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
吴顺川等：非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 5 ②结构模型 表2土木工程设计安全系数网 结构模型是表征I~Ⅲ级结构面空间分布与 Table 2 Civil-engineering design safety factor 力学性质的模型，主要包括结构面类型、力学特 Material type Conditions Design safety factor 性、空间分布及规模等.岩质边坡失稳的破坏模 Normal loads and service conditions 1.5 式与结构模型密切相关，I~Ⅲ级结构面的特性对 Soil earthworks Maximum loads and worst 1.3 environmental conditions 不稳定区域的潜在滑面位置也有较大影响. Earth retaining Normal loads and service conditions 2.0 ③岩体模型 Temporary 1.25 岩体模型是表征岩体工程特性及IV、V级结 Slopes Permanent 1.5 构面的模型，主要包括岩石物理力学性质、V级 与V级结构面特性和岩石风化程度等，其中V级 我国土木工程行业的边坡设计安全系数取值 结构面规模小、连续性差，主要包含在岩块内，影 响或控制岩块的物理力学性质，在岩体模型建立 标准分述如下： (1)《岩土工程勘察规范》GB50021一2001规 时不需进行单独统计分析， 定叫，对新设计边坡，重要工程的设计安全系数宜 岩体力学参数选取是稳定性评价的关键环 取1.30~1.50：一般工程设计安全系数宜取1.15~ 节，力学参数常需通过剪切/压缩等试验+参数反 1.30:次要工程设计安全系数宜取1.05~1.15.验 算+工程经验综合确定，对于具有流变性的岩石， 算已有边坡的稳定性时，设计安全系数宜取1.10~1.25. 其长期力学参数还需结合压缩或剪切流变试验确 (2)《建筑边坡工程技术规范》GB50330一2013 定，岩体模型力学参数直接影响边坡稳定性评价 规定，永久边坡的一般情况设计安全系数取125~ 的结果，尤其对于岩体强度控制型的边坡失稳模式 1.35,地震工况设计安全系数取1.05~1.15；临时边 ④水文模型 坡的设计安全系数取1.15~1.25 水文模型是表征露天矿开采区域内水文环境 (3)《路基：公路设计手册》第二版规定，重要 的模型，主要包括地下水类型及赋存状态、气候条 工程的设计安全系数宜取1.25~1.30；一般工程的 件、分布规律等.地表水和地下水对边坡稳定性 设计安全系数宜取1.10~1.25；考虑地震等各种不 影响显著，同时降雨条件也是稳定性评价必须考 利条件时则采用较小的值，设计安全系数可取1.05~ 虑的因素之一 1.10 (2)矿山边坡尺度规模 (4)《水利水电工程边坡设计规范》SL386一2016 不同尺度规模边坡的破坏模式、潜在经济损 规定，边坡级别分为五级，正常运用条件下设计 失和允许变形程度有较大差异.因此在进行边坡 安全系数取1.05~1.30，非常运用条件I设计安全 稳定性评价时，不仅要考虑总体边坡的稳定性，还 系数取1.05~1.25，非常运用条件Ⅱ设计安全系数 应评价路间边坡和台阶边坡的稳定性，设计安全 取1.001.15. 系数应分别与之相对应 (⑤)《滑坡防治设计规范》GB/T38509一2020规 (3)其他因素 定设计工况的设计安全系数取值为1.20~1.30，校 其他因素主要包括振动作用（地震、爆破）、服 核工况的设计安全系数取值为1.02~1.25 务年限及周边环境等.地震和爆破会引起岩体应 综上，静载条件下的土木工程边坡设计安全 力的瞬时变化，造成岩体结构变化甚至破坏，在确 系数多介于120~1.50范围内，符合实际工程的应 定设计安全系数时应综合考虑振动影响等因素 用：岩质边坡的设计安全系数大于土质边坡；对工 3矿山边坡设计安全系数取值探讨 程安全等级而言，相邻等级的设计安全系数差值 在0.1~0.2范围内，工程实践中基本可行. 3.1土木工程边坡设计安全系数 土木工程边坡和采矿工程边坡的稳定要求和 土木工程边坡多为永久性边坡，如大坝边坡、 服务年限不同，借鉴土木工程边坡的设计安全系 铁路路堑边坡等，服务年限长，设计安全系数取值 数取值对矿山边坡的稳定性进行评价，是偏于保 较大 守的，不利于资源的有效开发利用 国外土木工程边坡设计安全系数的取值标准 3.2非煤矿山岩质边坡设计安全系数及建议 如表2所示B0 根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016一
