工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 吴顺川贺鹂彬程海勇王广和张小强张中信 Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine WU Shun-chuan,HE Peng-bin,CHENG Hai-yong.WANG Guang-he,ZHANG Xiao-qiang.ZHANG Zhong-xin 引用本文： 吴顺川，贺鹏彬，程海勇，王广和，张小强，张中信.非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨).工程科学学报，优先发表 .doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.02.01.001 WU Shun-chuan,HE Peng-bin,CHENG Hai-yong.WANG Guang-he,ZHANG Xiao-qiang.ZHANG Zhong-xin.Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi: 10.13374-issn2095-9389.2021.02.01.001 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.02.01.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于MSR300雷达监测的凹山采场降雨条件下的边坡变形及滑坡 Investigation of deformation and failure in washan slope considering rainfall conditions based on MSR300 radar monitoring 工程科学学报.2018,40(4：407htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.003 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报.2019,41(11)：1374htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.05.07.004 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall 工程科学学报.2021,433：365 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.09.01.005 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks 工程科学学报.2017,392：182htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.003 软土地基堤围稳定性计算方法 Calculation method of stability of soft soil foundation embankment 工程科学学报.2019,41(5：573 https:loi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.05.003 三维确定性模型在浅层黄土滑坡稳定性预测中的应用 Application of a 3D deterministic model for predicting shallow loess landslide stability 工程科学学报.2018,40(4：397htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.04.002
非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 吴顺川 贺鹏彬 程海勇 王广和 张小强 张中信 Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine WU Shun-chuan, HE Peng-bin, CHENG Hai-yong, WANG Guang-he, ZHANG Xiao-qiang, ZHANG Zhong-xin 引用本文: 吴顺川, 贺鹏彬, 程海勇, 王广和, 张小强, 张中信. 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨[J]. 工程科学学报, 优先发表 . doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001 WU Shun-chuan, HE Peng-bin, CHENG Hai-yong, WANG Guang-he, ZHANG Xiao-qiang, ZHANG Zhong-xin. Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于MSR300雷达监测的凹山采场降雨条件下的边坡变形及滑坡 Investigation of deformation and failure in washan slope considering rainfall conditions based on MSR300 radar monitoring 工程科学学报. 2018, 40(4): 407 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.003 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude 工程科学学报. 2019, 41(11): 1374 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004 强降雨条件下孔隙气压作用的高台阶排土场渗流与稳定性 Seepage and stability analysis of pore air pressure on a high-bench dump under heavy rainfall 工程科学学报. 