摘要
露天矿排土场边坡的稳定性对露天矿山安全生产与运行起着至关重要的作用，其稳定性对矿山连续生产具有重要意义。本文在对露天矿排土场现状各帮边坡进行了系统深入的研究基础上，基于极限平衡法对排土场边坡进行稳定性分析，主要以边坡几何形态、地质信息、气象水文信息、现场监测等信息为主要研究指标，针对式可布台铁矿的排土场现状边坡选取4个典型剖面，建立边坡工程地质模型，进行排土场边坡稳定性分析与评价。研究表明，排土场P2023-1、P2023-2、P2023-3工程剖面现状边坡均大于边坡工程设计安全系数，为稳定边坡；P2023-4现状边坡稳定性系数接近安全系数的临界值，存在滑坡风险。模型结果与现场边坡稳定性状态吻合度较好，验证了模型的有效性。该模型可以充分考虑多重信息对边坡稳定性分析的贡献，从而更全面准确分析边坡稳定性，最终将导致边坡失稳的因素归结为两大类：一是外界力的作用破坏了岩土体原始的应力平衡状态，二是边坡岩土体的抗剪强度由于受外界各种因素的影响而降低，促使边坡失稳破坏，研究结果可为矿方对边坡稳定性研究和边坡治理工程提供指导。
Abstract
The stability of the slopes in open-pit mine waste dumps plays a crucial role in the safe production and operation of open-pit mines， with its stability holding significant importance for the continuous production within the mine. This article conducts a systematic and in-depth study of the current slopes of waste dumps in open-pit mines， utilizing the limit equilibrium method to analyze the stability of these slopes. The main research indicators include the geometric shape of the slopes， geological information， meteorological and hydrological data， as well as on-site monitoring. Taking the waste dump slopes of the Shikebutai Iron Mine as a case study， four typical cross-sections are selected for analysis. An engineering geological model of the slopes is established to conduct stability analysis and evaluation of the waste dump slopes. The study reveals that the current slopes of the P2023- 1， P2023-2， and P2023-3 sections all exhibit safety factors greater than the design safety factor， indicating stable slopes. However， the stability factor of the current slope of P2023-4 is close to the critical value of the safety factor， suggesting a risk of landslide. The model results align well with the actual stability status of the slopes， confirming the effectiveness of the model. This model， which considers multiple sources of information in the analysis of slope stability， provides a more comprehensive and accurate assessment of slope stability. Finally， the factors leading to slope instability can be classified into two categories： first， the effect of external forces destroys the original stress