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0 引言
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随着露天矿山开采深度的不断延伸，其采场边坡高度逐渐增加，但其配套安全生产设施相对薄弱，滑坡、崩塌事故频发（王隆声，2017；卢欣奇等， 2024）。采场边坡稳定性分析常常要考虑的因素有地质条件、水文条件、边坡岩土体性质及结构特性、开采方式，以及边坡参数等（董骜，2023；郭廷亭等， 2023；王治宇，2023；陈兰兰等，2024；渠旭东， 2024），综合以上影响因素采用极限平衡法、有限元法与理论相结合的方法对采场边坡进行稳定性分析（李建华，2022；高庆等，2023；郭子钰等，2023；刘晓广，2023；张莹等，2023；赵翔等，2024）。在露天矿山开采过程中，整体边坡角过小会导致剥采比增大，开采成本增加，而整体边坡角过大则会对边坡的整体稳定性造成不良影响，潜在滑坡风险较大，一旦发生将造成人员财产等重大损失（贺中亮， 2023）。
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对于边坡角优化的研究方面，李和群（2023）根据边坡稳定性研究结果，为增大最终边坡角，增加出矿量，提出两种最终边坡角优化方案；晏明杨 （2023）采用 Slide 对某露天矿山边坡角不同工况下进行稳定性计算并优化最终边坡角；沈玉众等 （2021）基于强度折减法，研究了边坡角从 35°增加至 40°边坡稳定性系数的变化；钟晓勇等（2021）考虑地下水对边坡稳定性影响，采用有限元强度折减法对最终边坡角进行了优化设计；李巧玲和夏冬 （2020）对顺层边坡不同边坡角下的稳定性系数进行计算并优化得到最终边坡角；李耀楠等（2018）采用正交试验设计提出最终边坡角优化方案，经计算分析确定最终边坡角。
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综上所述，为避免不合理的边坡角设置带来的滑塌、倾倒等边坡安全隐患，本文旨在针对某建筑用花岗岩矿区边坡进行深入分析与探讨，评估现状边坡及设计边坡的边坡稳定性，采用 M-P 法和 Bishop 法计算不同边坡角下的边坡稳定性，最终确定合理的边坡角优化方案，为矿山后续安全生产及防治措施提供科学依据。
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1 工程概况
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1.1 矿山概况
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该矿山开采方式为露天开采（图1），生产规模为 28. 0 万 m3 /年，设计范围为 0.2884 km2，开采标高为+306~+100 m，最终边坡角为 36°～49°。第四系表土及全风化层台阶高度为10 m，半风化层和矿体台阶高 15 m，工作台阶坡面角 75°。采场整体自上而下依次形成+190 m 平台、+175 m 平台、+160 m 平台、+145 m 平台、+130 m 平台、+115 m 平台和+100 m 底部平台。其中+175 m 和+130 m 为机械清扫平台，平台宽度分别为 8 m 和 10 m，其余为安全平台，平台宽度为5 m。
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1.2 矿山地质构造
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矿区位于云浮隆起区与泥盆纪山前坳陷带两种不同的构造单元的结合部，高要大断裂带的北盘。区域构造为北东向断裂。
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云浮隆起由禄步凸起和南盛凹陷两个三级构造单元构成。禄步凸起由林雪顶背斜、雪顶背斜、石牛头背斜、关田向斜、瑞洞—大都向斜、禄步向斜构成。南盛凹陷是云浮隆起区的一个凹陷，形成于晚泥盆世—早石炭世，由南乡—尖底单斜、南盛褶皱束组成。
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泥盆纪山前拗陷位于云浮隆起与三水拗陷两个不同大地构造单元的过渡带。在北东和中部和云浮隆起的界线以华力西—印支构造层的最底部，桂头群为分界；和三水拗陷，是以大沙—朗底向斜过渡构造，并以高要断裂为界。按褶皱形态分为大湘口向斜与将军寨背斜、大沙—朗底向斜、连石倒转向斜与饭盖山倒转背斜。
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1.3 边坡现状
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矿区现采剥区域由西北向东南自上而下形成 +280 m、+272 m、+261 m、+255 m、247 m、+237 m、 +226 m、+213 m、+200 m、+190 m、+180 m、+170 m、 +162 m、+152 m、+140 m 和+130 m 等多个形状不规则平台，台阶高度约10 m，平台宽度2~50 m，台阶坡面角约 35°~75°。其中 +280 m、+272 m、+261 m、 +255 m、247 m、+237 m 等平台已靠帮，已进行覆绿并在内侧布置了截排水沟，并设置了边坡监测系统。
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随着矿山开采活动的持续进行，现状边坡局部区域揭露出顺层结构面（图2），存在潜在的滑动趋势。
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图1 矿区开采现状
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2 岩土体力学参数确定
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2.1 三轴压缩强度试验
