矿区内人类工程活动主要为露天矿山开采。

3.2.5.1　卸荷和牵引作用

在说明卸荷作用之前，先说明一下原岩应力的概念。原岩应力也称为地应力，是指在岩体中天然存在的、未受人类工程活动影响的应力，包括自重应力、构造应力、地震应力和温度应力等。有关研究结果［39］表明：①铅直应力等于上覆岩层的自重应力；②水平应力具有明显的方向性；③不同地区的原岩应力相差很大；④一般情况下深度＜500m时，水平应力明显大于铅直应力；当深度＞1000m时，平均水平应力与铅直应力趋于相等。

露天矿采场的开挖，必然使岩体初始应力场重新分布，以水平方向为特征的应力的不均匀释放，会引起岩体向采坑方向回弹变形和膨胀，使原有的裂隙进一步扩大，或者产生部分新的裂隙，这类由于边坡开挖卸除原岩荷载而产生的裂隙即为卸荷裂隙。根据东南边坡H1滑坡勘察坑道观察，强卸荷裂隙带水平发育深度已经普遍达到20～30m，滑坡形成的滑动面最深部位基本上就在该深度附近。

自然岩质边坡的形成是一个比较漫长的动态时空变化过程，从力学角度分析，工程开挖形成岩质边坡主要是属于卸荷的工作状态。对于自然界的岩石（体），其工程地质意义上的“卸荷作用”就是指卸除原岩荷载的作用，是指三维应力下的原岩在地质响应、工程开挖或遇到其他扰动时，经过二次应力调整，其三轴应力的一个方向或多个方向出现应力减小（这种减小一般是等量或等比例的），或者是有的方向应力增加，有的方向应力减小。这些应力变化一般都引起主应力差增大，并经常导致了岩石（体）的大幅变形或失稳破坏。高陡岩质边坡的开挖进程，具有短期内地应力释放量大，卸荷量级高，卸荷范围宽的特点［76］。卸荷裂隙一般为自然地质作用形成，过程缓慢；露天矿开采相当于人工快速卸荷作用，卸荷作用导致边坡应力场重分布，岩体损伤、松弛和裂隙张开是卸荷的重要标志，主要表现为以下几方面［77，78］，边坡中分布的应力场示意图见图3－1。边坡卸荷具有以下基本特征。

（1）愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面，最小主应力则与之近于正交；

（2）坡脚附近最大主应力显著增高，最小主应力显著降低甚至转为拉应力；

（3）边坡后缘附近，坡面的径向应力和切向应力转化为拉应力，形成一张力带；

（4）坡体最大剪应力迹线由原先的直线变为近似的圆弧线；

（5）已有结构面（层面、节理、裂隙）进一步扩展并产生新的破裂。

图3－1　边坡中分布应力场示意图

3.2.5.2　爆破震动影响

在边坡开挖过和采矿过程中，需大量爆破，爆破过程中产生的振动作用和松动作用，对边坡稳定性具有较大影响，爆破产生的冲击应力，对边坡岩体产生冲击和剪切作用，可使边坡岩体强度衰减，也会使岩体中原有节理、裂隙进一步张开，甚至会产生新的裂隙，破坏岩体完整性，降低边坡的稳定性。爆破振动周而复始，对边坡岩体累进性破坏严重，原有结构面（地层层面、节理、裂隙等）进一步张开，扩大，并形成大量新的爆破振动裂隙，使岩体松动；岩体波速、密度、强度急剧降低；渗透性增强，地下水作用活跃。爆破作用易使边坡形成松弛张裂隙。

一般来说，露天矿山高边坡，均应该进行边坡爆破振动测试，测试的主要目的在于两方面［16］：一是根据矿区爆破振动的衰减规律，向矿山推荐合理的边坡爆破参数，以期尽可能把爆破振动对边坡稳定性的影响降到最低；二是为边坡稳定性定量计算提供爆破振动荷载的定量指标，为边坡设计方案的选择与优化修改提供基础数据。为了减少爆破振动对露天矿边坡稳定性的影响，以及改善边坡稳定性效果，在日常生产边坡中，通常采用微差爆破。而在临近最终边坡的爆破时，或者边坡已经成潜在不稳定边坡或滑坡时，为尽可能降低爆破振动对潜在不稳定边坡或滑坡的影响，则常采用预裂爆破或光面爆破等减震控制爆破技术［39］。

