基于风化程度、节理裂隙及水文条件对某矿建筑用花岗岩矿边坡稳定性安全分析

基于风化程度、节理裂隙及水文条件对某矿建筑用花岗岩矿边坡稳定性安全分析

许保国

广东广物金属产业集团有限公司

摘要

滑坡和坍塌在露天矿山中属于常见的灾害，其发生的根本原因在于边坡的稳定性程度。通过对矿山边坡稳定性的有效控制，能够有效地预防滑坡等事故的发生。本文通过综合考虑风化程度、节理裂隙以及水文条件等多种关键因素，结合模拟软件，对某矿的边坡进行稳定性安全分析。通过详细的地质调查和数值模拟分析，强调了多种因素的综合考虑对于确保边坡的稳定性和安全性的不可或缺性。这一研究有望为矿山工程领域提供有益的参考和指导。

一、引言

矿山工程作为支撑现代社会基础建设的关键环节，对于安全、可持续的资源开采具有至关重要的地位。在这一领域中，边坡稳定性的问题备受关注，因为它直接关系到人员安全、设施完整性以及矿山工程的经济效益。特别是在建筑用花岗岩矿这类资源的开采过程中，边坡的设计和安全分析成为确保矿山可持续运营的不可或缺的一环。

花岗岩作为一种广泛应用于建筑领域的高强度、高耐久性的岩石，其在矿山开采过程中安全管理已经成为重中之重。然而，与此同时，花岗岩矿山工程所面临的挑战也在不断增加。在这些挑战中，矿山边坡的稳定性问题尤为突出，直接影响着矿山工程的安全性和可持续性发展。

矿山边坡稳定性问题的复杂性主要来自于多种因素的相互作用。在这些因素中，风化程度、节理裂隙以及水文条件被认为是影响矿山边坡稳定性的重要因素之一。花岗岩在地质演变过程中由于经历不同程度的风化，风化可能导致其抗压强度的降低，以及吸水性的增加。随着风化程度的增加，花岗岩的抗压强度和弹性模量可能减小，从而降低边坡的整体稳定性。此外，风化过程中可能引起的孔隙度增加，也会影响边坡的透水性和荷载传递能力。而其独特的节理裂隙结构也对边坡稳定性产生着直接而显著的影响。花岗岩中的节理裂隙可能导致边坡的非均匀性，使边坡在受力时产生局部应力集中，这可能导致裂隙附近的岩体更容易发生破裂和滑动，从而影响整体边坡的稳定性。同时，水文条件，特别是地下水位的波动和降雨引起的径流，也可能成为引发边坡滑动和破坏的重要触发因素。例如，地下水位的升降可能导致边坡的饱和度变化，而降雨则可能引发边坡的滑坡。

为了解决这些复杂而严峻的问题，本研究将深入探讨某矿的建筑用花岗岩矿边坡，特别注重考虑风化程度、节理裂隙及水文条件等多种因素。通过全面的工程地质调查、数值模拟以及安全因素的综合分析，我们旨在为设计合理且安全的矿山边坡提供深刻的见解，推动矿山工程领域在资源开采中的可持续发展。

二、矿山总体情况分析

2.1 矿山环境地质分析

该矿山位于广东省某市，矿区属于丘陵地貌，地势总体为西高东低、西北-西南高东南低，标高最高 245m（矿区内西南面山顶），最低标高约 80m（矿区内南面沟谷），最大相对高差 165m。矿区内北部和南部分布有多个次级地表分水岭（南部 2 个以上、北部 7 个以上），总体以矿区 10 号拐点至 4 号拐点的沟谷为界分为两部分。岩性为斑状黑云母二长花岗岩，平面上呈近南北向展布的不规则多边形，近南北向长 470m～1081m，近东西向宽 303m～972m，空间上总体呈倒梯形。

2.2 水文地质条件分析

矿区内无大的地表水体；矿区东南面外最近距离约 28 m 处为石船水库，分布面积 50743 m2，水面标高 88.3 m，矿区内季节性溪沟发育，流量较小，主要为南东流向，次为南西流向，溪沟多汇入石船水库。当地最低侵蚀基准面标高 50m。

矿区内的地表水体以溪沟为主，溪沟稍发育，多为季节性水流，流向严格受地形地势控制，为矿区内的大气降水及地下水的排泄主要通道。

矿区地下水主要为大气降雨补给，大气降雨降落至地表后，下渗形成松散岩类孔隙水，松散岩类孔隙水在运动过程中部分沿孔隙或裂隙下渗补给块状岩类裂隙水，裂隙水主要接受孔隙水下渗补给外，局部还可能接受溪沟水的侧向补给，裂隙水主要沿网状风化裂隙运移，局部形成地下径流，流向与地形密切相关，总体与溪沟水流向基本一致，最后再排出地表，形成溪沟或截流成为山塘、水库等地表水体。

三、边坡稳定性分析及边坡安全控制措施

3.1 边坡稳定性分析

 对于露天开采矿山而言，崩塌、滑坡、泥石流三者在一定程度上均以边坡稳定性为基础，边坡不稳定的情况下，则容易产生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。因此，引用设计剥采边坡角对该矿区边坡稳定性进行分析。