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本试验采用等侧压条件下的三轴压缩试验，是指适用于三向应力状态中的特殊情况，即 σ2=σ3。侧向压力大小根据工程需要和岩石特性来确定。
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图2 生产台阶顺层结构面
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a—顺层结构区域1；b—顺层结构区域2
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以 σ1为纵坐标，σ3为横坐标绘制 σ1-σ3最佳关系曲线（直线），按下式直接求C，φ值：
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式（1~2）中：C为岩石的内聚力（MPa）；φ为岩石的内摩擦角（°）；σc为 σ1-σ3最佳关系曲线纵坐标的应力截距（MPa）；k为σ1-σ3最佳关系曲线的斜率。
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岩体三轴压缩强度试验结果是根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）中的试验步骤在岩石三轴试验机上完成的（表1，图3）。
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图3 岩块试样照片
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a—中风化花岗岩的试件；b—微风化花岗岩的试件
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2.2 岩体力学参数取值
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采用 RQD 分级法和 RMR 分级法对矿区 2 种岩性进行详细的岩体质量评价，评价结果见表2、表3。综合现场情况，考虑到边坡安全性，采用格吉法、费辛柯法对中风化岩层和微风化岩层进行折减，结果见表4。
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3 边坡稳定性分析
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3.1 计算剖面与参数选取
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本次稳定性分析计算选用剖面 D，具体位置可见图4，现状及设计剖面图可见图5。剖面图中的绿色线和蓝色线分别代表现状剖面线和设计剖面线。岩体参数选用表4 的参数，第四系坡残积层和全风化层的参数如表5所示。
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3.2 设计边坡稳定性计算
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本研究选用Geostudio软件对该剖面在自重+地下水+爆破震动工况下进行计算，根据破坏模式采用 M-P法和 Bishop法，符合规范要求的复合滑动面验证方法的要求。现状和设计边坡的稳定性分析都采用相同位置的剖面 D，剖面 D 稳定性计算结果如图6所示。
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依据表6 中设计剖面稳定性分析计算的结果，可以发现设计剖面在自重+地下水+爆破震动工况下均符合选取的设计安全系数。但该剖面现状边坡附近的区域有可能出现局部的失稳现象，因此，采用 M-P 和 Bishop 法对该剖面进行了局部的折线性破坏计算分析，计算结果如图7所示。
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通过计算结果可发现，在自重+地下水+爆破震动工况下其安全系数不符合规范的要求，与该剖面现状边坡附近的区域揭露顺层结构面相对应，该剖面可能出现局部的失稳现象。为保证采场后续开采的安全生产，需对该剖面最终边坡角进行优化。
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4 最终边坡角优化
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4.1 设计方案优化
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根据 3.2 稳定性分析结果，对该剖面边坡进行优化设计，优化后的具体台阶布置情况和台阶参数设计：+200 m 以上台阶维持现状，并进行边坡覆绿及监测，第四系表土及全风化层台阶高度为 10 m，半风化层和矿体台阶高15 m，工作台阶坡面角75°。采场整体自上而下依次形成+190 m平台、+175 m平台、+160 m 平台、+145 m 平台、+130 m 平台、+115 m 平台和+100 m 底部平台。其中+175 m 和+130 m 为机械清扫平台，平台宽度分别为8 m和10 m，其余为安全平台，平台宽度为5 m。
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4.2 优化设计边坡稳定性计算
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4.2.1 整体边坡角优化