② 结构模型. 结构模型是表征 I～III 级结构面空间分布与 力学性质的模型，主要包括结构面类型、力学特 性、空间分布及规模等. 岩质边坡失稳的破坏模 式与结构模型密切相关，I～III 级结构面的特性对 不稳定区域的潜在滑面位置也有较大影响. ③ 岩体模型. 岩体模型是表征岩体工程特性及 IV、Ⅴ级结 构面的模型，主要包括岩石物理力学性质、IV 级 与Ⅴ级结构面特性和岩石风化程度等，其中 V 级 结构面规模小、连续性差，主要包含在岩块内，影 响或控制岩块的物理力学性质，在岩体模型建立 时不需进行单独统计分析. 岩体力学参数选取是稳定性评价的关键环 节，力学参数常需通过剪切/压缩等试验+参数反 算+工程经验综合确定，对于具有流变性的岩石， 其长期力学参数还需结合压缩或剪切流变试验确 定. 岩体模型力学参数直接影响边坡稳定性评价 的结果，尤其对于岩体强度控制型的边坡失稳模式. ④ 水文模型. 水文模型是表征露天矿开采区域内水文环境 的模型，主要包括地下水类型及赋存状态、气候条 件、分布规律等. 地表水和地下水对边坡稳定性 影响显著，同时降雨条件也是稳定性评价必须考 虑的因素之一. (2) 矿山边坡尺度规模. 不同尺度规模边坡的破坏模式、潜在经济损 失和允许变形程度有较大差异. 因此在进行边坡 稳定性评价时，不仅要考虑总体边坡的稳定性，还 应评价路间边坡和台阶边坡的稳定性，设计安全 系数应分别与之相对应. (3) 其他因素. 其他因素主要包括振动作用 (地震、爆破)、服 务年限及周边环境等. 地震和爆破会引起岩体应 力的瞬时变化，造成岩体结构变化甚至破坏，在确 定设计安全系数时应综合考虑振动影响等因素. 3 矿山边坡设计安全系数取值探讨 3.1 土木工程边坡设计安全系数 土木工程边坡多为永久性边坡，如大坝边坡、 铁路路堑边坡等，服务年限长，设计安全系数取值 较大. 国外土木工程边坡设计安全系数的取值标准 如表 2 所示[30] . 表 2 土木工程设计安全系数[30] Table 2 Civil-engineering design safety factor[30] Material type Conditions Design safety factor Soil earthworks Normal loads and service conditions 1.5 Maximum loads and worst environmental conditions 1.3 Earth retaining Normal loads and service conditions 2.0 Slopes Temporary 1.25 Permanent 1.5 我国土木工程行业的边坡设计安全系数取值 标准分述如下: (1)《岩土工程勘察规范》GB50021—2001 规 定[31] ，对新设计边坡，重要工程的设计安全系数宜 取 1.30～1.50；一般工程设计安全系数宜取 1.15～ 1.30；次要工程设计安全系数宜取 1.05～1.15. 验 算已有边坡的稳定性时，设计安全系数宜取1.10～1.25. (2)《建筑边坡工程技术规范》GB 50330—2013 规定[21] ，永久边坡的一般情况设计安全系数取 1.25～ 1.35，地震工况设计安全系数取 1.05～1.15；临时边 坡的设计安全系数取 1.15～1.25. (3)《路基：公路设计手册》第二版规定[32] ，重要 工程的设计安全系数宜取 1.25～1.30；一般工程的 设计安全系数宜取 1.10～1.25；考虑地震等各种不 利条件时则采用较小的值，设计安全系数可取 1.05～ 1.10. (4)《水利水电工程边坡设计规范》SL 386—2016 规定[33] ，边坡级别分为五级，正常运用条件下设计 安全系数取 1.05～1.30，非常运用条件Ⅰ设计安全 系数取 1.05～1.25，非常运用条件Ⅱ设计安全系数 取 1.00～1.15. (5)《滑坡防治设计规范》GB/T 38509—2020 规 定设计工况的设计安全系数取值为 1.20～1.30，校 核工况的设计安全系数取值为 1.02～1.25[19] . 综上，静载条件下的土木工程边坡设计安全 系数多介于 1.20～1.50 范围内，符合实际工程的应 用；岩质边坡的设计安全系数大于土质边坡；对工 程安全等级而言，相邻等级的设计安全系数差值 在 0.1～0.2 范围内，工程实践中基本可行. 土木工程边坡和采矿工程边坡的稳定要求和 服务年限不同，借鉴土木工程边坡的设计安全系 数取值对矿山边坡的稳定性进行评价，是偏于保 守的，不利于资源的有效开发利用. 