balance state of the rock and soil body； second， the shear strength of the rock and soil body of the slope is reduced due to the influence of various external factors， which leads to the instability and failure of the slope. It offers guidance to mining companies in their research on slope stability and in slope management projects.
0 引言
露天矿排土场边坡是露天矿山开采过程中不可或缺的组成部分，其稳定性直接关系到矿山安全生产、周边环境以及人民生命财产安全。因此，众多学者针对露天采场和排土场稳定性进行了大量研究。如徐长友等（2023）利用 SLOPE/W 软件中刚体极限平衡分析Morgenstern法与FLAC3D有限差分软件分别对扎哈淖尔露天矿含有断层和弱层软岩边坡变形破坏机理进行了研究。魏朝爽等（2014） 针对堆排高度对排土场稳定性的影响，以云南某露天矿小黑沟排土场为工程实例，运用 FLAC3D 非线性数值模拟分析了排土场稳定性状况，为排土场后续堆排作业及边坡参数优化提供了理论依据。纪晓阳和白润才（2021）为了解决排土场排土空间不足问题，以新疆黑山露天矿排土场为工程实例，提出基于斜条分上限法来计算排土场极限边坡角，优化排土参数来达到增大排弃空间的目的。余铁钢 （2021）、储靖帆等（2024）选取对边坡稳定性影响较大的抗剪强度参数作为随机变量并确定其分布函数，采用有限元方法进行边坡稳定性分析，并与定值法边坡稳定性分析作对比，在满足工程所需安全系数的基础上进一步采用可靠度的方法来优化整体边坡角，为未开采新建露天矿山边坡角优化设计提供参考。董贺伟（2022）、张长锁和刘建博（2024） 采用 GeoStudio 软件的 SLOPE/W 模块进行计算，分别模拟边坡在自重+地下水、自重+地下水+爆破振动力、自重+地下水+地震力3种荷载下的安全系数，对不同类型的边坡提出了针对性的治理建议。王德忠和吴燃（2021）、蓝宇（2023）、李山存（2023）、李兆龙（2024）利用 Slide 软件对排土场二维模型进行数值模拟，对失稳边坡进行堆置参数优化，采用 Geostudio 以及 FLAC 3D 软件进行了进一步计算校核，多角度定量分析了排土场稳定性状态并最终提出了相应的稳坡措施。刘建国等（2021）、刘秋强等 （2021）基于极限平衡法，利用Seep/W模块对不同工况下的渗流场模拟分析，采用Morgenstern-Prince法对其稳定性进行研究，对地下水渗流作用下的滑坡稳定性进行分析。
本文通过对新疆伊犁钢铁有限责任公司式可布台铁矿地质资料详细分析，在对露天矿排土场现状各帮边坡进行系统深入研究的基础上，对式可布台铁矿的排土场现状边坡选取 4 个典型剖面，即： P2023-1工程剖面、P2023-2、P2023-3以及P2023-4 工程剖面，共建立了 4 个露天矿排土场现状各帮边坡工程地质模型；结合各种类型的边坡工程地质简化模型，应用极限平衡理论对边坡工程地质简化模型进行边坡稳定系数验算并对设计边坡进行稳定性分析。基于以上研究，针对式可布台铁矿排土场边坡的边坡稳定性分析过程提出的主要成果及建议，为下阶段露天矿排土场边坡设计、治理方案提供理论依据。
1 研究区概况
式可布台铁矿位于阿吾拉勒山中段南麓山前，巩乃斯河北岸的式可布台一带，距新源县城北东 74°方位，直线距离 33 km。中心地理坐标为东经 83°37’，北纬43°33’，行政区划隶属新源县吐尔根乡管辖。
矿山开采矿种为铁矿，开采方式为露天开采，生产规模为 60 万 t/a，年剥离量 207.90 万 t；矿区面积为 1.652 km2，开采标高 1895～1430 m。式可布台铁矿矿床分为东、中、西 3 个矿段，地层由上石炭统依什基里克组和第四系组成，依什基里克组岩性主要有安山岩、层安山质火山角砾岩、层安山质凝灰岩、方解石质灰岩、层安山质粉尘岩，是区域上铁矿重要赋矿层位。矿区矿体平面地质示意图见图1（贺飞等，2013）。
图1式可布台铁矿区矿体平面地质示意图
1—上石炭统依什基里克组一段；2—层安山质火山角砾岩；3—潜石英斑岩；4—绢云绿泥千枚岩；5—碎裂状千枚岩；6—赤铁矿体；7—逆断层
2 研究区边坡现状
式可布台铁矿排土场属中低山区，地势总体北高南低，切割明显，山势陡峭，海拔 1500～1900 m，相对高差 100～300 m，地表植被发育，第四系覆盖较厚，局部基岩出露相对较好，矿区内山势高差明显，水系发育，水量充沛。铁木尔塔什河由矿区东部自北至南穿过，其支流在矿区西南边缘汇合，最后流入巩乃斯河、洛色尔萨依河，由矿区西部自东向西向南经过，最终流入巩乃斯河。
