９．鸢笺１堡 旦 规 水利与建筑工程学报 ｏ—ａｌ ０ｆ ｗａｔ。 Ａ１ 。； ｒａｌ ＦＶｏ１．９ Ｎｏ．１ ｅｂ．．２０１１ 刚果（金）ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ铜钴矿矿区边坡敏感性分析 杨春发 ，周文斌２ （１．华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄０５００２１；２．四川省蜀通岩土工程公司，四川成都６１００８１） 摘要：敏感性分析在露采矿山边坡角优化和矿山滑坡治理中具有重要作用和意义。以刚果（金） ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ露天矿２—２’边坡为例，考虑重度、粘聚力、内摩擦角、地下水等敏感因子，通过敏感性分析， 明确了矿区滑坡治理的主要对象；通过坡角敏感性分析，为矿区提供了最合理边坡角。就本例而言，原 设计边坡角处于稳定，可进行边坡角加陡，提高边坡角，减小剥采比，降低开采成本，提高经济效益。 关键词：矿山边坡；敏感度；安全系数变化率；坡角优化 中图分类号：ＴＤ８２４．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２０１１）０１—０ｌ４８—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｓｌｏｐｅ ｉｎ ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ Ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ Ｃｏｂａｌｔ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｃｏｎｇｏ（Ｋｉｓｈａｓａ）ｎ ＹＡＮＧ Ｃｈｕｎ—ｆａ ，ＺＨＯＵ Ｗｅｎ—ｂｉｎ２ （１．Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ ０５￣２１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓｈａｔｏｎｇ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｌａｙｓ ａ力ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｏｐｔｆｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｃｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｏｆ ｍｉｎｅｓ．Ｔａｋｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ２—２’ｏｆ ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ ｓｌｏｐｅ ｉｎ Ｃｏｎｇｏ（Ｋｉｎｓｈａｓａ）ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎ— ｌｆｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ａＳ ｗｅｉｇｈｔ，ｃｏｈｅｓｉｏｎ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔａｒｇｅｔ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｌｎｄｓａｌｉｄｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｆｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｎｄ ａｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｃａｓｅ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ ｉｓ ｉｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｃｏｓｔｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｌｏｗｅｒｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．