3.2 非煤矿山岩质边坡设计安全系数及建议 根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016— 吴顺川等： 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 · 5 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 2014,在确定露天矿边坡设计安全系数标准时， 设备价格昂贵，若发生一定规模的失稳破坏，造成 首先根据人员伤亡、潜在的经济损失划分边坡危 的经济损失偏大，导致边坡危害等级评定过高，从 害等级，如表3所示；其次结合边坡高度与边坡危 而影响矿山设计安全系数的合理性.因此，建议增 害等级，确定边坡工程安全等级，如表4所示；最 大边坡危害等级确定中的经济损失额度，如表6 后考虑三种荷载组合分别确定边坡设计安全系数 所示 取值，如表5所示.表5中荷载组合I为自重+地 表6边坡危害等级建议 下水，荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破震动力，荷 Table 6 Recommendation on the grade of the slope hazard 载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力；对台阶边坡和 Potential economic risk/ 临时性工作帮，允许有一定的破坏，设计安全系数 Slope hazard Possible (105￥) Comprehensive grade casualties assessment 可适当降低 Direct Indirect Casualties ≥10 ≥50 Very serious 表3边坡危害等级 3 Injured 2-10 10-50 Serious Table 3 Slope hazard grade 3 Unharmed ≤2 ≤10 Ordinary Potential economic Slope hazard Possible risk/10￥) Comprehensive grade casualties assessment Direct Indirect (2)边坡工程安全等级划分考虑服务年限 Casualties ≥1.0 ≥10 Very serious 边坡工程安全等级是评价矿山边坡稳定性的 Injured 0.5-1.0 5-10 Serious 重要因素，应综合考虑露天矿山的特点和边坡稳 Unharmed ≤0.5 ≤5 Ordinary 定性的时间效应.孙玉科等B两对不同服务年限的 设计安全系数取值进行了初步探讨，《煤炭工业露 表4边坡工程安全等级划分 天矿设计规范》GB50197一2015B)已写入规范应 Table 4 Safety classification of slope engineering 用.因此，边坡工程安全等级在受边坡高度和边坡 Slope engineering safety grade Slope height,H/m Slope hazard grade 灾害等级影响的基础上，建议将服务年限纳入评 HB500 1,Ⅱ，m 定影响因素，如表7所示 300<H≤500 I,Ⅱ 表7边坡工程安全等级划分建议 100<H≤300 Table7 Suggestions on the safety classification of slope engineering 300<H≤500 白 Slope Slope height,Slope hazard 100<H≤300 Ⅱ，Ⅲ engineering Note safety grade H/m grade H≤100 I HB500 1,2,3 100<H≤300 Ⅲ 300<H≤500 1,2 H≤100 Ⅱ，Ⅲ 100<H≤300 The engineering security 300<H≤500 levels should be increased a level for open-pit mine slope 表5不同荷载组合下总体边坡的设计安全系数 100<H≤300 2,3 whose security level belong Table 5 Design safety factor of the overall slope under different load to lI or IIl,or service years H≤100 1 greater than 25 combinations 100<H≤300 Slope