（1）边坡爆破振动参数与边坡地震烈度关系

矿区某一点爆破振动的强度主要取决于两个参数，即最大药量和爆心距，一般来说爆心位置是根据矿山的生产需要及采场边坡设计方案确定的，不能随意更改，因而在边坡爆破设计中只能通过对最大药量的控制来达到控制爆破振动强度，保证附近边坡的稳定。在工程中常用的矿区边坡爆破振动参数与相应的边坡破坏情况如表3－1［16］。

表3－1　边坡地震烈度与爆破震动参数对照表

注：在现行的国内标准中同一烈度下的地震速度与爆破震动的速度间的比例关系为：βV＝VB／VD＝1.5。
式中：VB——爆破震动速度值，cm／s；VD——地震时地面运动速度值，cm／s；βV——同一烈度下的爆破震动速度与地震地面运动速度的比例系数。

（2）地震加速度与爆破震动加速度关系

根据上述表3－1中爆破震动速度与地震速度之间的关系，结合现行的《中国地震动参数区划图》所提供的地震加速度值求得的爆破震动加速度值见表3－2。

表3－2　地震加速度与爆破震动加速度对照表

（3）爆破药量(www.daowen.com)

据业主提供的资料，本矿区最大药量约4000kg，一般情况对应的爆心距应＞45m。今后矿区可以在爆破震动监测的基础上，拟合出爆破震动加速度在水平和垂直方向的衰减方程，按照抗震设防烈度8度区考虑，再结合上述表3－1和表3－2提供的有关数据，以及业主提供的爆心距，即可以求出矿区爆破临界最大段药量。

（4）爆破振动力

由于边坡爆破振动致使边坡岩体产生沿着爆破振动加速度方向运动（或运动趋势）形成的力即为爆破振动力。爆破振动力在边坡稳定性计算中，一般采用拟静力法计算，即将振动荷载转化为一水平方向指向采场的静荷载来计算，其计算方法是根据矿区边坡的药量Q及爆心距R按照相应的爆破振动加速度衰减方程，求出各条块重心处的爆破振动加速度ai，再根据牛顿第二运动定律计算各条块的动荷载，具体可以参照有关要求进行。舒大强［79］提出的计算爆破振动荷载对边坡稳定性的影响等［16，39，80］，资料值得参考。

为了尽可能减小爆破振动对边坡稳定性的影响，对靠帮边坡通常应采用预裂爆破进行控制，现简要介绍预裂爆破的基本概念和要求。

预裂爆破是在主炮孔爆破之前起爆的布置在开挖边线的一排预裂孔，爆破的结果是预裂孔的相邻孔之间形成裂缝，整个预裂孔布孔平面形成一个断裂面，以减弱主爆区爆破时地震波向边坡岩体的传播并阻断向边坡外发展的裂缝。

①预裂爆破参数设计

预裂爆破参数设计包括：预裂孔孔距、排距，缓冲孔孔距、排距，预裂孔距到界边坡的顶距，预裂孔线装药密度，预裂孔单孔药量，缓冲孔单孔药量的设计等。其中主要参数如图3－2所示。