2021, 43(3): 365 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.01.005 三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究 Numerical analysis of the failure modes and stability of 3D slopes with interbreeding of soft and hard rocks 工程科学学报. 2017, 39(2): 182 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.003 软土地基堤围稳定性计算方法 Calculation method of stability of soft soil foundation embankment 工程科学学报. 2019, 41(5): 573 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.003 三维确定性模型在浅层黄土滑坡稳定性预测中的应用 Application of a 3D deterministic model for predicting shallow loess landslide stability 工程科学学报. 2018, 40(4): 397 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.002
工程科学学报.第44卷，第X期：1-10.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-10,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001;http://cje.ustb.edu.cn 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 吴顺川2，贺鹏彬，程海勇2)四，王广和)，张小强)，张中信 1)昆明理工大学国土资源工程学院，昆明6500932)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000833)中勘冶 金勘察设计研究院有限责任公司，保定071051 ☒通信作者，E-mail:haiker2007@163.com 摘要根据露天矿山的生产工艺特征，将岩质边坡划分为总体边坡、路间边坡和台阶边坡三种尺度，并对其控制因素、破 坏模式进行了分析：结合土木工程边坡规范和非煤露天矿山边坡规范的边坡设计安全系数取值，讨论了国内外非煤露天矿山 边坡设计安全系数的要求，提出了六条建议：综合考虑服务年限、边坡尺度规模的设计安全系数改进方案，并引入失稳概率， 拓展了不同尺度边坡稳定性评价的设计标准，可有效提升非煤露天矿岩质边坡稳定性评价的合理性和科学性，进一步完善了 矿山边坡设计理论和方法， 关键词露天矿山：岩质边坡：设计安全系数：失稳概率：边坡稳定性：评价标准 分类号TD804 Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine WU Shun-chuan2.HE Peng-bin,CHENG Hai-yong WANG Guang-he,ZHANG Xiao-qiang,ZHANG Zhong-xin 1)Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China 2)Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines(Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 3)Zhongkan Metallurgical Geotechnical Investigation Design and Research Institute Co.,Ltd,Baoding 071051,China Corresponding author,E-mail:haiker2007@163.com ABSTRACT As an important way to obtain mineral resources,open-pit mining has accounted for about 77%of the total production of the mined iron ore,and about 52%of the total production of non-ferrous ore,indicating huge development potential.With the continuous development of open-pit mines to deep and large-scale directions,the height of mine slopes is constantly increasing and the maximum height has exceeded kilometers.Slope instability disaster is a major problem faced by open-pit mines,and the evaluation and analysis of the stability of mine slopes are of great importance.However,in the stability evaluation and analysis of rock slopes in many open-pit mines,the engineering scale is ignored,the value of design safety