engineering design safety factor 3 Slope engineering H≤100 2,3 safety grade Load Load Load combination I combination II combination Il I 1.25-1.20 1.23-1.18 1.20-1.15 (3)边坡工程设计安全系数应考虑矿山边坡的 1.20-1.15 1.18-1.13 1.15-1.10 尺度规模 1.15-1.10 1.13-1.08 1.10-1.05 由于结构面规模及空间分布的特殊性，台阶 边坡发生破坏的可能性远大于总体边坡，同时台 综合前述分析，对GB51016一2014规定的 阶边坡允许一定程度的失稳，而总体边坡一般不 设计安全系数取值问题，提出以下建议： 允许失稳，采用相同的设计安全系数标准显然是 (1)边坡危害等级应增大经济损失额度 不合理的，因此，按照尺度规模对露天矿边坡台阶 目前，国内露天矿山边坡高度普遍较大，生产 进行分类，进而确定不同尺度规模边坡的设计安
2014[6] ，在确定露天矿边坡设计安全系数标准时， 首先根据人员伤亡、潜在的经济损失划分边坡危 害等级，如表 3 所示；其次结合边坡高度与边坡危 害等级，确定边坡工程安全等级，如表 4 所示；最 后考虑三种荷载组合分别确定边坡设计安全系数 取值，如表 5 所示. 表 5 中荷载组合Ⅰ为自重+地 下水，荷载组合Ⅱ为自重+地下水+爆破震动力，荷 载组合Ⅲ为自重+地下水+地震力；对台阶边坡和 临时性工作帮，允许有一定的破坏，设计安全系数 可适当降低. 表 3 边坡危害等级 Table 3 Slope hazard grade Slope hazard grade Possible casualties Potential economic risk/(106 ¥) Comprehensive assessment Direct Indirect Ⅰ Casualties ≥1.0 ≥10 Very serious Ⅱ Injured 0.5−1.0 5−10 Serious Ⅲ Unharmed ≤0.5 ≤5 Ordinary 表 4 边坡工程安全等级划分 Table 4 Safety classification of slope engineering Slope engineering safety grade Slope height, H/m Slope hazard grade Ⅰ H>500 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 300500 1, 2, 3 The engineering security levels should be increased a level for open-pit mine slope whose security level belong to II or III, or service years greater than 25 300<H≤500 1, 2 100<H≤300 1 Ⅱ 300<H≤500 3 100<H≤300 2, 3 H≤100 1 Ⅲ 100<H≤300 3 H≤100 2, 3 (3) 边坡工程设计安全系数应考虑矿山边坡的 尺度规模. 由于结构面规模及空间分布的特殊性，台阶 边坡发生破坏的可能性远大于总体边坡，同时台 阶边坡允许一定程度的失稳，而总体边坡一般不 允许失稳，采用相同的设计安全系数标准显然是 不合理的，因此，按照尺度规模对露天矿边坡台阶 进行分类，进而确定不同尺度规模边坡的设计安 · 6 · 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 7 全系数取值标准，且应同时满足多种不利工况的 元=++3…+xn (1) 安全要求，完全符合露天矿山边坡的实际工作状 n 态，兼顾安全性与经济性 (化-)2 Ux= (2) (4)边坡工程设计安全系数应取消取值范围区 i=l n-1 间，仅明确其最低要求 其中，为岩土体统计参数的平均值，n为岩土体统 表5中的设计安全系数取值适用于矿山总体 计参数的样本总数，σ，为岩土体参数标准差 边坡，各荷载组合的设计安全系数给定了上下限， 边坡安全系数采用严格的极限平衡法，如通 即限定了取值范围，实际应用中难以同时满足三 用条分法(GLE)u8I、斯宾塞法(Spencer)BI.均值安 种荷载条件，操作困难.建议取消范围区间，仅保 全系数及标准差可用式(3)和(4)进行计算： 留设计安全系数值的最低要求，在满足安全性的 瓜=1+2++N (3) 基础上经济效益最优化，该理念在规范叨中也得 N 到了应用 (4) (⑤)安全评价标准应考虑岩体参数的不确定性. 