②预裂爆破起爆网路设计

起爆网路选用导爆管－导爆索复式起爆网路，起爆顺序为预裂孔超前第一排主炮孔起爆。第一排主炮孔选用的毫秒管至少应滞后预裂孔100ms。

主爆区必须采取先外侧后内侧的起爆顺序。为防止雷管爆炸时引起个别飞石破坏网络，主爆区孔外延时雷管采用编织袋适当架空或用雷管箱纸壳片夹裹并用块石压牢。

缓冲孔的起爆质量是影响预裂面质量的重要因素之一，这排孔一般采用间隔装药，用导爆索全孔起爆，并控制在整个网路中最后起爆缓冲孔。

③预裂爆破安全控制

预裂爆破除严格按爆破安全规程实施作业和管理外，还必须加强以下几方面的安全控制工作。

A.加强对爆破区域的地质构造分析。充分了解到可能由于爆破作用使岩体卸荷而造成工程灾害的发生，对于顺坡向发育的断层、层理等构造要高度重视，一般是尽量降低主爆区最大单响药量以减轻爆破振动，以防工程灾害的发生。

B.加强成形高边坡的安全监测。一方面岩体由于卸荷，会产生一些卸荷裂隙，特别是岩体内应力较强的区域，常因卸荷裂隙发育而掉落石块，危及下面作业安全，必须加强观测和防护；另一方面在爆破区的下面区域爆破时，也会因爆破振动使已成形的边坡产生松动、掉块。因此，爆破结束后，必须对其上部边坡认真检查并对危石进行处理，确认安全后方允许机械设备进场作业。

C.对爆破区附近的塌滑体，必须加强观测，在爆前作好明显标识，爆破后跟踪观测一段时间，看是否有变形、滑移迹象。

图3－2　预裂爆破示意图

图中1为主炮孔，2为缓冲炮孔，3为预裂炮孔。α为台阶坡面角，°；H——台阶高度，m；bd——预裂孔距边坡境界线的顶距，m；ah——缓冲孔孔距，m；bh——缓冲孔排距，m；a——主爆孔孔距，m；b—主爆孔排距，m。根据图中参数，再按照有关公式即可求出预裂孔线装药密度、缓冲孔单孔药量和预裂孔单孔药量。

3.2.5.3　边坡开挖角度、高度和边坡几何形状的影响

有关实验和监测统计资料表明，一定强度的岩土体，在坡高一定的条件下，稳定坡度角（坡比）也是一定的，这在边坡工程中早已经形成了共识，并写进了有关的工程地质手册中［81］，而这也是本研究项目整体边坡角和台阶边坡角可以优化的内在原因。在边坡开挖中，随着开挖坡角的加大，变坡点处的水平应力和坡脚处的剪应力将发生较大的变化，特别是坡脚处的剪应力集中程度将明显提高，随着边坡开挖高度的变化、坡脚各应力值和变坡点处水平应力增量的变化加快，往往在这些部位易形成鼓胀裂缝或剪出口，具体将在后面的数值模拟中进行说明。

工程实践和有关研究资料［39］均表明：露天矿边坡几何形状对边坡稳定性有一定影响。露天矿坑常见的平面形状主要有圆形、椭圆形、哑铃型、葫芦形等几种，无论哪种平面形状的露天矿坑，均可以看成是由直线型坡、凹型坡和凸型坡三种基本坡型组合而成，如以近似椭圆形的平面形态的露天矿边坡，两端帮可以看作凹型坡，有相对开阔地形或平直地形区一般会形成直线型坡，局部突出或山脊处则多开挖呈凸形坡。当然还有复合型的边坡。英国人Hoek研究指出，令H为边坡高度，R为边坡水平面半径，对于凹型坡，则当R／H＜1时，边坡角比直线型坡角可加陡10°；当R／H＞2时，可不考虑水平曲率的影响。对于凸形坡，R／H＜1时，边坡角比直线型坡角应缓10°；当R／H＞2时，可不考虑水平曲率的影响。

从剖面方面考虑，在不考虑结构面和地下水等前提下，众多露天矿边坡工程实践表明，凸形坡较直线坡稳定性差，更容易形成推移式滑坡。若坡型组合设置不合理，则容易形成牵引－推移式滑坡。

此外，采掘工作的推进方向和降阶速度对边坡稳定性也有一定影响，本矿区年开挖下降深度20～30m，主要是卸荷作用形成的应力调整，只不过这方面的研究不够深入。