factor is too conservative,and the evaluation index is single,rendering it difficult to consider the economy and safety of mine slope evaluation and resulting in the waste of resources and frequent accidents.In this paper,rock slopes were divided into three scales according to the production process characteristics of open-pit mines:(1)overall slope,(2)inter-ramp slope,and (3)bench slope.Moreover,the control elements and failure modes of the slopes were analyzed. Combined with the design safety factor value of the civil-engineering slope standards and specifications of a non-coal open-pit mine slope,the design safety factor requirements of non-coal open-pit mine slopes at home and abroad were discussed,then six suggestions were put forward.Comprehensively taking service years and the improved scheme of design safety factor in slope scale into consideration,the instability probability were introduced to extend the design standard of slope stability evaluation in different scales, which can effectively improve the rationality and scientificity of the rock slope stability evaluation in non-coal open-pit mines,further improving the mining slope design theory and method. 收稿日期：2021-02-01 基金项目：云南省创新团队资助项目(202105AE160023):云南省高校科技创新团队资助项目(KKTA201921003)
非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 吴顺川1,2)，贺鹏彬1)，程海勇1,2) 苣，王广和3)，张小强1)，张中信1) 1) 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 3) 中勘冶 金勘察设计研究院有限责任公司，保定 071051 苣通信作者， E-mail: haiker2007@163.com 摘 要 根据露天矿山的生产工艺特征，将岩质边坡划分为总体边坡、路间边坡和台阶边坡三种尺度，并对其控制因素、破 坏模式进行了分析；结合土木工程边坡规范和非煤露天矿山边坡规范的边坡设计安全系数取值，讨论了国内外非煤露天矿山 边坡设计安全系数的要求，提出了六条建议；综合考虑服务年限、边坡尺度规模的设计安全系数改进方案，并引入失稳概率， 拓展了不同尺度边坡稳定性评价的设计标准，可有效提升非煤露天矿岩质边坡稳定性评价的合理性和科学性，进一步完善了 矿山边坡设计理论和方法. 关键词 露天矿山；岩质边坡；设计安全系数；失稳概率；边坡稳定性；评价标准 分类号 TD804 Discussion on the stability evaluation standard of a rock slope in a noncoal open-pit mine WU Shun-chuan1,2) ，HE Peng-bin1) ，CHENG Hai-yong1,2) 苣 ，WANG Guang-he3) ，ZHANG Xiao-qiang1) ，ZHANG Zhong-xin1) 1) Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2) Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mines (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Zhongkan Metallurgical Geotechnical Investigation Design and Research Institute Co., Ltd, Baoding 071051, China 苣 Corresponding author, E-mail: haiker2007@163.com ABSTRACT As an important way to obtain mineral resources, open-pit mining has accounted for about 77% of the total production of the mined iron ore, and about 52% of the total production of non-ferrous ore, indicating huge development potential. With the continuous development of open-pit mines to deep and large-scale directions, the height of mine