失稳概率法与传统方法相比，考虑了实际工 其中，为均值安全系数，N为计算安全系数的样 程中结构面状态与岩体强度的可变性和不确定 本总数，k为均值安全系数的标准差，△k为岩土体 性，从风险分析的角度评估边坡安全性能，是对设 有关参数x的平均值加、减其标准差计算出的两 计安全系数的有效补充.建议在评价标准中引入 个安全系数之差 失稳概率，并将设计安全系数和失稳概率同时作 均值安全系数的变异系数可用式（⑤）进行计算： 为边坡稳定性评价指标，这也是未来边坡稳定性 ?s9 (5) 评价的发展趋势 (6)动载条件仅考虑地震效应的影响 其中，为均值安全系数的变异系数 爆破对于矿山开采是必不可少的，其对岩体 安全系数正态分布时，可靠指标可用式（⑥）进 的损伤程度远小于地震，同时爆破对岩体的冲击、 行计算： 疲劳损伤受爆破药量、距离、高差等多因素的影 A=度-1 (6) 响，难以有效度量和工程应用：地震虽属于偶然荷 k 载，但其对边坡岩体的损伤较大，同时地震烈度区 安全系数对数正态分布时，可靠指标可用式（⑦） 划明确了各地可能遭受的地震危险程和地区间潜 进行计算： 在地震危险性的差异，为抗震设防提供了量化指 k 标，因此边坡在动载条件下的稳定性评价，仅考虑 V血(1+) 地震效应是合理的，且易于操作， Bk= (7) 3.3矿山岩质边坡可接受失稳概率探讨 Vn(1+图) 传统的矿山边坡稳定性评价主要由设计安全 其中，B为均值安全系数的可靠指标 系数决定，对于岩体参数及内部结构的不确定性 可靠度可用式(8)进行计算： 欠缺考虑，已成为业界共识可靠性分析方法既 n-广安0 (8) 可进行风险分析，也能考虑不确定因素的影响，弥 补定量分析方法的不足，将成为科学、定量地研究 其中，P为可靠度（可靠效率），B为可靠指标 和保证工程安全性的重要手段叨失稳概率作为 均值安全系数小于1的失稳概率P可用式(9) 可靠性分析方法的重要指标，可通过计算岩土体 进行计算： 参数的标准差和变异系数推导出可靠指标与可靠 Pr=1-Ps (9) 度而得到引入失稳概率对岩土体参数进行概 《水利水电工程边坡设计规范》9结合变异系 率统计可保证计算结果的有效性，对设计安全系 数的概念对失稳概率进行了计算，首次在规范中 数的合理取值具有指导和参考意义.失稳概率计 表示了设计安全系数与失稳概率的关系.Read与 算过程简介如下： Stacey]列出了露天矿山岩质边坡可接受的失稳 岩土体参数的平均值和标准差可用式(1)和 概率，最小可接受的失稳概率在5%左右，一般的 式(2)得到 失稳概率可允许15%~30%，如表8所示
全系数取值标准，且应同时满足多种不利工况的 安全要求，完全符合露天矿山边坡的实际工作状 态，兼顾安全性与经济性. (4) 边坡工程设计安全系数应取消取值范围区 间，仅明确其最低要求. 表 5 中的设计安全系数取值适用于矿山总体 边坡，各荷载组合的设计安全系数给定了上下限， 即限定了取值范围，实际应用中难以同时满足三 种荷载条件，操作困难. 建议取消范围区间，仅保 留设计安全系数值的最低要求，在满足安全性的 基础上经济效益最优化，该理念在规范[19] 中也得 到了应用. (5) 安全评价标准应考虑岩体参数的不确定性. 失稳概率法与传统方法相比，考虑了实际工 程中结构面状态与岩体强度的可变性和不确定 性，从风险分析的角度评估边坡安全性能，是对设 计安全系数的有效补充. 建议在评价标准中引入 失稳概率，并将设计安全系数和失稳概率同时作 为边坡稳定性评价指标，这也是未来边坡稳定性 评价的发展趋势. (6) 动载条件仅考虑地震效应的影响. 爆破对于矿山开采是必不可少的，其对岩体 的损伤程度远小于地震，同时爆破对岩体的冲击、 疲劳损伤受爆破药量、距离、高差等多因素的影 响，难以有效度量和工程应用；地震虽属于偶然荷 载，但其对边坡岩体的损伤较大，同时地震烈度区 划明确了各地可能遭受的地震危险程和地区间潜 在地震危险性的差异，为抗震设防提供了量化指 标，因此边坡在动载条件下的稳定性评价，仅考虑 地震效应是合理的，且易于操作. 3.3 矿山岩质边坡可接受失稳概率探讨 传统的矿山边坡稳定性评价主要由设计安全 系数决定，对于岩体参数及内部结构的不确定性 欠缺考虑，已成为业界共识[36] . 可靠性分析方法既 可进行风险分析，也能考虑不确定因素的影响，弥 补定量分析方法的不足，将成为科学、定量地研究 和保证工程安全性的重要手段[37] . 失稳概率作为 可靠性分析方法的重要指标，可通过计算岩土体 参数的标准差和变异系数推导出可靠指标与可靠 度而得到[12] . 引入失稳概率对岩土体参数进行概 率统计可保证计算结果的有效性，对设计安全系 数的合理取值具有指导和参考意义. 