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为了科学合理地确定矿山边坡角参数，在充分考虑原设计方案境界稳定性的情况下，以设计剖面的最终边坡角为计算基础，每次提高 1°进行优化分析，同时计算最终边坡角向下取 1°和 2°情况下的边坡安全系数，并在满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）对荷载组合的安全系数要求的基础上，以先满足整体后满足局部的思路，选取最大角度为推荐边坡角参数。同样地，本节利用以 M-P 法和 Bishop 法作为计算方法对设计剖面的边坡角度进行优化，以工况Ⅱ（自重+地下水+爆破振动）为例，符合规范安全要求的范围内的计算边坡角作为最优边坡角。不同角度下剖面稳定性计算结果见表7，安全系数变化如图9所示，根据计算结果，确定对该剖面整体边坡角优化的角度为 50°，计算结果如图8所示。
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图4 剖面D位置
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图5 现状和设计剖面D
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图6 剖面D计算结果（47°）
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a—Bishop法；b—M-P法
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图7 剖面D计算结果（局部）
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a—Bishop法；b—M-P法
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4.2.2 土层边坡角优化
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尽管各剖面在整体边坡安全系数上满足了规程对应的安全系数，因整个矿区岩体强度有随着开采深度增加的趋势，浅部的坡积层和岩体强度相对较低。边坡整体稳定性优化仅仅在理论上满足边坡整体的稳定性，但是对于局部强度较低的区域并不能满足稳定性需求。因此针对上部边坡局部存在安全系数不满足规程要求的现象，需对浅部岩体区域边坡进行对应的降低局部边坡角优化。
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图8 剖面整体稳定性计算（边坡角50°）
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a—Bishop法；b—M-P法
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图9 剖面安全系数变化曲线
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因边坡浅层为第四系坡残积层和全风化层，岩土层较为松散且全风化层节理发育甚至松散，所以破坏模式选用圆弧形滑动。边坡局部优化计算方法采用 M-P和 Bishop法，以剖面设计角度为基础将滑移面剪入口设定在边坡顶部，剪出口选择在全风化层的坡面最底部，并视边坡安全系数大小情况，逐步减小边坡角 3°、2°、1°或 0.5°，直至试算结果满足规范要求的安全系数。按照以上思路，不同角度下剖面稳定性计算结果见表8，安全系数变化如图11 所示，根据计算结果，确定对该剖面土层边坡角优化的角度为45°，计算结果如图10所示。
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图10 剖面土层稳定性计算（边坡角45°）
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a—Bishop法；b—M-P法
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图11 D剖面安全系数变化曲线
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4.3 优化结果
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为科学合理地确定矿山边坡角参数，在充分考虑设计境界稳定性情况下，以预设方案为基础，根据整体边坡角优化和土层边坡优化的结果，最终确定的优化结果如表9所示。
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5 结论
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（1）对该矿中风化岩石及微风化岩石进行三轴压缩强度试验，得到该矿中风化岩石内聚力 C= 10. 04 MPa，内摩擦角=54.5°，微风化岩石内聚力C= 14.14 MPa，内摩擦角=50.1º。
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（2）选取该矿典型剖面采用 M-P法和 Bishop法进行边坡稳定性计算，发现该矿现状边坡局部存在潜在滑移情况，通过优化得到最优最终边坡角为 47.5°。
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致谢 感谢前人对这项研究的支持和贡献，也特别感谢资料提供方的支持。
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参考文献
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陈兰兰， 肖海平， 刘鑫钰， 刘伟 . 2024. 灰色关联度支持下的露天矿边坡稳定性影响因素敏感性分析［J］. 测绘通报， （1）： 145 ‒149.
-
董骜 . 2023. 顺层边坡稳定性影响因素数值模拟分析［J］. 安徽建筑， 30（2）： 139‒141.
-
高庆， 杨润基， 卢许佳， 谢东武. 2023. 降雨及爆破扰动下某露天矿山顺层高陡岩质边坡稳定性的影响及优化［J］. 有色金属（矿山部分）， 75（4）： 52‒57.
-
郭廷亭， 赵周能， 门宇航 . 2023. 多风化层灰岩露天矿开采终了边坡稳定性的影响因素分析［J］. 矿业研究与开发， 43（12）： 79 ‒85.