ｆ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｏｐｅ ｏｆｍｉｌｌｅ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ 露采矿山边坡角设计及滑坡治理工程中，分析 边坡影响因子的变化与边坡安全系数的相关性，即 敏感性分析，不但可以找出边坡失稳的主导因素，而 且对边坡失稳灾害的防治及矿区坡角优化设计都具 有重要意义。 烈，１、２，３级结构面不明显，４、５级结构面非常发育。 以上特点决定了矿区岩土体参数空间离散性 大，难以准确获取，进行坡角设计和滑坡治理时，需 要对参数进行敏感性分析。下面以代表矿区第６边 坡区的２—２’剖面为例，考虑岩土体重度、粘聚力、 内摩擦角、地下水和坡角等敏感因子，分别进行敏感 刚果金ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ铜钴矿位于刚果金Ｋｏｌｗｅｚｉ 西南约７ ｋｍ处，拟露天开采。该矿区与其它矿区相 比较，具有以下特点：①矿区面积大，最终采场边界 线９ ９７０ ｍ，采坑面积５．２６ ｋｍ０，开采深，深度可达 ４００ ｍ以上，形成深凹高边坡；②矿区地质构造非常 复杂，背斜、向斜、断层构造发育；③地层岩性差异 大，水平方向、垂直向上软硬相问，完整程度变化大， 性分析，以获得矿区边坡最合理边坡角，以及滑坡治 理的主要对象。 １敏感性分析 敏感性分析最早出现在投资项目的经济评价 中，常作为一种研究不确定性因子的方法。２０世纪 无明显规律，３００ ｉｎ深度下常见土柱状，散体结构、 碎裂结构岩体；④矿区地表和深部岩土体风化强 收稿日期：２０１０—１０．１７ 修稿日期：２０１０．１１－０３ ９０年代，才逐渐应用于边坡工程，大多采用单因子 敏感性分析法。敏感性分析是在确定性分析的基础 作者简介：杨春发（１９７６一），男（汉族），江西瑞金人，硕士，主要从事矿山边坡工程地质研究。 第１期 杨春发，等：刚果（金）ｓＩｃ０ＭＩＮＥｓ铜钴矿矿区边坡敏感性分析 ｌ４９ 上，进一步分析不确定性因素对边坡安全系数的影 响及影响程度，其实质是通过逐一改变相关变量数 数，然后将其中的一个影响因素在基准值附近变化， 同时保持其它因素水平不变，计算出该因素不同取 值条件下相对应的安全系数值。②按上述方法，分 别计算出其它影响因素变化时所对应的安全系数 值。③根据式（３）求解各因素的敏感度Ｓ ，分析对比 值的方法来解释关键指标受这些因素变动影响大小 的规律。敏感性因素一般可选择主要参数（如岩土 体重度、粘聚力、内摩擦角、地下水、坡高、坡角、震动 等）进行分析。若某参数的小幅度变化能导致安全 各ｓ 的大小，得出各影响因素对边坡稳定的影响程 度大小，从而得到影响边坡稳定的主要因素和次要 系数指标的较大变化，则称此参数为敏感性因素，反 之则称其为非敏感性因素＿】Ｊ。 假定边坡安全系数 为各影响因素的函数，即 ＝ｆ（ １， ２，…， ） （１） 则安全系数对第ｉ个影响因素的变化率可表示为 ７７： （２）Ｌ 第ｉ个影响因素的敏感度Ｓ 可表示为 ｓ Ｉ Ｉ／ｌｓ ｌ Ｘｉ／ｋｘ ｆｉ Ｉ （３） 其中，ｆＩ ， 『ｆ 为安全系数 相对变化率，ｆ Ａｘｌ ｆｊ 为影 响因素 的相对变化率。ｓ 越大，表明在该条件下 对 越敏感。 △ 表示安全系数差值，△ 表示第ｉ个影响因 素的差值。 与Ｓ 是有区别的。 是安全系数变化量与因 子变化量之比，是有量纲的。只能在同一因子问比较 大小，不同因子的安全系数变化率不能比较大小。该 指标有正负号，正号表示安全系数随着因子增大而 增大，负号表示安全系数随着因子增大而减小。敏感 度５ 是安全系数变化率与因子变化率之比的绝对 值，无量纲。不同因子的敏感度可以比较大小，能反 映不同因子引起安全系数的变化幅度。因此，通过某 一因子的安全系数变化率，可以反映安全系数变化 趋势；通过因子的敏感度，可以找出最敏感因子，即 敏感因素ｌ 引。 许文年为了研究边坡影响因素对安全系数的敏 感性大小，分别将安全系数推导式（１）中 对 、 、 求偏导数，即万ａＦｓ、篑、箦，比较不同ｙ、 、 值下 各偏导数的值（ｙ、ｃ、声分别表示岩土体重度、粘聚 力、内摩擦角），以此确定出各因子的敏感度大小，判 定各影响因素对滑坡的不同影响程度，从而可确定 边坡优化设计及滑坡治理的主要目标［ 。 