失稳概率计 算过程简介如下： 岩土体参数的平均值和标准差可用式 (1) 和 式 (2) 得到 x¯ = x1 + x2 + x3 ...+xn n （1） σx = √∑n i=1 (xi − x¯) 2 n−1 （2） x¯ n σx 其中， 为岩土体统计参数的平均值， 为岩土体统 计参数的样本总数， 为岩土体参数标准差. 边坡安全系数采用严格的极限平衡法，如通 用条分法（GLE） [18]、斯宾塞法（Spencer） [38] . 均值安 全系数及标准差可用式 (3) 和 (4) 进行计算: µk = µk1 +µk2 +···+µkN N （3） σk = √ ( ∆k1 2 )2 + ( ∆k2 2 )2 +...+ ( ∆kn 2 )2 （4） µk N σk ∆ki xi 其中， 为均值安全系数， 为计算安全系数的样 本总数， 为均值安全系数的标准差， 为岩土体 有关参数 的平均值加、减其标准差计算出的两 个安全系数之差. 均值安全系数的变异系数可用式 (5) 进行计算: νk = σk µk （5） 其中，νk 为均值安全系数的变异系数. 安全系数正态分布时，可靠指标可用式 (6) 进 行计算: βk = µk −1 σk （6） 安全系数对数正态分布时，可靠指标可用式 (7) 进行计算: βk = ln µk √ ln( 1+ν 2 k ) √ ln( 1+ν 2 k ) （7） 其中， βk 为均值安全系数的可靠指标. 可靠度可用式 (8) 进行计算: Ps = w βk −∞ 1 √ 2π e − β 2 2 dβ （8） 其中， Ps为可靠度 (可靠效率)，β 为可靠指标. 均值安全系数小于 1 的失稳概率 Pf 可用式 (9) 进行计算: Pf = 1− Ps （9） 《水利水电工程边坡设计规范》[39] 结合变异系 数的概念对失稳概率进行了计算，首次在规范中 表示了设计安全系数与失稳概率的关系. Read 与 Stacey [30] 列出了露天矿山岩质边坡可接受的失稳 概率，最小可接受的失稳概率在 5% 左右，一般的 失稳概率可允许 15%～30%，如表 8 所示. 吴顺川等： 非煤露天矿山岩质边坡稳定性评价标准探讨 · 7 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 表8采矿岩石边坡可接受的失稳概率 表9露天矿岩质边坡设计安全系数与失稳概率建议值 Table 8 Acceptable instability probability of mining rock slopes Table 9 Suggested value of the design safety factor and instability probability of the rock slope in the open-pit mine Cate Acceptable Description instability gory Acceptable criteria probability Slope Slope Critical slopes where failure may affect the engineering Minimum Minimum design Maximum 1 <5% scale continuous operation and pit safety safety grade design safety safety factor instability 2 Slopes where failure have a significant impact on factor(static) (dynamic) probability/% <15% costs and safety Bench I,Ⅱ，Ⅲ 1.1 25 Slopes where failure has a notable impact on <30% costs and where minimal safety hazards exist Ⅲ 1.15 1.0 20 Inter-ramp I 12 1.0 15 目前，部分露天矿山在边坡稳定性评价过程 1 1.1 中，开始逐步接受考虑岩土参数不确定性的观点， B 1.2 1.0 的 并应用边坡可能的失稳概率和目标可靠度指标， Overall 力 1.25 1.05 o 但由于各露天矿边坡的地质模型、结构模型、岩 I 1.3 1.1 体模型和水文模型不尽相同，对边坡的稳定性和 Important production I,Ⅱ，Ⅲ 1.3 1.1 可靠性分析影响较大，同时，仍没有统一的边坡失 稳概率评判标准 综上，结合前人的研究成果及工程经验，对不 4结论 同尺度边坡的可接受失稳概率作出如下建议： (1)对现行非煤露天矿边坡设计规范中的边坡 (1)总体边坡的可接受失稳概率：总体边坡的 稳定性评价标准问题，提出了六点建议.