式可布台铁矿现露天开采已结束，在开采过程中产生的废石总量约 491.87 万 m3，在矿体西侧、东侧、南侧山谷中共设置3个排土场，排土自上而下沿山谷自然排放，排土场外坡每一阶段坡比为 1∶ 1.428（35°），每 10 m 高设置马道，马道宽度为 20 m （一阶为18.50 m），最终堆积边坡角16.26°。
排土场排弃物料主要来源于采掘场松散工程地质岩组，经过人工开挖，破坏了岩体原有的结构以及其力学性质，人工排弃后形成堆积物构造简单。排土场边坡目前相对稳定，无垮塌，破损掉块和位移现象。排土场现状、矿区现状边坡见图2～图4。
3 岩土体力学参数确定
岩体力学参数确定是边坡稳定性计算评价的基础也是关键。在边坡岩石力学室内试验研究基础上通过准岩体强度估算法、地质力学法（CSIR）及岩体基本质量级别分析法综合分析基础上，结合以往试验研究数据分析获得边坡岩体强度，从而给出边坡稳定性计算所需的合理岩体参数推荐值。
本文岩体力学参数确定的推荐值是根据《新疆新源县式可布台矿区中矿段铁矿资源储量核实报告》中以往岩土体力学指标、相关实验数据以及相邻矿山工程所应用的实践结果最终确定的。以往岩体力学指标推荐值见表1、表2。
图2排土场现状图
a—东侧排土场现状图；b—西侧排土场现状图；c—南侧排土场现状图
图3矿区现状边坡平面图
研究区矿石矿物为赤铁矿、镜铁矿及少量褐铁矿、极少磁铁矿、黄铜矿、孔雀石、闪锌矿。脉石矿物主要为红碧石、绢云母、绿泥石、重晶石等。矿石矿物含量一般为 35%～55%，脉石矿物含量为 45%～65%，局部地段稍有差异。
表1边坡稳定性计算岩体物理力学参数推荐值
通过分析以往岩土力学试验研究成果、滑坡反分析成果，结合相似工程地质条件露天矿岩土物理力学指标以及排土场现状，最终确定本研究排土场边坡岩土物理力学指标推荐值（表3）。
4 排土场边坡稳定性计算方法与模型
4.1 计算方法选取
极限平衡理论的主要思想是将假想滑体（即某区域内有滑动态势的边坡岩体）按一定规则拆分为连续的块体，然后建立这些被拆分的块体的平衡方程来求解相关数值，进而达到分析边坡稳定性的目的。
表2本矿区台阶边坡岩石力学测试结果
表3岩体力学参数推荐值
4.1.1 简化Bishop法
Bishop 法率先提出了安全系数的定义，设滑面为圆弧面，Fs表述为假设滑体底面为近圆弧面，当各个分条都平衡时，滑面中心的抗滑力与下滑力的比值，每个分条都处于力的平衡状态。然后通过假定土条间的作用力为水平方向，求出土条间的法向力，通过力矩平衡来确定安全系数（图5）。
(1)
式（1）中：i 为条块编号；li 为条块底滑面长度 （m）；ϕ' 为内摩擦角（°）；c' 为内聚力（kPa）；Ri 为临界抗滑力（kN）；N'为条底有效法向作用力（kN）。
图5简化Bishop法力学模型图
4.1.2 摩根斯坦－普瑞斯（Morgenstern-Price）法
摩根斯坦－普瑞斯（Morgenstern-Price）方法的特点是考虑了全部平衡条件与边界条件，这样做的目的是为了消除计算方法上的误差，并对 Janbu 推导出来的近似解法提供了更加精确的解答。对方程式的求解采用的是数值解法（即微增量法），滑面的形状为任意的，安全系数采用力平衡法（图6）。
将边坡划分为 n 个条块，取第 i 条块为隔离体。该条块所受到的作用力有：
（1）Wi —自重；
（2）KcWi — 水平方向地震力，Kc 为地震影响系数；
（3）Ui =ui ×li —孔隙压力，ui为孔隙压力，li为滑块底部的长度；
（4）Ni —条块底部的法向力；
（5）ti —条块底部的切向力；
（6）Ei和Ei-l—条块间的法向力；
（7）Xi 和 Xi-l—条块间的切向力，由 Morgenster-Price法假设满足力函数如下：
(2)
4.2 计算剖面的选取与工程地质模型构建
通过对式可布台铁矿地质资料详细分析，并对露天矿排土场现状各帮边坡进行了系统深入的研究基础上，针对铁矿的排土场现状边坡选取 4 个典型剖面，即：P2023-1 工程剖面、P2023-2、P2023-3 以及 P2023-4 工程剖面，共建立了 4 个露天矿排土场现状各帮边坡工程地质模型，式可布台铁矿计算剖面选取位置见图7。
图6条块受力分析图
图7计算剖面的选取
边坡工程设计安全系数的选取直接影响着边坡稳定性分析的计算范围，其系数的选取是根据边坡工程的重要性、外界条件对边坡的影响、边坡的性质和规模及整治的难易程度等因素综合考虑后对稳定系数的限值。
针对式可布台铁矿排土场边坡稳定性分析安全储备系数的选取，依据《冶金矿山排土场设计规范》 （GB 51119-2015）及《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014）的相关要求，露天矿边坡的设计安全系数规定，首先对边坡危害等级进行划分。排土场安全稳定性标准和边坡危害等级划分见表4~表8。
表4排土场安全稳定性标准
