条勘探线上各取2个计算边坡，取纵Ⅰ号勘探线上的计算剖面为剖面①和剖面②，56号勘探线上的计算剖面为剖面③和剖面④。选取的剖面基本上是最大边坡角处和最大边坡高度处，具有代表性，所选4个计算剖面位置见图1。

2.3 力学分析模型

本次模拟采用某有限元软件岩土分析模块，模型采用CAD与其耦合的方式创建，即将所选地质剖面（CAD，dwg 格式文件转换成dxf格式文件）导入有限元软件中，其建立的模型为数值计算的网格模型，有限元软件按各向同性考虑，选用摩尔-库仑本构关系计算[4-10]。计算范围根据圣维南原理选取，即边坡左右两侧扩展不小于30 m，下部延深不小于40 m。计算剖面①、②、③和④导入分析软件后进行网格划分后的情形见图2和图3。

2.4 计算结果及分析

2.4.1 位 移

剖面①和剖面②初始应力水平位移云图见图4，剖面③和剖面④初始应力水平位移云图见图5。

采用有限元软件模拟矿体开挖过程，开挖至1 480 m台阶时剖面①和剖面②水平位移云图见图6，开挖至1 390 m台阶时剖面①和剖面②总位移云图见图7。

开挖至1 435 m台阶时剖面③和剖面④水平位移云图见图8，开挖至1 390 m台阶时剖面③和剖面④总位移云图见图9。

从图6～9可以看出：露天境界南部和北部边坡开挖至1 480 m台阶时，1 555 m至1 480 m之间边坡的水平位移为66 mm和69 mm;西部边坡开挖至1 435 m时，1 435 m至1 525 m之间边坡的水平位移最大为63 mm，出现位移突变现象。

位移的变化量在正常的移动范围内，但在实际生产中需引起注意，必要时需对上述地段边坡进行局部加固，矿区东部边坡位移较小，相对较安全。

2.4.2 安全系数

安全系数计算结果见表4。

从计算结果来看，2个方向、4个剖面的边坡安全系数均大于1.20，符合GB 50771—2012 《有色金属采矿设计规范》的要求，说明露天开采服务年限内，边坡整体稳定，设计所选取的最终边坡角参数合理。

因此，根据露天采场终了境界边坡高度、露天采场服务年限及开采技术条件、矿岩物理力学性质参数和边坡稳定性分析结果，参照露天采场现有边坡参数及其稳定性[11-12]，确定露天采场终了边坡角为38°～42°。

3 结 论

1）采用CAD与有限元软件耦合的方式，分别选取的2个方向、4个剖面的边坡较典型，具有一定的代表性。

2）采用有限元软件分别对露天开挖过程中的不同台阶断面进行位移云图模拟，结合位移偏移量，说明所选取边坡角的合理性。

3）根据露天采场实际工况条件，参照露天采场现有边坡参数及其稳定性，确定露天采场终了边坡角为38°～42°。

4）根据边坡稳定性分析，设计确定的终了边坡角整体来说应能保证露天采场边坡整体稳定，但不排除局部出现垮塌的可能，建议临近露天采场最终边坡爆破时，为保护边坡安全，实行控制爆破，通过地震波计算控制爆破药量，形成终了境界边坡坡面时采用预裂爆破;建立边坡监测体系，对边坡的稳定性定期进行监测预报。

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