广西某高岭土露天矿最终边坡稳定性分析

李和群 LI He-qun；
李学锋 LI Xue-feng；
宋勇军 SONG Yong-jun；
段善达 DUAN Shan-da；
黄旭兴 HUANG Xu-xing；
杨一豪 YANG Yi-hao；
肖武宁 XIAO Wu-ning

（广西大学资源环境与材料学院，南宁 530004）

中南地区高岭土矿区查明资源储量占到全国查明资源储量的56%，其中广西壮族自治区查明资源储量占全国总查明资源储量的30%以上[1]。高岭土矿床类型主要包括风化型、沉积型和热液蚀变型，风化型高岭土矿广泛分布在中国南方，亚热带和热带季风气候为母岩的风化带来良好的条件[2]。风化型高岭土矿又分为风化残积型和风化淋积型，风化残积亚型矿床数量和查明资源储量都最多，占全国高岭土查明资源储量的61%[3]。本文工程背景位于广西藤县，属于风化型残积型高岭土，该类型高岭土矿山分布广、数量多。该矿山开采技术方案、岩体强度参数、采场边坡参数及最终边坡稳定性分析结果可为其他同类型矿山提供参考。

定性分析和定量分析相结合，是分析边坡稳定性的主要手段[4]。定性分析，包括图解法、工程地质类比法、地质历史分析法[5]。定量分析中极限平衡法[6]分析边坡的稳定性，把研究滑体切成若干条块视作刚体，假定服从摩尔—库伦准则，对潜在的危险滑移面建立二维的平衡静力方程，求出安全系数。极限平衡法原理简单，适用性强，精确度满足工程需求，在实际工程运用广泛，常用的极限平衡法有Janbu条分法、Bishop条分法等。何旭[7]对露天矿山边坡进行地质调查，在此基础上运用赤平投影法对边坡进行定性评价并且进行RMR法分级；
同时运用Phase软件和Slide软件对边坡进行数值模拟，做出定量评价。通过定性和定量评价，相互印证边坡的稳定性。本文在工程地质调查的基础上对边坡进行岩体质量评价，确定岩体强度参数，基于极限平衡法对最终边坡进行稳定性分析。

矿山区域位于华夏陆块钦州褶皱系，六万大山凸起北东端，区域内岩浆岩较为发育，自华力西期至燕山晚期均有出露。矿段内及矿段外分布有晚白垩纪古祀大山单元霏细（斑）岩体（K2υπ）。该高岭土矿山为生产多年的山坡露天矿，采用公路开拓-汽车运输系统，自上而下分台阶开采，采用中深孔松动爆破工艺，机械二次破碎大块矿石，挖掘机铲装汽车运输，矿石回采率95%。设计确定矿山生产规模为280万吨/年，服务年限约为10.5年。开采前后矿区工程地质条件均属中等类型，水文地质条件复杂程度均属简单类型。采场设计最高标高+238m，采场底部最低标高+80m，最大开采深度158m。

2.1 岩体工程地质条件

高岭土矿体主要产于霏细（斑）岩风化壳中，原岩为霏细斑岩或霏细岩。根据矿体的风化程度将矿体划分为强风化矿体、中风化矿体和微风化矿体三种。岩石抗压强度等通过室内试验确定，其他指标通过现场地质调查获得。

①强风化霏细（斑）岩矿体。矿层呈不规则状、长条状，倾向、倾角与地形坡向、坡角基本一致，单工程厚度1.70～12.20m，平均5.41m。主要发育282°∠61°、213°∠71°两组剪节理，节理密度分别为11条/m、4条/m。结构面平均间距小于6cm，严重风化。岩块饱和抗压强度一般为6.83～10.32MPa，平均值为8.12MPa，软化系数0.1～0.2，容重14.1kN/m3，属块状软弱岩石；
②中风化霏细（斑）岩矿体。矿层呈被子状分布在整个矿段内，倾向、倾角与地形坡向和坡角基本一致，单工程厚度1.25～35.40m，平均14.17m。主要发育171°∠65°、263°∠86°两组剪节理，节理密度分别为11条/m、4条/m。结构面平均间距15.4cm，节理平直微粗糙，连续无充填，张开度为1~5mm。饱和单轴抗压强度47.49～62.18MPa，平均值为53.0MPa，容重24.0kN/m3，属块状半坚硬岩石；
③微风化霏细（斑）岩矿体。矿层呈被子状分布于整个矿段中，倾向、倾角与地形坡向、坡度基本一致，单工程厚度4.30～11.00m，平均8.98m。主要发育210°∠86°、270°∠90°两组剪节理，节理密度分别为3条/m、5条/m。结构面平均间距28.6cm，节理平直微粗糙，连续无充填，张开度为1~3mm。饱和单轴抗压强度86.43～98.26MPa，平均值为92.35MPa，容重24.7kN/m3，属块状坚硬岩石。