-
郭子钰， 王勇， 李晓俊， 王辉 . 2023. 基于极限平衡法和有限元法的边坡稳定性综合分析［J］. 露天采矿技术， 38（6）： 45‒47.
-
贺中亮 . 2023. 整体边坡角对露天边坡稳定性的影响［J］. 现代矿业， 39（7）： 76‒78.
-
李和群. 2023. 某高岭土露天矿边坡稳定性研究及最终边坡角优化 ［D］. 南宁： 广西大学.
-
李建华. 2022. 露天矿现开采阶段高边坡稳定性分析及治理［J］. 西部资源， （6）： 81‒95.
-
李巧玲， 夏冬. 2020. 白砺滩露天煤矿东帮顺层边坡稳定性分析与边坡角优化［J］. 采矿技术， 20（1）： 83‒86.
-
李耀楠， 侯克鹏， 程涌 . 2018. 某露天矿边坡稳定性研究及边坡结构参数优化［J］. 有色金属（矿山部分）， 70（6）： 95‒100.
-
刘晓广 . 2023. 顺层边坡动力稳定性及加固工程优化设计研究 ［D］. 郑州： 华北水利水电大学.
-
卢欣奇， 张传亮， 苏军， 李欣， 金凯明. 2024. “十三五”期间非煤矿山安全生产情况及未来对策［J］. 有色金属（矿山部分）， 76 （2）： 60‒69.
-
渠旭东. 2024. 露天采矿爆破振动过程中边坡稳定性极限分析［J］. 内蒙古煤炭经济， （1）： 25‒27.
-
沈玉众， 郝志华， 陈勇， 李宁 . 2021. 基于抗剪强度折减系数法的某露天铀矿边坡角优化研究［J］. 铀矿冶， 40（2）： 102‒107.
-
王隆声. 2017. 露天矿山边坡安全问题及治理分析［J］. 世界有色金属， （12）： 199‒201.
-
王治宇. 2023. 地震作用下软硬互层岩质边坡稳定性影响因素及破坏模式研究［D］. 郑州： 华北水利水电大学.
-
晏明杨 . 2023. 基于 Slide 的某露天矿山边坡角优化研究应用［J］. 冶金与材料， 43（9）： 168‒171.
-
张莹， 王旭阳， 林智勇 . 2023. 某露天矿山破碎岩体高陡岩质边坡稳定性的数值模拟研究［J］. 有色金属（矿山部分）， 75（2）： 100 ‒105.
-
赵翔， 朱刚， 温楷， 王荣， 廖正彪. 2024. 石灰石露天矿高陡边坡稳定性计算分析［J］. 水泥技术， （2）： 34‒40.
-
钟晓勇， 刘博文， 陈俊彬， 王振伟， 汪云川. 2021. 露天矿顺层软岩边坡开挖变形特征与参数优化研究［J］. 煤炭工程， 53（3）： 151 ‒155.
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摘要
本文以某建筑用花岗岩矿边坡为研究对象，根据矿山开采现状、工程地质条件选取边坡稳定性计算剖面，通过三轴压缩强度试验获取岩体的物理力学参数，采用M-P法和Bishop在自重+地下水+爆破震动荷载工况计算现状边坡及设计边坡的稳定性系数，最终边坡角以向下取 1°和 2°进行优化。计算结果显示：该矿现状边坡局部稳定性系数为不满足要求，该矿采场边坡整体边坡角可从 47°优化成 47. 5°，优化后稳定性系数满足要求。
Abstract
Take a construction granite mine slope as the research object， according to the mining status quo， engineering geological conditions to select the slope stability calculation profile， through the triaxial compression strength test to obtain the physical and mechanical parameters of the rock body， using the M-P method and Bishop in the self-weight + groundwater + blasting vibration loading conditions to calculate the stability coefficients of the status slopes and the design of slopes， and ultimately the final slope angle to take 1° down and 2° for the optimization of the slope angle. Calculation results show that： the local stability coefficient of the current slope of the mine does not meet the requirements， and the overall slope angle of the quarry slope can be optimized from 47° to 47. 5°， and the optimized stability coefficient meets the requirements.