主要包 边坡高度一般大于100m,最高近千米，影响其稳 括：建议增大潜在经济损失额度；新增服务年限作 定性的因素较多，评定边坡的危害等级和工程安 为工程安全等级评定的补充内容：新增岩质边坡 全等级较为复杂，设计安全系数要求最高，失稳概 尺度分类，按照尺度规模特征进行稳定性评价：明 率应控制在5%~15%，才能保证矿山开采过程的 确设计安全系数的最低值要求，取消范围区间；引 生产安全 入失稳概率评价指标：动载条件下的稳定性分析 (2)路间边坡的可接受失稳概率：路间边坡的 仅考虑地震效应等 边坡高度为相邻运输道路之间的垂直高度，受矿 (2)提出了基于设计安全系数和可靠性分析的 山开采设计影响，多在百米以内.稳定性多受运输 边坡稳定性综合评价方法，在定量分析方法的基 道路的地理位置和地质环境影响，边坡危害等级 础上考虑了实际工程中存在的不确定性，引入失 相对较小，设计安全系数应综合考虑边坡高度、破 稳概率，建议了针对非煤露天矿岩质边坡的设计 坏模式与经济损失影响，失稳概率可介于15%~ 安全系数建议标准.研究成果可为非煤露天矿岩 20%. 质边坡稳定性评价与设计优化提供科学依据，供 (3)台阶边坡的可接受失稳概率.台阶边坡的 国内矿山设计与生产单位作为参考 边坡高度一般介于10~20m,坡度较陡，稳定性主 要受结构面控制，允许一定的变形和破坏.设计安 参考文献 全系数需满足自然工况下的稳定性要求，失稳概 [1]Qian M G,Miao XX,Xu J L,et al.On scientized mining.J Min 率允许值可为25%. Sa时Eg,2008,25(1):1 3.4矿山岩质边坡设计安全系数建议取值标准 (钱鸣高，缪协兴，许家林，等.论科学采矿.采矿与安全工程学 基于前述分析，建议矿山岩质边坡设计安全 报，2008,25(1)：1) 系数与失稳概率的取值标准如表9所示，且在边 [2]Wang Q M.Status que of large and medium slopes in China non- 坡稳定性评价过程中，设计安全系数和失稳概率 coal open-pit mines and countermeasures.Met Mine,2007(10):1 (王启明.我国非煤露天矿山大中型边坡安全现状及对策.金属 需同时满足.表格中的静载条件主要考虑水和自 矿山，2007(10)：1) 重荷载，动载条件主要考虑地震、水和自重荷载； [3]Qin H N.Study on Waste Dump Landslide Inducement Mechanism 边坡安全系数宜采用严格极限平衡条分法的计算 and Monitoring and Early Warning Technology of Zijinshan Gold 结果为依据 and Copper Mine [Dissertation].Beijing:University of Science
表 8 采矿岩石边坡可接受的失稳概率 Table 8 Acceptable instability probability of mining rock slopes Cate gory Description Acceptable instability probability 1 Critical slopes where failure may affect the continuous operation and pit safety <5% 2 Slopes where failure have a significant impact on costs and safety <15% 3 Slopes where failure has a notable impact on costs and where minimal safety hazards exist <30% 目前，部分露天矿山在边坡稳定性评价过程 中，开始逐步接受考虑岩土参数不确定性的观点， 并应用边坡可能的失稳概率和目标可靠度指标， 但由于各露天矿边坡的地质模型、结构模型、岩 体模型和水文模型不尽相同，对边坡的稳定性和 可靠性分析影响较大，同时，仍没有统一的边坡失 稳概率评判标准. 