本矿区确定排土场等级为一级，排土场安全稳定性标准为1.25。矿区确定边坡危害等级为Ⅱ级。矿区边坡高度最大为 259. 0 m，根据边坡工程安全等级划分，本矿区边坡工程安全等级为Ⅰ级（表8）。
表5边坡危害等级
表6边坡工程安全等级划分
表7不同载荷组合下总体边坡的设计安全系数
注：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Ⅱ为自重+地下水+地震力。
表8边坡工程设计安全系数
4.3 排土场现状边坡稳定性计算
由于式可布台铁矿排土场边坡的潜在滑坡模式为圆弧滑动或以第四系松散层弱层为底界面的切层-顺层滑动，本文模拟基于 Geoslope 中的 Slope/ w 模块进行建模，根据边坡地质特点计算不同工况下的稳定系数（图8~图11）。
图8P2023-1剖面边坡稳定性计算结果
a—整体边坡稳定性计算；b—局部边坡稳定性计算
图9P2023-2剖面边坡稳定性计算结果
a—整体边坡稳定性计算；b—局部边坡稳定性计算
图10P2023-3剖面边坡稳定性计算结果
a—整体边坡稳定性计算；b—局部边坡稳定性计算
图11P2023-4剖面边坡稳定性计算结果
不同工况下边坡稳定性计算结果见表9，排土场边坡 P2023-1 剖面边坡高度约为 189 m，现状边坡角度为24°，P2023-2剖面边坡高度约为230 m，现状边坡角度为 20°，P2023-3 剖面边坡高度约为 198 m，现状边坡角度为 24°，P2023-4 剖面边坡高度约为 259 m，现状边坡角度为 38°，经计算排土场 P2023-1、P2023-2、P2023-3工程剖面现状边坡稳定系数均大于边坡工程设计安全系数，为稳定边坡， P2023-4现状边坡稳定性系数接近安全系数的临界值，且略小于安全系数，存在滑坡风险。
5 边坡防治措施及检测技术
5.1 边坡防治措施
露天矿边坡防治目的是利用相关技术措施确保露天矿排土场的安全，防治原则应以“预防为主，治早治小，治理为辅，力求做到防患于未然”的原则。本文结合边坡稳定性分析计算结果，制定针对性防治措施。
表9不同工况下边坡稳定性计算结果
（1）西侧排土场与采掘场形成了复合边坡，应注意排土场对采掘场边坡带来的影响，必要时可进行专项的安全措施设计。
（2）边坡防治工程的重点是对水的防治。研究区排土场边坡防治水工作的重点在于防治地表水涌入排土场并渗入边坡体内，以维护排土场边坡稳定性和岩土体自身结构不至被弱化、解体和丧失强度。可采取的主要方式有：截导地表水；覆盖防渗； 加强边坡巡查；在冻融期时应及时清除坡体上的雪水等。
（3）应重视日常巡查等日常防治措施，特别是加强对 P2023-4 剖面处现状边坡的日常巡视和监测。
5.2 边坡监测
本矿目前露天开采已结束，根据开采计划，即将由露天开采转入井工开采，需对排土场边坡进行长期监测，通过边坡监测，积累边坡监测的实时数据、掌握边坡的安全状况。
根据不良地质调查，结合数值模拟计算结果，根据观测区的地形条件，可布置正方格网、任意方格网、十字交叉网、射线网和基线交点网共5种监测网，采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等常规测量仪器测定点的变形值、采用摄影测量技术、边坡雷达及 GNSS 自动化变形监测技术（肖亚辉和张朝辉，2024；张龙，2024；张世佳等，2024），对不稳定边坡进行全天候动态实时监测。
露天矿地表位移监测点布设排土场边坡、平盘和地表等在内的所有范围。在影响范围内和边缘，在地形、地貌特征点上根据实际的需要布置相应数量的网格形分布的监测点，以此来反映露天排土引起的地面下沉和露天矿边坡的位移变形，拟布设的边坡监测点分布见图12。
图12排土场边坡监测图
6 结论
（1）通过对式可布台铁矿地质资料详细分析，并对露天矿排土场现状各帮边坡进行了系统深入的研究基础上，针对式可布台铁矿的排土场现状边坡选取 4 个典型剖面，即：P2023-1 工程剖面、 P2023-2、P2023-3 以及 P2023-4 工程剖面，共建立了4个露天矿排土场现状各帮边坡工程地质模型。
（2）结合各种类型的边坡工程地质简化模型，应用极限平衡理论对边坡工程地质简化模型进行边坡稳定系数验算并对设计边坡进行稳定性评价，结果为 P2023-1，2，3 边坡为稳定状态，4 边坡处于基本稳定状态。但由于4边坡稳定性系数接近安全系数的临界值，且略小于安全系数，高陡边坡台阶的存在对露天矿人员以及设备存在潜在的危险，应加强监测，必要时应采取相应的治理措施。
（4）本矿露天已开采结束，即将由露天开采转入井工开采，为避免采场、排土场边坡成为未来矿井生产安全隐患；同时避免高陡边坡对附近牧民生命财产安全造成影响，保护动物安全；需对边坡进行长期监测，通过边坡监测，加强边坡管理，积累边坡监测的实时数据、掌握边坡的安全状况，从而能够及时发现边坡滑坡的安全隐患，并及时采取有效措施消除边坡的滑坡可能。