slopes is constantly increasing and the maximum height has exceeded kilometers. Slope instability disaster is a major problem faced by open-pit mines, and the evaluation and analysis of the stability of mine slopes are of great importance. However, in the stability evaluation and analysis of rock slopes in many open-pit mines, the engineering scale is ignored, the value of design safety factor is too conservative, and the evaluation index is single, rendering it difficult to consider the economy and safety of mine slope evaluation and resulting in the waste of resources and frequent accidents. In this paper, rock slopes were divided into three scales according to the production process characteristics of open-pit mines: (1) overall slope, (2) inter-ramp slope, and (3) bench slope. Moreover, the control elements and failure modes of the slopes were analyzed. Combined with the design safety factor value of the civil-engineering slope standards and specifications of a non-coal open-pit mine slope, the design safety factor requirements of non-coal open-pit mine slopes at home and abroad were discussed, then six suggestions were put forward. Comprehensively taking service years and the improved scheme of design safety factor in slope scale into consideration, the instability probability were introduced to extend the design standard of slope stability evaluation in different scales, which can effectively improve the rationality and scientificity of the rock slope stability evaluation in non-coal open-pit mines, further improving the mining slope design theory and method. 收稿日期: 2021−02−01 基金项目: 云南省创新团队资助项目（202105AE160023）；云南省高校科技创新团队资助项目（KKTA201921003） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−10，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−10, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.01.001; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 KEY WORDS open-pit mine;rock slope;design safety factor;instability probability:slope stability:evaluation standard 矿业作为国民经济的支柱型产业，为经济发 性状态.可靠性分析方法采用概率统计方式对稳 展提供物质基础，发挥了不可替代的作用山.我国 定性评价结果的准确性和真实性进行评判，是分 露天矿数量众多，露天开采的非煤矿石产量在总 析岩土工程不确定性的有效方法 矿石产量中占较大比重.铁矿石量露天开采约占 近年来，可靠性分析方法在边坡稳定性评价 铁矿石开采总量的77%，有色金属矿石量露天开 中发展迅速.Terbrugge等9采用事件树模型将多 采约占有色金属矿石开采总量的52%，化工材料 种风险与边坡破坏联系起来，得到了边坡失稳概 矿石量露天开采约占化工材料矿石开采总量的70%， 率.Johari与Larino将岩质边坡的破坏模式分为四 建筑材料矿石量露天开采近似占建筑材料矿石开 种，探讨了不同高度及破坏模式对边坡系统失稳 采总量的100%随着我国露天矿山开采持续向 概率的影响，建立了直接评估岩质边坡失稳概率 深部、高强度、大规模方向发展，由于地质条件恶 的模型.Obregon与Mitri结合矿山实例对露天 化、地应力增加、涌水量增多等诸多不利因素的 矿台阶边坡的失稳概率进行了研究.陈群等采 影响，边坡稳定性及其管理问题越来越突出，制约 用蒙特卡罗法研究了坝体边坡的岩体强度参数不 着我国矿产资源的安全、高效开发 确定性对边坡失稳概率的影响.