敏感性分析具体计算可按以下步骤进行［ｓ， ］： ①按现场原位测试或室内土工试验结果选取一组 基准土工参数，计算出该基准条件下的边坡安全系 因素。 ２工程实例 刚果金ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ铜钴矿区位于ＫＯＬＷＥＺＩ市 西南约７ ｋｍ处，地势起伏较小，为低缓丘陵地貌。 矿体埋藏深，平均在地表下３８０ ｍ左右，缓倾状，倾 向西北，拟采用露天开采方式，势必形成矿区高边 坡。其中２—２’剖面边坡，坡高４０５ １ＴＩ，坡顶标高 １ ４２５ ｍ，坡底标高１ ００５ ｍ，上部９０ ｍ，原设计坡角 ３９ｏ，岩土体受矿区断层及Ｍａｓｈａｍｂａ向斜等地质构 造作用，岩体破碎，呈散体结构、碎裂结构，），为１９．４ ｋＮ／ｍ３，ｃ为３６ ｋＰａ， 为２４。；下部坡高３１５ ＩＴＩ，原设 计坡角２８。，岩体相对完整，呈层状结构、次块状结 构，），为２４．８ ｋＮ／ｍ３，ｃ为５００ ｋＰａ， 为３５。Ｉ 。考虑 该边坡岩土体混合，既有上部较厚的土质边坡，又有 下部的岩质边坡。整体坡结构面极其发育，边坡破 坏模式为折面状，破坏机理为滑移一拉裂或蠕滑一 剪断一拉裂型。因此，采用Ｓａｒｍａ法分析边坡稳定 性，得到该剖面边坡稳定性分析图（见图１）。 图１ ２—２’原设计边坡稳定性分析图（Ｆ ：１．４４３） ２．１岩土体重度敏感性分析 从图２可以看出，边坡安全系数随着岩土体重 度的增大逐渐减小。安全系数对土体和岩体重度较 敏感， 一），关系曲线为陡倾直线。其中土体安全 系数变化率为一０．００５８ ｋＮ／ｍ ，敏感度５平均值为 ０．１０２；岩体安全系数变化率为一０．００４４ ｋＮ／ｍ３，敏 感度５为０．０８４。 水利与建筑工程学报 第９卷 Ｉ６ １ ７ １８ ｔ９ ２０ ２１ ２２ ２３ ２４ ２５ ２６ ２７ ２８ ｙ值／（ｋＮ・１１１ １ 图２岩土体重度敏感性分析 ２．２岩土体粘聚力敏感性分析 从图３、图４可以看出，边坡安全系数随着岩土 体粘聚力增大而增大。安全系数对土体粘聚力不敏 感， 一ｃ关系曲线为对数直线，变化率为 ０．０００２／ｋＰａ，敏感度Ｓ为０．００９；安全系数对岩体粘 聚力较敏感， 一Ｃ关系曲线为直线，安全系数对粘 聚力的变化率为０．０００３／ｋＰａ，敏感度ｓ为０．１１８。 ３ｌ ３２ ３３ ３４ ３５ ３６ ３７ ３８ ３９ ４０ ４ｌ ４２ ４３ ｃ／ＭＰａ 图３土体ｃ值敏感性分析 ４８ ４７ ４６ ４５ ４４ ４３ ４２ ４Ｉ ４０ ３ ８０ ４０５ ４３０ ４５５ ４８０ ５Ｏ５ ５３０ ５ ５５ ５８０ ６０５ ／ＭＰａ 图４岩体ｃ值敏感性分析 ２．３岩土体内摩擦角敏感性分析 从图５可以看出，边坡安全系数随着岩土体内 摩擦角的增大而逐渐增大。安全系数对土体内摩擦 角不敏感， 一 关系曲线为直线，近似水平，变化 率为０．０００１／度，敏感度Ｓ值为０．００４；安全系数对 岩体内摩擦角非常敏感， 一≯关系曲线为直线，变 化率为０．０１０９／度，敏感度．ｓ为０．２３７。 图５岩土体内摩擦角敏感性分析 ２．４地下水敏感性分析 计算中采用２—２’剖面上部边界水头１ ３００ ｍ， 坑底水头１ ００３ ｍ，通过渗流分析算出的浸润线为基 准线，上下平移，分别计算安全系数。从图６可以看 出，安全系数对地下水较敏感，随着地下水位降低而 增大， 一声关系曲线为陡倾直线，变化率为 ０．００１６／ｍ，敏感度Ｉｓ为０．１３２。 ３０ ３ ５ ４０ ４５ ５０ ５ ５ ６０ ６５ ７０ ７５ ８Ｏ ８５ ９Ｏ 地下水位ｈ ／ｍ 图６地下水敏感性分析 ２．５敏感性综合分析 由上面计算分析，可得表１、表２。 表１边坡安全系数变化率 （１）岩土体重度的增大将使边坡安全系数减 小，降低边坡稳定程度；而岩土体粘聚力和内摩擦角 的增大能提高边坡安全系数，增加边坡稳定性。 （２）各因子对土坡和岩质边坡安全系数变化率 的影响差异大。在影响安全系数变化率的因子中， 土体重度大于岩体重度，土体粘聚力小于岩体粘聚 力，而岩体内摩擦角远大于土体内摩擦角。 （３）地下水位升高将大大降低边坡稳定性，安 全系数对地下水位较敏感，敏感度介于岩体内摩擦 角与土体重度敏感度之间。由于计算中采用单因子 敏感性分析，没考虑地下水位变化，引起其它因子发 生变化，以及地下水渗流作用对边坡的破坏。