综上，结合前人的研究成果及工程经验，对不 同尺度边坡的可接受失稳概率作出如下建议: (1) 总体边坡的可接受失稳概率: 总体边坡的 边坡高度一般大于 100 m，最高近千米，影响其稳 定性的因素较多，评定边坡的危害等级和工程安 全等级较为复杂，设计安全系数要求最高，失稳概 率应控制在 5%～15%，才能保证矿山开采过程的 生产安全. (2) 路间边坡的可接受失稳概率: 路间边坡的 边坡高度为相邻运输道路之间的垂直高度，受矿 山开采设计影响，多在百米以内. 稳定性多受运输 道路的地理位置和地质环境影响，边坡危害等级 相对较小，设计安全系数应综合考虑边坡高度、破 坏模式与经济损失影响，失稳概率可介于 15%～ 20%. (3) 台阶边坡的可接受失稳概率. 台阶边坡的 边坡高度一般介于 10～20 m，坡度较陡，稳定性主 要受结构面控制，允许一定的变形和破坏. 设计安 全系数需满足自然工况下的稳定性要求，失稳概 率允许值可为 25%. 3.4 矿山岩质边坡设计安全系数建议取值标准 基于前述分析，建议矿山岩质边坡设计安全 系数与失稳概率的取值标准如表 9 所示，且在边 坡稳定性评价过程中，设计安全系数和失稳概率 需同时满足. 表格中的静载条件主要考虑水和自 重荷载，动载条件主要考虑地震、水和自重荷载； 边坡安全系数宜采用严格极限平衡条分法的计算 结果为依据. 表 9 露天矿岩质边坡设计安全系数与失稳概率建议值 Table 9 Suggested value of the design safety factor and instability probability of the rock slope in the open-pit mine Slope scale Slope engineering safety grade Acceptable criteria Minimum design safety factor (static) Minimum design safety factor (dynamic) Maximum instability probability/% Bench Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 1.1 — 25 Inter-ramp Ⅲ 1.15 1.0 20 Ⅱ 1.2 1.0 15 Ⅰ 1.2 1.1 Overall Ⅲ 1.2 1.0 15 Ⅱ 1.25 1.05 10 Ⅰ 1.3 1.1 5 Important production Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 1.3 1.1 5 4 结论 (1) 对现行非煤露天矿边坡设计规范中的边坡 稳定性评价标准问题，提出了六点建议. 主要包 括: 建议增大潜在经济损失额度；新增服务年限作 为工程安全等级评定的补充内容；新增岩质边坡 尺度分类，按照尺度规模特征进行稳定性评价；明 确设计安全系数的最低值要求，取消范围区间；引 入失稳概率评价指标；动载条件下的稳定性分析 仅考虑地震效应等. (2) 提出了基于设计安全系数和可靠性分析的 边坡稳定性综合评价方法，在定量分析方法的基 础上考虑了实际工程中存在的不确定性，引入失 稳概率，建议了针对非煤露天矿岩质边坡的设计 安全系数建议标准. 研究成果可为非煤露天矿岩 质边坡稳定性评价与设计优化提供科学依据，供 国内矿山设计与生产单位作为参考. 参 考 文 献 Qian M G, Miao X X, Xu J L, et al. On scientized mining. J Min Saf Eng, 2008, 25（1）: 1 （钱鸣高, 缪协兴, 许家林, 等. 论科学采矿. 采矿与安全工程学 报, 2008, 25（1）：1） [1] Wang Q M. Status que of large and medium slopes in China noncoal open-pit mines and countermeasures. Met Mine, 2007（10）: 1 （王启明. 我国非煤露天矿山大中型边坡安全现状及对策. 金属 矿山, 2007（10）：1） [2] Qin H N. Study on Waste Dump Landslide Inducement Mechanism and Monitoring and Early Warning Technology of Zijinshan Gold and Copper Mine [Dissertation]. Beijing: University of Science [3] · 8 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
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