吴顺川等)采用 据不完全统计，近十余年来，金属、非金属露 类比法和校准法确定了露天矿边坡不同等级的目 天矿山边坡发生滑坡事故1951起，占全国滑坡事 标可靠度指标建议值，提出了服务年限修正系数， 故总起数的15%，居第3位；死亡3065人，占滑坡 建议了考虑安全等级与服务年限双重因素的矿山 死亡总人数的18.75%，居于首位)2017年全国非 边坡目标可靠度.饶运章等采用逻辑回归模型 煤矿山生产安全事故统计显示，矿山边坡垮塌事 对失稳概率和安全系数的函数关系进行了研究， 故28起、死亡38人，居矿山所有安全事故第3位 结合案例验证了拟合函数的准确性.其他学者对 露天可矿山边坡失稳造成重大人员伤亡和巨大经济 地震)、降雨条件下的边坡失稳概率开展了相 损失，严重威胁矿山生产安全 关研究 设计安全系数作为边坡稳定性评价的关键指 不同尺度规模的岩质边坡稳定性控制要素和 标，其合理取值对矿山安全生产与持续发展具有 破坏模式不尽相同，稳定性评价考虑的因素应有 重要影响.随露天矿山持续向深部开采，边坡地质 所侧重，现有的稳定性评价标准以一概之势必会 特征和规模愈来愈复杂多变，分析多种尺度与组 造成不必要的资源损失.本文基于露天矿山边坡 合工况条件下边坡稳定性的难度不断加大，更为 的特点和分类，对破坏模式进行分析：讨论了边坡 重要的是，设计安全系数的合理取值亟需开展进 稳定性评价中存在的问题，类比土木工程边坡的 一步的深化研究 设计安全系数，重点对非煤露天矿山边坡的设计 王四巍等分析了国内外矿山边坡设计安全 安全系数取值进行讨论：探讨将可靠性分析方法 系数标准，发现美国阿波罗尼亚咨询公司和加拿 引入稳定性评价的合理性，并建议了不同尺度露 大采矿部门选用的采矿边坡设计安全系数一般为 天矿边坡稳定性评价的设计安全系数取值标准. 1.30~1.50,英国国家煤矿委员会选用的设计安全 1矿山岩质边坡特征与破坏模式 系数为1.25~1.50，统计表明国外学者提出的总体 边坡设计安全系数多为1.30~1.50.国内《非煤露 1.1矿山岩质边坡的特点 天矿边坡工程技术规范》GB51016一2014选用 岩质边坡主要涉及土木工程和采矿工程两大 的总体边坡设计安全系数为1.05~1.25.杜时贵等71 领域，土木工程范围较广，包含公路、铁路、水利 对大型露天矿山边坡设计安全系数的取值精度进 及市政等多个行业，采矿工程主要指露天矿山 行了探索 与土木工程相比，露天矿山边坡具有显著的 目前，露天矿边坡稳定性评价一般采用确定 特点，主要包括以下五个方面 的岩体参数进行计算分析，但由于实际工程中地 (1)边坡稳定影响因素的复杂性：露天矿山边 质条件、试验设备和其他因素的影响，岩体参数难 坡设计及施工由矿体赋存条件决定，岩体结构、地 以精确测定，稳定性计算难以准确反映边坡稳定 下水以及原岩应力状态等均具有不可选择性
KEY WORDS open-pit mine；rock slope；design safety factor；instability probability；slope stability；evaluation standard 矿业作为国民经济的支柱型产业，为经济发 展提供物质基础，发挥了不可替代的作用[1] . 我国 露天矿数量众多，露天开采的非煤矿石产量在总 矿石产量中占较大比重. 铁矿石量露天开采约占 铁矿石开采总量的 77%，有色金属矿石量露天开 采约占有色金属矿石开采总量的 52%，化工材料 矿石量露天开采约占化工材料矿石开采总量的 70%， 建筑材料矿石量露天开采近似占建筑材料矿石开 采总量的 100% [2] . 随着我国露天矿山开采持续向 深部、高强度、大规模方向发展，由于地质条件恶 化、地应力增加、涌水量增多等诸多不利因素的 影响，边坡稳定性及其管理问题越来越突出，制约 着我国矿产资源的安全、高效开发. 据不完全统计，近十余年来，金属、非金属露 天矿山边坡发生滑坡事故 1951 起，占全国滑坡事 故总起数的 15%，居第 3 位；死亡 3065 人，占滑坡 死亡总人数的 18.75%，居于首位[3] . 2017 年全国非 煤矿山生产安全事故统计显示，矿山边坡垮塌事 故 28 起、死亡 38 人，居矿山所有安全事故第 3 位[4] . 露天矿山边坡失稳造成重大人员伤亡和巨大经济 损失，严重威胁矿山生产安全. 设计安全系数作为边坡稳定性评价的关键指 标，其合理取值对矿山安全生产与持续发展具有 重要影响. 随露天矿山持续向深部开采，边坡地质 特征和规模愈来愈复杂多变，分析多种尺度与组 合工况条件下边坡稳定性的难度不断加大，更为 重要的是，设计安全系数的合理取值亟需开展进 一步的深化研究. 王四巍等[5] 分析了国内外矿山边坡设计安全 系数标准，发现美国阿波罗尼亚咨询公司和加拿 大采矿部门选用的采矿边坡设计安全系数一般为 1.30～1.50，英国国家煤矿委员会选用的设计安全 系数为 1.25～1.50，统计表明国外学者提出的总体 边坡设计安全系数多为 1.30～1.50. 国内《非煤露 天矿边坡工程技术规范》GB 51016—2014[6] 选用 的总体边坡设计安全系数为 1.05～1.25. 杜时贵等[7−8] 对大型露天矿山边坡设计安全系数的取值精度进 行了探索. 目前，露天矿边坡稳定性评价一般采用确定 的岩体参数进行计算分析，但由于实际工程中地 质条件、试验设备和其他因素的影响，岩体参数难 以精确测定，稳定性计算难以准确反映边坡稳定 性状态. 可靠性分析方法采用概率统计方式对稳 定性评价结果的准确性和真实性进行评判，是分 析岩土工程不确定性的有效方法. 近年来，可靠性分析方法在边坡稳定性评价 中发展迅速. Terbrugge 等[9] 采用事件树模型将多 种风险与边坡破坏联系起来，得到了边坡失稳概 率. Johari 与 Lari[10] 将岩质边坡的破坏模式分为四 种，探讨了不同高度及破坏模式对边坡系统失稳 概率的影响，建立了直接评估岩质边坡失稳概率 的模型. Obregon 与 Mitri[11] 结合矿山实例对露天 矿台阶边坡的失稳概率进行了研究. 陈群等[12] 采 用蒙特卡罗法研究了坝体边坡的岩体强度参数不 确定性对边坡失稳概率的影响. 吴顺川等[13] 采用 类比法和校准法确定了露天矿边坡不同等级的目 标可靠度指标建议值，提出了服务年限修正系数， 建议了考虑安全等级与服务年限双重因素的矿山 边坡目标可靠度. 