2.2 岩体质量评价

①RQD分级。岩石质量指标（RQD）由Deere[8]提出，反应岩体被结构面的切割程度，用于岩石的完整性分类。当岩芯不可利用或钻孔未取岩芯时，可以根据Palmstrom提出的体积节理数Jv与RQD之间的关系RQD=115-3.3JV去判断岩体RQD值。体积节理数Jv通过现场的调查结果进行估算，当结构面均匀分布时，把实际测量范围内的几组节理面密度相加乘于一个经验系数K，K=1.15~1.35[9]，本文取值为1.35。RQD分级结果如表1所示。

表1 RQD分级结果

②RMR分级。地质力学分类系统（RMR系统）是Bieniawski[10]提出的，RMR系统根据岩块抗压强度、岩体RQD值、节理间距、节理的状态和地下水赋存情况五类评价指标进行评价，将各指标的评分数值求和减去修正值得到岩体RMR得分值，对岩体进行质量评价。根据所划分的岩组，RMR分级结果如表2所示。

表2 RMR分级结果

3.1 岩体强度参数确定

根据现场的调查结果和实验测的岩石力学参数，基于广义Hoek-Brown准则利用RocLab软件估算岩体参数。在软件中输入GSI、材料常数mi、扰动系数D和岩石单轴抗压强度参数进行岩体强度折减计算，参数根据计算公式和查表确定，计算得到的岩体强度参数如表3所示。

表3 边坡岩体力学参数

根据矿山现场调查数据，结合计算公式[11]，可以确定岩体的干密度、饱和度、孔隙比等参数，具体参数如表4所示。

表4 岩体渗透参数

3.2 采场边坡参数确定

根据矿体的开采技术条件和矿岩物理力学性质，矿石分为强风化、中风化、微风化类型，其硬度普氏系数为2～8，赋矿围岩硬度普氏系数为2～8，综合考虑开采深度、露天采场服务年限等因素。本设计选定的露天采场边坡参数如表5所示。

表5 露天采场边坡参数

4.1 安全系数选取

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014），对边坡危害等级、边坡工程安全等级进行划分，边坡危害等级为Ⅲ，边坡工程安全等级为Ⅲ。根据地质报告，本矿山最低开采标高高于当地最低侵蚀基准面及地下水位，该采场的爆破作业属小型爆破工程，产生的爆破震动对边坡的影响不大，因此，边坡稳定性不计算地下水、爆破振动力的影响，边坡工程设计取正常工况安全系数为1.15，非正常工况安全系数为1.10。

4.2 最终边坡稳定性分析

根据现场调查发现，采场边坡角较陡，边坡岩土体结构松散，同时为指导生产管理，按照矿山初步设计情况对最终边坡进行稳定性分析。本文利用Slide软件对露天采场二采坑坡度较陡的南帮和北帮边坡进行稳定性计算，为边坡监测以及治理措施提供依据。Slide软件的理论基础是极限平衡法，内置多种分析方法，包括瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、M-P法等。本文边坡稳定性分析采用同时满足力和力矩平衡的Spencer法和M-P法，此两种方法也适用于各种滑面类型，岩体强度准则采用莫尔库伦准则。其最终边坡边坡剖面位置选取如图1所示。通过CAD建立剖面A、B的剖面图，得到dxf文件导入到Slide中，在前述岩体强度参数基础上利用Slide软件建立边坡计算模型并对边坡进行稳定性计算，Slide计算结果如表6所示。

表6 边坡稳定性计算结果

图1 剖面线布置图

计算所选工况如下：

正常工况：计算仅自重情况下的现状的最终边坡稳定性；

暴雨工况：计算现状边坡和最终边坡在连续暴雨一天情况下的稳定性，取该地区历史最大降雨量为计算参数，多年来最大日降雨量为136.7mm；

地震工况：计算现状边坡和最终边坡在地震情况下的稳定性，地震加速度取历史最大值，为0.05。

根据计算结果，采场南北边坡最小安全系数在三种工况下均高于规定安全系数，两种分析方法的计算结果基本一致，计算结果较为准确，最终边坡状态稳定。暴雨工况和地震工况下安全系数均有较大降低，其中暴雨工况下安全系数最小，采场南部边坡在暴雨工况下略高于规定安全系数。A剖面计算简图见图2、图3，B剖面计算简图见图4、图5。由图可知不同方法得出的潜在滑动面分布略有不同，但同一种方法下不同工况的潜在滑动面基本一致，最危险滑动面均位于强风化矿层，该层安全系数最小。

图2 A剖面Spence法计算结果

图3 A剖面M-P法计算结果

图4 B剖面Spence法计算结果

图5 B剖面M-P法计算结果

在现场工程地质调查与分析和室内岩石力学实验的基础上进行岩体质量评价，并进一步确定岩体强度参数，基于极限平衡法经Slide软件计算，该高岭土露天矿初步设计中二采坑南部和北部的最终边坡在正常、暴雨和地震工况下均处于稳定状态，采场边坡参数选取可行，可为同类矿山初步设计提供参考。由计算结果分析可知，边坡上部强风化层稳定性较差，且暴雨对边坡稳定性有较大影响，为保证矿山安全生产，需要加强采场排水设施建设，应严格按照设计方案进行开采，同时对于高陡边坡部位进行削坡减载，保证边坡坡度在合理范围内。