引言
露天矿山终了边坡的安全稳定性，直接关系到矿山的生产安全，在设计阶段确定终了边坡的稳定性尤为重要。文献提出边坡稳定性评价精度概念，为长期以来困扰矿山边坡设计安全系数取值问题提供了一种确定性解决方案。采用赤平投影法对矿山边坡进行理论分析，同时基于强度折减法对边坡爆破工况以及地震 暴雨工况进行数值模拟，进而确定矿山边坡稳定性，具有较好的实践意义。将有限元法和极限平衡法结合综合分析矿山边坡稳定性，综合确定矿山边坡的稳定性，为矿山边坡设计与稳定性评估提供理论依据。文献针对具体矿山，采用数字模拟技术对矿山边坡参数进行优化，确保矿山边坡的安全稳定性。
伴随中国经济高速进展，水泥行业发展迅速，进而水泥原料露天矿山数量较多，该类矿山终了边坡稳定性需重点关注。本文结合某水泥原料露天矿山实例，在设计阶段对矿山终了边坡稳定性进行分析计算，为露天矿山边坡参数可靠性进行验证，确保矿山生产过程中的边坡安全。
01
矿山概况
矿区地处江南，地形属低山丘陵。区内最高海拔标高259.0m，最低海拔标高14.80m，相对高差244.2m，地形坡度中等，且植被较发育，基岩基本裸露。
矿区内出露地层有志留系下统高家边组(S₁g)、中统坟头组(S₂f)、上统茅山组(S₃m)、泥盆系上统五通组(D₃w)及第四系(Q)。
矿区内矿体裸露，属裸露型大气降水补给、以基岩裂隙含水层为主的裂隙充水矿床。矿床最低开采标高 30m，位于当地排水基准面以上。矿区附近未有大的地表水体分布，主要含水岩组富水性弱，地下水补给条件好，第四系主要分布于矿区边缘。
矿区内岩石节理裂隙较不发育，主要矿层及顶底板岩体质量良好。矿坑开采最终边坡坡高较大，对矿床开采有一定影响。矿床工程地质类型为半坚硬岩石组成的层状矿床。矿区范围内山体在自然条件下处于稳定状态，自然坡角为15°～55°。矿区地质环境良好，周边植被覆盖率高，远离居民区，采矿噪音对附近居民生活影响不大，无地表水体。
根据现行规范划分，本矿床水文地质条件简单，工程地质条件简单一中等复杂，环境地质条件简单。本矿床开采技术条件类型以工程地质问题为主的矿床，归类为Ⅱ-2。
02
矿山边坡设计
2.1 采场总平面
矿山开采完毕后，矿区将形成东西长约1110m，南北宽约600m，深约20m，底部面积约29.5ha的采坑，矿山采掘终了情况如图1所示。
图1 矿山采掘终了情况
表1 设计采场终了边坡要素
2.2 采场边坡设计参数
根据矿体赋存条件、地形地貌及目前矿山现状，本次设计采用露天开采方式，选用自上而下分台阶开采的采矿方法，此采矿方法技术成熟，在多个矿山得到应用。
根据《水泥原料矿山工程设计规范》，本矿山台阶高度10m，安全平台宽4m，清扫平台宽8m，安全平台和清扫平台间隔设置。终了台阶坡面角60°，最小工作平台宽度为45m。
根据矿山开采终了情况，矿山设计范围内最低开采标高为为 30m，露天采场最终边坡最高开采标高为 225m，终了边坡最大高差195m；南侧边坡高度较小，最终边坡角为49.02°，北、东、西三侧最终边坡角均小于39°。
2.3 边坡稳定性分析
根据岩体结构面(岩层层面、节理裂隙面)与边坡的关系，可将矿区的边坡类型划分为如下三类：
(1)顺向边坡：位于矿区南侧，位于S₂f¹地层中。其走向、倾向与岩层产状相同，岩层倾角一般在55°～67°左右，局部大于55°，设计终了边坡角不超过50°，小于55°，未形成楔形下滑体，边坡高度在25m以下，属稳定型边坡。
(2)反向边坡：位于矿区北侧，其设计终了边坡角为39．63。，边坡倾向与岩层倾向相反，为反向坡，边坡高度一般在145m以下，属稳定型边坡。
(3)走向边坡(切层边坡)：位于矿区东侧和西侧，本次设计的东、西侧设计终了边坡角分别为38.92、39.31°，均小于41°，岩石半坚硬一坚硬的矿石，边坡高度一般在190m以下，属稳定型边坡。
2.4 边坡稳定性计算典型剖面
根据矿区工程地质岩组特征、构造和结构特征，边坡水文地质条件、工程地质条件及潜在破坏模式，并考虑采场不同部位的采矿工艺要求、边坡几何要素等因素，按其相似性与差异性，选取了4个典型剖面进行边坡稳定性计算。计算剖面相关参数见表2，A、B、C、D剖面、剖面平面图见图2。
表2 计算剖面相关参数
图2 典型计算剖面图
2.5 边坡稳定性计算参数
根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)，本次边坡工程安全等级Ⅱ级，设计允许安全系数见表3。
表3 边坡设计安全系数
表4 矿石主要物理力学参数
本次边坡稳定性计算一方面参考《矿资源储量核实报告》中提供数值，另一方面参考类比《岩土工程实用手册》及《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)，根据《现代采矿手册》(上册)中5.1.4.3节表5-19：砂岩内摩擦角一般在35°～50°，内聚力一般在8～40kPa。因此本次选取边坡岩石的物理力学参数见表4。
2.6 边坡稳定性计算结果
本次稳定性计算软件采用的是加拿大D.G.Fredlund于1977年创立的GEO-SLOPE公司开发的GeoStudio岩土工程系列软件，该公司已成为全球最著名的岩土软件开发公司之一，用户覆盖全球100 多个国家。GeoStudio系列软件是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件。计算结果见表5。
表5 各剖面在三种工况下稳定性计算结果
据表5分析计算结果表明，该采场四个剖面整体边坡安全稳定性均满足相关规范要求，设计选取得边坡参数是合理可靠的。
03
结论
本文以某水泥原料露天矿山为例进行边坡稳定性计算分析，依据《非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB51016-2014)允许安全系数要求，对四个代表性剖面利用国际通用的大型计算软件Geostudio岩土工程系列软件，导人相应数据，通过分析计算得到采场总体边坡稳定性最小安全系数，从而验证设计选取的各边坡参数的合理性，该计算分析方法对矿山设计阶段确定矿山终了边坡的的稳定性具有很强的理论指导意义。
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