饶运章等[14] 采用逻辑回归模型 对失稳概率和安全系数的函数关系进行了研究， 结合案例验证了拟合函数的准确性. 其他学者对 地震[15]、降雨[16] 条件下的边坡失稳概率开展了相 关研究. 不同尺度规模的岩质边坡稳定性控制要素和 破坏模式不尽相同，稳定性评价考虑的因素应有 所侧重，现有的稳定性评价标准以一概之势必会 造成不必要的资源损失. 本文基于露天矿山边坡 的特点和分类，对破坏模式进行分析；讨论了边坡 稳定性评价中存在的问题，类比土木工程边坡的 设计安全系数，重点对非煤露天矿山边坡的设计 安全系数取值进行讨论；探讨将可靠性分析方法 引入稳定性评价的合理性，并建议了不同尺度露 天矿边坡稳定性评价的设计安全系数取值标准. 1 矿山岩质边坡特征与破坏模式 1.1 矿山岩质边坡的特点 岩质边坡主要涉及土木工程和采矿工程两大 领域，土木工程范围较广，包含公路、铁路、水利 及市政等多个行业，采矿工程主要指露天矿山. 与土木工程相比，露天矿山边坡具有显著的 特点，主要包括以下五个方面: (1) 边坡稳定影响因素的复杂性: 露天矿山边 坡设计及施工由矿体赋存条件决定，岩体结构、地 下水以及原岩应力状态等均具有不可选择性. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
吴顺川等：非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 3 (2)边坡稳定性认识的阶段性：露天矿山边坡 Bench surface Bench face angle 开挖是动态过程，边坡自上而下划分为多台阶的 水平，组合形成的不同尺度边坡稳定性存在差异， Ramp/ 随矿山开采过程不断变化且贯穿服务年限的始终. (3)边坡的可变形性：露天矿山边坡存在服务 年限，与矿床的工业储量和开采设计有关，非永久 Ramp. Inter-ramp angle 性边坡.在不影响安全生产的基础上，允许服务年 限内边坡产生一定的变形和局部失稳， Floor /Overall angle (4)边坡的深部延伸性：随着大型采掘设备的 图1露天矿岩质边坡结构参数与台阶分类示意图 发展和资源的不断开发利用，深凹露天矿成为发 Fig.I Diagram of the structural parameters and step classification of a 展趋势)，边坡不断向深部延伸，高度是动态的， rock slope in an open-pit mine 且始终受到爆破振动的影响 阶所组成的边坡，也称多台阶边坡或组合台阶边坡； (⑤)边坡工程的经济性：露天矿山边坡更加注 (3)台阶边坡：按一定厚度分层由上向下逐层 重安全性与经济性的平衡，边坡角不仅影响矿山 采掘时形成的单个台阶，包括平台和平台之间的 边坡稳定程度，同时影响矿山剥采比，提高边坡角 坡面 可有效降低剥采比，增加矿山效益 1.3矿山岩质边坡破坏模式 1.2矿山岩质边坡的分类 岩质边坡失稳的破坏模式复杂，坚硬岩体的 《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016一 强度较高，结构面为主要控制因素：对于软弱岩 2014阿按矿山边坡高度将其划分为四级：(1)超高 体，岩体强度为主要控制因素.岩质边坡失稳的破 边坡：高度>500m;(2)高边坡：300m<高度≤500m: (3)中边坡：100m<高度≤300m:(4)低边坡：高度≤ 坏模式可分为结构控制的边坡失稳、部分结构控 100m. 制的边坡失稳和岩体强度控制的边坡失稳.由于 吴顺川等剧按边坡岩体结构类型将边坡划分 总体边坡、路间边坡和台阶边坡的尺度规模不同 为四类：(1)均质或似均质体边坡：(2)层状体边坡： 可能发生的破坏模式因结构面和岩体强度的力学 (3)块状体边坡：(4)软弱基座体边坡 特性差异而有所不同. 考虑到矿山边坡的特点、岩体结构的复杂性 总体边坡的破坏模式主要包括部分结构控制 等综合因素，仅按照高度和边坡岩体结构类型划 失稳和岩体强度控制失稳二类.部分结构控制的 分是不够的，还需在尺度规模、实际功能等方面作 失稳破坏，滑动面一部分沿结构面滑动，一部分位 进一步细化分类，更好地为矿山边坡稳定性评价 于岩体中，可发生平面破坏、楔形破坏或组合滑面 提供支撑，可从以下三个方面进行考虑： 破坏；岩体强度控制的失稳破坏，一般不受优势结 首先，在露天矿山设计和规划中，根据矿石开 构面控制.滑动面主要位于岩体中，以弧形破坏为 采运输需求和生产工艺特点，在开采过程中不同 主，也可呈现崩塌、扩离等破坏形式.总体边坡的 水平的台阶功能不同 安全性要求最高，一旦发生破坏，潜在人员伤亡和 其次，矿山岩质边坡的不同尺度台阶，破坏后 经济损失较大，甚至可造成摧毁矿山的严重后果， 果是不同的，开采时期内总体边坡应保持稳定，而 路间边坡的破坏模式主要包括结构控制失 台阶边坡允许一定的破坏. 稳、部分结构控制失稳和岩体强度控制失稳.结 最后，矿山岩质边坡岩体的尺度规模不同，其 构控制的失稳破坏，滑动面沿着结构面或结构面 稳定性控制要素也不同，岩体与结构面的抗剪强 组滑动，可发生平面破坏和楔形破坏：部分结构面 度参数差异较大. 强度控制失稳、岩体强度控制失稳与总体边坡类 综上，按边坡与生产工艺的关系，可将边坡划 似.路间边坡的尺度规模和安全要求适中，受坡 分为总体边坡、路间边坡和台阶边坡三类，如图1 高、坡角和各平台宽度等多因素影响，常在台阶边 所示： 坡的交界处发生破坏 (I)总体边坡：最上部台阶的坡顶到最下部台 台阶边坡破坏模式多为结构控制失稳，可发 阶的坡底所构成的完整边坡： 生平面破坏、楔形破坏和倾倒破坏.台阶边坡尺 (2)路间边坡：同一个剖面上运输道路间的台 度规模较小，允许有一定的变形甚至破坏，常结合