考虑 这些影响，实际地下水敏感度比此次计算的敏感度 要大得多。 （４）总体来说，土质边坡稳定性对土体重度反 应最敏感，粘聚力次之，内摩擦角最小；岩质边坡稳 定性对内摩擦角最敏感，粘聚力次之，重度最小。 第１期 杨春发，等：刚果（金）ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ铜钴矿矿区边坡敏感性分析 １５１ ３边坡角优化 通过敏感性分析法研究坡角因子对边坡安全系 数的影响，对矿区原设计边坡角进行了合理优化。 通过计算，对具有加陡坡角潜力的边坡，给出安全系 数限值为１．２５０，边坡所能达到的最大坡角。分析 结果见表３。 表３ ２—２’坡角敏感－陛计算 （２）采用坡角敏感性分析，进行坡角优化，为矿 区提供最合理边坡角。就２—２’剖面而言，原设计 边坡均处于稳定状态，进行坡角挖潜，上部可加陡 ４。，下部可加陡１４。，降低了剥离量，大大提高了工程 经济效益。 （３）通过岩土体重度、粘聚力、内摩擦角敏感因 子分析，土坡重度最敏感，岩质边坡内摩擦角最敏 感。因此，进行滑坡治理时，对于土质边坡，应重点 考虑土体重度影响，通过削方减载有效提高边坡稳 定性；下部岩质边坡，应重点考虑岩体内摩擦角对边 坡安全系数的影响，可采用锚固支护，开挖后要及时 支护，同时做好爆破减震措施，减少对岩体扰动，保 证坡体内摩擦角不发生较大变化。 参考文献： ］ Ｉ＿寸 ］］Ｊ ［１］ 谭晓慧．平面滑动边坡的可靠度计算及敏感性分析 ［Ｊ］．安徽地质，２００１，１１（１）：４９—５３． 张旭辉，龚晓南，徐日庆．边坡稳定影响因素敏感性的 正交法计算分析［Ｊ］．中国公路学报，２００３，１６（１）：３６－ ３８． 从表３可以看出，上部边坡原设计坡角为３９。， 经坡角优化，可提高４。；下部边坡原设计坡角为２８。， 经坡角优化，可提高１４。。与原设计相比，该剖面所 代表的边坡区可减少剥岩量约２．２０×１０６ ｔ，按现在 的剥岩成本计算，预计节省剥岩费用约５．２８×１０７ 元，经济效益十分显著。 陈志波．边坡稳定性因子分析及其位移预测［Ｄ］．福州： 福州大学，２００５． 胡海浪，黄秋枫，李建林，等．岩质边坡稳定性影响因素 敏感性分析［Ｊ］．西北水电，２００８，（５）：７一ｌＯ． ４结论 谢全敏，李道明，夏全友．顺层滑移型岩质边坡稳定性 影响因素敏感性分析［Ｊ］．华东公路，２００６，（５）：９５—９６． 张少宏．黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析［Ｊ］． 水利与建筑工程学报，２００３，１（３）：４０－４２． （１）介绍了刚果（金）矿区特点。重点论述了敏 感性分析的基本概念、分析原理和求解步骤，并以矿 区具体实例加以说明。 钸 坏 尔 乖 乖 杨春发．刚果金ＳＩＣＯＭＩＮＥＳ铜钴矿矿区工程地质报告 ［Ｒ］．石家庄．华北有色工程勘察院有限公司，２０１０． 币 乖 ’ ！ ： Ｉ， ！ 乖： ：： ．乖 ！ｆ （上接第１４７页） 参考文献： ［１］建设部综合勘察研究设计院．ＧＢ５００２１—２００１．岩土工 程勘察规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００９：５２—５３． 滑坡稳定性分析中的应用［Ｊ］．水利与建筑工程学报， ２００７，５（４）：１３—１６． ［５］娄一青，郑东健，岑黛蓉．降雨条件下边坡地下水渗流 有限元分析［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２００７，５（１）：５—７． ［６］赵明阶，何春光，王多垠．边坡工程处理技术［Ｍ］．北 京：人民交通出版社，２００３． ［２］交通部第一公路勘察设计院．．１ＴＪ０６４—９８．公路工程地 质勘察规范［ｓ］北京：人民交通出版社，１９９９：９８—１０３． ［３］ 中交第二公路勘察设计研究．ＪＴＧＤ３０—２００４．公路路基 设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４：６１—６４． ［７］ 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等．边坡与滑坡工程治理 ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００７． ［４］周海清，陈正汉．面向对象的神经网络建模工具及其在
