基于有限元强度折减法对某矿山边坡的稳定性分析与思考

基于有限元强度折减法对某矿山边坡的稳定性分析与思考

柳群荣

中检集团康泰安全科技有限公司广东分公司   518000

摘 要：以某矿山边坡为工程背景，选取某露天矿山终了边坡VI-V´I剖面，建立的平面二维模型。基于有限元强度折减法分别对自重工况、自重+爆破工况、自重+地震工况不同条件下采场边坡进行稳定性分析。计算得到采终了边坡在自重工况条件下边坡安全系数Fs为1.59、自重+爆破工况条件下边坡安全系数Fs为1.55、自重+地震工况条件下边坡安全系数Fs为1.43，仍然处于较为稳定的状态。

关键词： 边坡；有限元强度折减法；稳定性分析

引言

露天开采相对于地下开采具有资源回收率高、安全条件好、劳动效率高、生产规模大等优点，所以露天开采在采矿业界为最主要的开采方式之一。而在露天矿山开采过程中边坡问题是影响安全生产的最主要问题。边坡失稳导致的矿山安全事故频发，给矿山企业造成了大量人员、经济损失，所以开展边坡稳定性工作对矿山企业安全开采具有极其积极的意义[1]。赵尚毅[2]通过建立非线性有限元模型来分析节理岩质边坡的稳定性，验证了有限元强度折减法在节理岩质边坡稳定性分析的可行性。王旭[3]结合某匀质边坡实例，利有限元强度折减法进行矿山边坡安全系数计算。通过对比不同参数对边坡安全系数结果的影响，结合可靠度和确定性的方法，计算边坡安全系数，为矿山滑坡风险的评估提供参考依据。

本文以某露天矿山终了边坡为例，基于有限元强度折减法对不同工况条件下终了边坡稳定性进行分析，通过比较不同工况条件下终了边坡的安全系数，确定边坡的稳定性，为矿企日常边坡管理提供参考。

1.模型选取

某露天矿山终采矿区所形成的边坡主要为岩质边坡，矿区区域上的褶皱、断裂构造较发育。褶皱构造多为次级小褶曲，形态不甚明显，总体尚呈缓波状起伏；断裂构造以北东向、近南北向及近东西向的中小规模断裂构造为主。与边坡坡向构成切向坡。结构面以矿脉产状为主，结构面起伏呈波浪状，产状相对单一。

矿区按露天台段式开采，根据矿区工程地质条件，最终开采矿区所形成的边坡主要为岩质边坡，组成南北帮开采边坡的为顺向坡，组成东西开采边坡的为切向坡。西部终了边坡为196m，为中边坡，属于山坡型露天边坡。边坡危害等级为Ⅱ级，边坡工程安全等级为Ⅱ级开挖完成后的南北帮边坡坡体内不存在断层。采场内无积水，排水条件较好。边坡开挖终了边坡角为49°。选取经典剖面VI-VI´如图：

图1-1 终了边坡VI-VI´剖面图

根据调查，本采场从上至下分别为松散土、花岗岩、矿石；矿体总体完整性较破碎～较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级。采场岩体的材料参数如表：

表 1-1岩体力学参数表

2. 计算的荷载组合

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014），矿山边坡稳定性计算荷载组合分为三种，分别为[4]：

表 2-1岩体力学参数表

相关荷载参数从矿山边坡实际出发结合相关规范综合计算确定。对于地震和爆破影响采用拟静力法，适合于极限平衡法计算。

不同工况下安全系数许用标准可按如下指标进行整体稳定性控制：自重工况下Fs取 1.20，自重+爆破震动工况下Fs取1.18，自重+地震工况下Fs取 1.15。

3.有限元强度折减法分析

为了简化计算过程，不同的施工开挖过程不再逐步单独分析，选择现状状态和终了状态下分步开挖过程中的安全稳定性分析。现采场露天分台阶开采，采场的最低开采标高达317.28m，经现场调查，采场采壁上未见渗水现象，采坑内也无积水。枯水期时大气降雨形成的地表水将渗入地下，雨季时，若雨量较大且降雨时间持续较长时，大气降雨形成的地表水将渗入地下或沿地形坡度自西向东流出矿区。采场边坡体内无积水，不考虑地下水影响。计算结果如图3-1所示。

表3-1边坡安全系数计算结果

通过强度折减法计算结果显示，终了边坡在自重工况边坡的安全系数Fs为1.59、自重+爆破工况边坡的安全系数Fs为1.55、自重+地震工况边坡的安全系数Fs为1.43，虽然在爆破震动、地震等因素影响下，边坡安全系数有一定程度降低，矿区终了边坡安全系数满足规范要求，不会发生规模性失稳，并具备一定的安全储备，采场边坡回采至终了状态时是安全的。

4.边坡管理的措施分析

结合采场边坡强度折减法计算结果分析，提出以下措施为矿山企业的边坡安全管理提供参考

[5]：①根据矿山的地质条件，选取用科学的开采方式，严格按设计要求自上而下组合台阶式进行开采，作业方式应采用“采剥并举，剥离先行”和“自上而下，分水平台阶开采”的原则进行；②在雨季应保证截、排水沟排水顺畅，避免地面径流对坡面、软弱结构面的冲刷及软化作用。对于整体强度较差的结构面必要时也可通过水工布、喷射混凝土等方式，来提高边坡稳定性。③对于边坡明显松散岩石、可能崩塌的危岩应及时进行处理，在排险作业过程中应做好安全技术交底和安全防护措施，避免危岩崩落导致安全事故。④通过预裂控制爆破等方式尽可能减少爆破震动对危险边坡的影响，降低因爆破作业对边坡失稳的影响，从而提高边坡稳定性。⑤完善安全管理制度，严格实行矿山全体人员安全责任制。矿企安全管理人员必须加强检查力度，一是对边坡进行定期安全巡查，避免造成人员伤亡及设备损毁；二是对现场作业人员违规现象的现场督查，及时做到教育与制止，防止事故的发生；三是对施工中的工程质量进行检查，尤其是超挖、超高台阶、人为削掉坡脚、人为放大边坡角等情况应及时纠正，确保边坡施工质量。

5结语

通过对矿区采场边坡在不同工况下的数值计算可以发现各工况采场边坡均能维持整体边坡的稳定，均处于安全状态。但仍应该注意存在有较多结构面以及裂隙的边坡，防止开挖时出现局部变形和破坏。

参考文献：

[1]杨志法. 中国露天矿边坡稳定性研究[M]. 中国科学技术出版社, 1999.

[2] 赵尚毅, 郑颖人, 邓卫东. 用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(2):7.

[3] 王旭, 刘东升, 宋强辉,等. 基于极限平衡法的边坡稳定性可靠度分析[J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12(3):6.

[4]GB 51016-2014, 非煤露天矿边坡工程技术规范[S]

[5]何升云. 浅析大型露天矿山采场边坡安全分析与应对措施[J]. 中国金属通报, 2020(1):2.