(2) 边坡稳定性认识的阶段性: 露天矿山边坡 开挖是动态过程，边坡自上而下划分为多台阶的 水平，组合形成的不同尺度边坡稳定性存在差异， 随矿山开采过程不断变化且贯穿服务年限的始终. (3) 边坡的可变形性: 露天矿山边坡存在服务 年限，与矿床的工业储量和开采设计有关，非永久 性边坡. 在不影响安全生产的基础上，允许服务年 限内边坡产生一定的变形和局部失稳. (4) 边坡的深部延伸性: 随着大型采掘设备的 发展和资源的不断开发利用，深凹露天矿成为发 展趋势[17] ，边坡不断向深部延伸，高度是动态的， 且始终受到爆破振动的影响. (5) 边坡工程的经济性: 露天矿山边坡更加注 重安全性与经济性的平衡，边坡角不仅影响矿山 边坡稳定程度，同时影响矿山剥采比，提高边坡角 可有效降低剥采比，增加矿山效益. 1.2 矿山岩质边坡的分类 《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB 51016— 2014[6] 按矿山边坡高度将其划分为四级：(1) 超高 边坡: 高度>500 m；(2) 高边坡：300 m<高度≤500 m； (3) 中边坡：100 m<高度≤300 m；(4) 低边坡：高度≤ 100 m. 吴顺川等[18] 按边坡岩体结构类型将边坡划分 为四类：(1) 均质或似均质体边坡；(2) 层状体边坡； (3) 块状体边坡；(4) 软弱基座体边坡. 考虑到矿山边坡的特点、岩体结构的复杂性 等综合因素，仅按照高度和边坡岩体结构类型划 分是不够的，还需在尺度规模、实际功能等方面作 进一步细化分类，更好地为矿山边坡稳定性评价 提供支撑，可从以下三个方面进行考虑: 首先，在露天矿山设计和规划中，根据矿石开 采运输需求和生产工艺特点，在开采过程中不同 水平的台阶功能不同. 其次，矿山岩质边坡的不同尺度台阶，破坏后 果是不同的，开采时期内总体边坡应保持稳定，而 台阶边坡允许一定的破坏. 最后，矿山岩质边坡岩体的尺度规模不同，其 稳定性控制要素也不同，岩体与结构面的抗剪强 度参数差异较大. 综上，按边坡与生产工艺的关系，可将边坡划 分为总体边坡、路间边坡和台阶边坡三类，如图 1 所示: (1) 总体边坡：最上部台阶的坡顶到最下部台 阶的坡底所构成的完整边坡； (2) 路间边坡：同一个剖面上运输道路间的台 阶所组成的边坡，也称多台阶边坡或组合台阶边坡； (3) 台阶边坡：按一定厚度分层由上向下逐层 采掘时形成的单个台阶，包括平台和平台之间的 坡面. 1.3 矿山岩质边坡破坏模式 岩质边坡失稳的破坏模式复杂，坚硬岩体的 强度较高，结构面为主要控制因素；对于软弱岩 体，岩体强度为主要控制因素. 岩质边坡失稳的破 坏模式可分为结构控制的边坡失稳、部分结构控 制的边坡失稳和岩体强度控制的边坡失稳. 由于 总体边坡、路间边坡和台阶边坡的尺度规模不同， 可能发生的破坏模式因结构面和岩体强度的力学 特性差异而有所不同. 总体边坡的破坏模式主要包括部分结构控制 失稳和岩体强度控制失稳二类. 部分结构控制的 失稳破坏，滑动面一部分沿结构面滑动，一部分位 于岩体中，可发生平面破坏、楔形破坏或组合滑面 破坏；岩体强度控制的失稳破坏，一般不受优势结 构面控制，滑动面主要位于岩体中，以弧形破坏为 主，也可呈现崩塌、扩离等破坏形式. 总体边坡的 安全性要求最高，一旦发生破坏，潜在人员伤亡和 经济损失较大，甚至可造成摧毁矿山的严重后果. 路间边坡的破坏模式主要包括结构控制失 稳、部分结构控制失稳和岩体强度控制失稳. 结 构控制的失稳破坏，滑动面沿着结构面或结构面 组滑动，可发生平面破坏和楔形破坏；部分结构面 强度控制失稳、岩体强度控制失稳与总体边坡类 似. 路间边坡的尺度规模和安全要求适中，受坡 高、坡角和各平台宽度等多因素影响，常在台阶边 坡的交界处发生破坏. 台阶边坡破坏模式多为结构控制失稳，可发 生平面破坏、楔形破坏和倾倒破坏. 台阶边坡尺 度规模较小，允许有一定的变形甚至破坏，常结合 Crest Floor Ramp Ramp Overall angle Bench surface Bench face angle Inter ramp height Inter-ramp angle 图 1 露天矿岩质边坡结构参数与台阶分类示意图 Fig.1 Diagram of the structural parameters and step classification of a rock slope in an open-pit mine 吴顺川等： 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 赤平极射投影法对其潜在的破坏模式进行分析 小约0.1，总体边坡角则增大2°，且使典型剖面的 2矿山边坡设计安全系数 剥岩面积减少了7560m2.若按露天矿山边坡长为 1km、剥岩成本按每立方米20元计算，可节约剥 2.1设计安全系数的定义 岩成本约1.512亿元.因此大型深凹露天矿的总体 边坡的安全系数一般是针对潜在滑面而言 边坡角加大1°，可节约开采成本千万元至数亿元29， 的，指边坡某一滑面所能提供的抗滑力（抗滑力 可见设计安全系数的差别会造成剥采规模、工程 矩)与沿该面的下滑力下滑力矩)的比值，用于衡 造价的急速攀升 量自然状态下该潜在滑面的安全状态 设计安全系数是在安全系数的基础上，根 ☐The boundary change of stripped rock 据对边坡稳定性要求而人为设定的满足特定需求 Scheme 1 的储备量化值.它与对边坡稳定性的认知、风险 Scheme 2 和规划有着密切的关系，因人的主观思考而有所 调整. 目前应用较广泛的设计安全系数主要包括三 otential slippery surface 种，分别是强度储备安全系数20、超载储备安全系 数和下滑力超载储备安全系数2 600m 潘亨永等]建立了边坡三维地质力学模型并 图2不同边坡设计方案对比 进行了三维非线性有限元分析，认为强度储备安 Fig.2 Comparison of different slope designs 全系数是最有效的方法.唐芬与郑颖人对强度 表1露天矿山边坡设计方案 储备安全系数的两种类型进行了区别，分析了不 Table 1 Slope design scheme of the open-pit mine 同屈服准则对强度储备安全系数的影响.吴顺川 Slope design scheme Overall angle/() Safety factor 等阿提出一种求解强度储备安全系数的新算法， Scheme 1 38 1.462 使强度折减法更加符合实际工程应用.