露天矿山边坡稳定性分析

摘要：随着经济社会的快速发展，对矿产资源的需求也不断提升，露天矿山边坡安全管理的问题也不断突显。边坡安全是露天矿山安全生产的重要组成部分，露天矿山边坡稳定性分析是边坡设计、边坡稳定状态判别、边坡加固与治理的重要决策依据，对保障矿山安全生产具有重要的意义。

关键字：露天矿山、边坡稳定性、定量分析、数值分析

一、政策文件背景

在矿产资源的持续开发利用过程中，露天开采边坡暴露面积越来越大，其不稳定因素愈来愈多，对生态环境扰动与破坏影响较大。露天矿山的边坡问题持续于矿山开采全生命周期，边坡一旦引发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，不仅影响矿山正常生产，严重时还会造成人员伤亡与财产损失。 

为加强矿山安全生产工作，管理部门出台了一系列的规范和文件，明确要求矿山企业在矿山设计、边坡开采、边坡治理等环节应开展边坡稳定性分析和评价工作。

 1.1 相关政策文件要求 

（1）《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014） 露天矿边坡工程应进行边坡工程勘察和稳定性评价，确定矿山边坡的最优边坡角，并提出矿山边坡运行维护的建议。 

（2）《国家安全监管总局关于印发金属非金属矿山建设项目安全评价报告编写提纲的通知》 安监总管一〔2016〕49号 在进行安全预评价报告的编制过程当中，对采剥单元和排土场单元可能存在的主要危险、有害因素应进行危险度定性评价。 

（3）《金属非金属矿山安全规程》（GB16423-2020） 5.2.4.5款规定：矿山应建立健全边坡安全管理和检查制度，每5年进行一次边坡稳定性分析。 5.2.4.6款规定：高度超过200m的露天矿山应进行在线监测，对承受水压的边坡应进行水压监测。 5.5.3.2款规定：矿山应建立排土场边坡稳定监测制度，边坡高度超过200m的，应设边坡稳定监测系统，防止发生泥石流和滑坡。 

（4）《国家矿山安全监察局关于印发关于<加强非煤矿山安全生产工作的指导意见>的通知》矿安〔2022〕4号 

1）现状高度200m及以上的边坡，应当进行在线监测。现状高度100m及以上的边坡，应当每年进行一次边坡稳定性分析。

 2）现状堆置高度200m及以上的排土场，应当进行在线监测。现状堆置高度100m及以上的排土场，应当每年进行一次边坡稳定性。

二、露天矿边坡稳定性评价方法

2.1 定性分析方法介绍 

定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而对边坡的稳定性状况及其可能发展趋势进行定性说明和解释。 

常用方法主要有：自然历史分析法、工程地质类比法、边坡稳定性分析数据库、专家系统及赤平极射投影（图解法）等。 工程类比法主要是在参考已有边坡工程的基础上，对所需评价工程边坡作出充分调查和分析，进而判断其稳定性状态。 

赤平投影法是一种简便、直观、形象的综合图解方法。在工程地质上，用来表示优势结构面或某些重要结构面的产状及其空间组合关系；在分析岩体稳定性时，还可利用其来表示临空面、边坡面、工程作用力、岩体阻抗力及岩体变形滑移方向等。

2.2 定量分析方法介绍 

定量分析方法以边坡安全系数作为评判准则。边坡安全系数是指沿假定滑裂面的抗滑力与滑动力的比值，当该比值大于1时，坡体稳定；等于1时，坡体处于极限平衡状态；小于1时，边坡即发生破坏。 

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）的规定：露天矿边坡工程设计安全系数应结合矿山边坡高度等级、危害等级及边坡工程安全等级等确定。

注：1、荷载组合Ⅰ为自重+地下水；荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破振动力；荷载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力。2、对台阶边坡和临时性工作边坡，允许有一定程度的破坏，设计安全系数可适当降低。定量分析分为确定性分析与不确定性分析。目前关于边坡稳定性定量评价主要采用极限平衡法、岩土数值分析方法。

（1）极限平衡法

极限平衡法是一种在国内外边坡稳定性分析中使用最为广泛的方法。其理论基础为：对边坡体进行条分，并依据静力学平衡原理，计算已知滑裂面上的抗滑力和下滑力的比值，该值即为所求边坡的稳定安全系数并由此确定最危险滑裂面的位置及形状。

极限平衡分析方法有Fillenius法、简化Bishop法、Janbu法、Spencer法、Sarma法、 Morgenstern法、余推力法等。这些方法因采用的假定条件不同，它们的计算精度及适用条件也不一样。

（2）岩土数值模拟分析

随着数学、计算力学理论以及计算机技术的发展，数值模拟分析能很好地综合考虑时间和温度、渗流等因素、介质的非线性、材料的各向异性以及复杂边界条件等问题，使得极限平衡法无法克服的一些缺陷得以解决，因此在边坡稳定性分析中得到了广泛的应用。 目前对于边坡稳定性的数值分析软件众多，有ITASCA公司开发的：FLAC、PFC、UDEC等，MIDAS公司开发的：MIDAS GTS、MIDAS SoilWorks、MIDAS GeoX GTS等，以及其它岩土工程数值模拟软件GeoStudio、ANSYS、RFPA等。主要分析方法有：有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法等。

三、露天矿边坡数值模拟分析

3.1 数值模拟基本流程 露天矿山边坡工程是一个非常复杂的三维空间、非线性问题，模拟计算结果是否符合实际的客观规律主要取决于以下因素： 

（1）岩土材料的材料属性及本构模型的选择； 

（2）计算数值模型的合理建立；

（3）工程地质条件准确获取。

 露天矿山边坡数值模拟基本流程如下：

3.2 数值模型的建立

数值模型的准确建立是影响模拟结果的关键。一般可利用3DMine矿业软件进行地形处理优化，通过Midas/GTS有限元软件进行相关操作得到三维实体模型并划分四面体网格，之后导入FLAC3D进行解算。

3.3 数值模拟分析内容 

（1）应力场分析 通过对边坡的应力场和位移场分析，能了解边坡的变形破坏机制。一般应力场分析主要对比分析最大主应力、最小主应力及岩体抗压、抗拉强度。

（2）位移场分析边坡位移分析是边坡稳定性分析的重要组成部分。通过边坡位移分析，可清楚边坡开挖后位移分布情况。

（3）塑性区分析

边坡可以以塑性区（或者等效塑性应变）从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志。

（4）稳定性系数分析

边坡稳定性系数 K 是指沿假定滑裂面的抗滑力与滑动力的比值，不同工况边坡稳定性系数可与边坡工程设计安全系数进行对比分析。

四、结语

随着国家对矿山安全监管的日益重视，矿山企业对安全生产的投入逐渐提升。开展边坡稳定性分析工作已经成为露天矿山企业办理安全生产许可证过程中，进行“三同时”审查的必要附件材料，同时也是企业进行日常安全管理的重要工作手段。

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