（1）土质边坡

该矿区土质边坡岩性主要由第四系坡残积土和全风化花岗岩组成，以该矿区 5号勘探线为例，该处第四系坡残积层厚 4.70m，全风化花岗岩层厚 51.60m，静止水位取全区静止水位平均埋深 15.44m。此次土质边坡稳定性系数计算参数参照同类型矿区经验数据综合考虑，参数选用见表1-1。边坡稳定性状态根据《工程地质手册》（第五版）及《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）中表 5.3.1（表1-2）划分。采用理正岩土工程设计软件（6.0 版本）对上述土质边坡按预设边坡角单级放坡及总体不分级放坡两种情况进行边坡稳定性系数计算。

表1-1 边坡稳定性计算参数表

表1-2 边坡稳定性状态划分表

计算结果（图1-1）表明，矿区 5 号勘探线土质边坡按预设边坡角单级放坡时在正常工况条件下，边坡滑动安全系数为 1.651（＞1.35），处于稳定状态；在暴雨工况条件下，边坡滑动安全系数为 1.440（＞1.35），处于稳定状态。计算结果（图1-2）表明，矿区 5 号勘探线土质边坡按预设边坡角总体不分级放坡时在正常工况条件下，边坡滑动安全系数为 0.687（＜1.00），处于不稳定状态；在暴雨工况条件下，边坡滑动安全系数为 0.665（＜1.00），处于不稳定状态。虽然在单级放坡剥离时，单级土质边坡处于稳定状态，但在土体自重增加、机械震动、雨水侵蚀等因素的作用下，仍然可能发生崩塌、滑坡等地质灾害。因此，矿山在开挖土层时需按预设边坡角进行分级剥离，并做好台阶截排水措施及执行“边开采，边治理”的原则，防止大量地表汇水对边坡面冲刷，预防地质灾害的发生。

  图1-1 单级放坡时土质边坡稳定性计算简图及结果（左为正常、右为暴雨工况）

图1-2 总体不分级放坡时土质边坡稳定性计算简图及结果（左为正常、右为暴雨工况）

（2）岩质边坡

1）半风化花岗岩岩质边坡

矿区半风化花岗岩单级台阶高度为 10m，台阶坡面角为 α1≤55°，符合《金属非金属矿山安全规程》相关规定及要求。

根据：n＝tgφ/tgβ+4C/ρhsin2β

式中：ρ－岩石的重度取 23.0 kN/m3 ；

h－滑动岩体由坡顶至滑面底的高度，m；

C－滑动面的粘聚力取 18Pa；

φ－滑动面的等效内摩擦角取 55°；

β－滑面倾角，取台阶坡面角；

n－边坡稳定性系数，见表 1-2。

当单级开采边坡高度 h＝10m，倾角 β＝55°时，则：n＝1.33＞1.35，半风化花岗岩岩质边坡处于稳定状态。

当开采边坡最大高度 h＝43.8m（取该矿区1号勘探线西面终了边坡半风化花岗岩厚度），按分台阶放坡开采，根据经验初步预设该处台阶终了倾角β＝50°时，则：n＝1.26＞1.05，半风化花岗岩岩质边坡处于基本稳定状态。

2）微-未风化花岗岩岩质边坡

矿区微-未风化花岗岩单级台阶高度为 15m，台阶坡面角为 α1≤70°，符合《金属非金属矿山安全规程》相关规定及要求。

根据：n＝tgφ/tgβ+4C/ρhsin2β

式中：ρ－岩石的重度取 25.9 kN/m³（本次矿石小体重数据换算）；

h－滑动岩体由坡顶至滑面底的高度，m；

C－滑动面的粘聚力取 16Pa；

φ－滑动面的等效内摩擦角取 70°；

β－滑面倾角，取台阶坡面角；

n－边坡稳定性系数，见表 1-2。

当单级开采边坡高度 h＝15m，倾角 β＝70°时，则：n＝1.26＞1.05，微-未风化花岗岩岩质边坡处于基本稳定状态。

当开采边坡最大高度 h＝121m（取该矿区4号勘探线西面终了边坡微-未风化花岗岩厚度），按分台阶放坡开采，根据经验初步预设该处台阶终了倾角 β＝60°时，则：n＝1.609＞1.35，微-未风化花岗岩岩质边坡处于稳定状态。

结合上述内容进行分析，可知该矿区岩质最终边坡均属基本稳定-稳定边坡，一般不会出现大的边坡问题，但对于岩质边坡而言，其稳定性主要受结构面影响，采场边坡与结构面的组合关系的不同将出现不同的稳定性情况：当裂隙结构面与坡向基本一致，其倾角小于边坡角的顺向坡时，边坡的稳定性较差，易产生顺结构面的滑动；如果裂隙结构面倾角与边坡角成为反向结构面时，边坡稳定性则较好。

3.2 边坡安全控制措施

结合上述边坡计算分析，可知矿山开采时必须从以下几个方面做好边坡安全管理：①应当采用合理的施工方法，应严格遵循“自上而下，分水平台阶开采”的开采顺序，避免“高、陡、险”边坡的出现。②预防水资源对周围环境的侵蚀，通过修排水沟等方式减少对软弱构面的直接冲击，加强矿山上部台阶保护和采场边坡危岩处理，以提升整个边坡的质量。③遇软弱夹层及破碎地段时，应适当降缓剥采边坡角，并注重年度边坡稳定性分析，预防不良地质灾害现象的发生。④加强生产过程中的边坡安全管理，及时清理不稳定岩体、浮石等，将边坡发生滑坡可能影响范围设置为危险区域，张贴警示标志，禁止人员及设备靠近。

四、结论

参考文献