郑宏等 Scheme 2 % 1.364 对强度储备安全系数的可行性进行了论证 黄先光7认为超载储备安全系数的定义符合 客观实际且条间力方向假设符合经典力学，基于 设计安全系数是保证矿山安全的基本设计要 此的传递系数法也被越来越多的规范采纳 求，直接关系矿山的安全与经济的最优平衡.在安 郑颖人与赵尚毅通过滑坡推力计算，提出 全系数达到要求后应考虑最大化经济效益，综合 般情况下采用强度储备安全系数，特殊情况下 对比分析后，选择满足安全可靠和采矿生产要求、 采用超载储备安全系数，不宜采用下滑力超载安 综合经济效益最大、风险水平最低的边坡设计 全系数 方案. 2.2设计安全系数的重要性 2.3设计安全系数的影响因素 设计安全系数是相关标准规范采用的稳定性 从工程师的角度来看，设计安全系数是对边 评价指标，在矿山边坡应用中须同时兼顾安全性 坡稳定性满足安全度的一种“焦虑和索取”的反 和经济性.设计安全系数取值过大，矿山边坡更加 映.影响“焦虑”的因素主要包括以下三类： 稳定，但剥岩量增大，投资高：取值过小，稳定性条 (1)工程地质分析模型 件难以满足，开采过程中可能需要采取适当的加 工程地质分析模型是反映岩体性质与结构面 固措施也增加了开采成本 参数及其尺度效应的基础资料，主要包括地质模 现以某露天矿山边坡典型剖面为例，典型边坡 型、结构模型、岩体模型和水文模型 剖面高为430m,宽为600m,岩体重度为252kNm3, ①地质模型. 黏聚力为450kPa,内摩擦角为32°，如图2所示，针 地质模型是表征露天矿开采区域内地质特征 对可能的潜在滑面，对拟采用的两个方案进行比 及地形地貌的模型，主要包括岩体类型与组成、区 较，如表1所示 域应力状态和地形地貌等.地质模型一般采用三 由表1可知，方案一和方案二的安全系数均满 维实体模型构建，是边坡稳定性分析模型的基础 足稳定性要求，但方案二的安全系数较方案一减 数据
赤平极射投影法对其潜在的破坏模式进行分析. 2 矿山边坡设计安全系数 2.1 设计安全系数的定义 边坡的安全系数一般是针对潜在滑面而言 的，指边坡某一滑面所能提供的抗滑力 (抗滑力 矩) 与沿该面的下滑力 (下滑力矩) 的比值，用于衡 量自然状态下该潜在滑面的安全状态. 设计安全系数[19] 是在安全系数的基础上，根 据对边坡稳定性要求而人为设定的满足特定需求 的储备量化值. 它与对边坡稳定性的认知、风险 和规划有着密切的关系，因人的主观思考而有所 调整. 目前应用较广泛的设计安全系数主要包括三 种，分别是强度储备安全系数[20]、超载储备安全系 数[21] 和下滑力超载储备安全系数[22] . 潘亨永等[23] 建立了边坡三维地质力学模型并 进行了三维非线性有限元分析，认为强度储备安 全系数是最有效的方法. 唐芬与郑颖人[24] 对强度 储备安全系数的两种类型进行了区别，分析了不 同屈服准则对强度储备安全系数的影响. 吴顺川 等[25] 提出一种求解强度储备安全系数的新算法， 使强度折减法更加符合实际工程应用. 郑宏等[26] 对强度储备安全系数的可行性进行了论证. 黄先光[27] 认为超载储备安全系数的定义符合 客观实际且条间力方向假设符合经典力学，基于 此的传递系数法也被越来越多的规范采纳. 郑颖人与赵尚毅[28] 通过滑坡推力计算，提出 一般情况下采用强度储备安全系数，特殊情况下 采用超载储备安全系数，不宜采用下滑力超载安 全系数. 2.2 设计安全系数的重要性 设计安全系数是相关标准规范采用的稳定性 评价指标，在矿山边坡应用中须同时兼顾安全性 和经济性. 设计安全系数取值过大，矿山边坡更加 稳定，但剥岩量增大，投资高；取值过小，稳定性条 件难以满足，开采过程中可能需要采取适当的加 固措施也增加了开采成本. 现以某露天矿山边坡典型剖面为例，典型边坡 剖面高为 430 m，宽为 600 m，岩体重度为 25.2 kN·m−3 ， 黏聚力为 450 kPa，内摩擦角为 32°，如图 2 所示，针 对可能的潜在滑面，对拟采用的两个方案进行比 较，如表 1 所示. 由表 1 可知，方案一和方案二的安全系数均满 足稳定性要求，但方案二的安全系数较方案一减 小约 0.1，总体边坡角则增大 2°，且使典型剖面的 剥岩面积减少了 7560 m 2 . 若按露天矿山边坡长为 1 km、剥岩成本按每立方米 20 元计算，可节约剥 岩成本约 1.512 亿元. 因此大型深凹露天矿的总体 边坡角加大 1°，可节约开采成本千万元至数亿元[29] . 可见设计安全系数的差别会造成剥采规模、工程 造价的急速攀升. 600 m Potential slippery surface 38° 40° The boundary change of stripped rock 430 m Scheme 1 Scheme 2 图 2 不同边坡设计方案对比 Fig.2 Comparison of different slope designs 表 1 露天矿山边坡设计方案 Table 1 Slope design scheme of the open-pit mine Slope design scheme Overall angle/ (°) Safety factor Scheme 1 38 1.462 Scheme 2 40 1.364 设计安全系数是保证矿山安全的基本设计要 求，直接关系矿山的安全与经济的最优平衡. 在安 全系数达到要求后应考虑最大化经济效益，综合 对比分析后，选择满足安全可靠和采矿生产要求、 综合经济效益最大、风险水平最低的边坡设计 方案. 2.3 设计安全系数的影响因素 从工程师的角度来看，设计安全系数是对边 坡稳定性满足安全度的一种“焦虑和索取”的反 映. 影响“焦虑”的因素主要包括以下三类: (1) 工程地质分析模型. 工程地质分析模型是反映岩体性质与结构面 参数及其尺度效应的基础资料，主要包括地质模 型、结构模型、岩体模型和水文模型. ① 地质模型. 地质模型是表征露天矿开采区域内地质特征 及地形地貌的模型，主要包括岩体类型与组成、区 域应力状态和地形地貌等. 地质模型一般采用三 维实体模型构建，是边坡稳定性分析模型的基础 数据. · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期