露天采石場危險邊坡預測評估實例分析

羅 鵬 盧薇艷

(深圳市地質局，廣東 深圳 518023)

引言

根據《礦山地質環境保護規定》(國土資源部令第44號)的要求，為保護礦山地質環境，減少礦產資源勘查開采活動造成的礦山地質環境破壞，促進礦產資源的合理開發利用和經濟社會、資源環境的協調發展，應當編制《礦山地質環境保護與治理恢復方案》。《礦山地質環境保護與治理恢復方案編制規范》(DZ/T223—2009)的精度和方法要求:一級評估應定量——半定量地做出礦山地質環境影響程度現狀評估、預測評估和綜合評估，二級評估應半定量——定性地做出礦山地質環境影響程度現狀評估、預測評估和綜合評估。

1.礦山基本情況

1.1 地理位置。礦區位于廣東省云浮市云安縣城區287°方向，直距7km處，行政區劃隸屬云安縣六都鎮管轄。礦區至西江林場大木嶺隊有1.0km簡易鄉村公路，礦區至云安縣城碼頭運距為10km，距西江河邊直線距離為3.5km。

1.2 礦權設置及生產規模。礦山企業于2011年首次取得采礦許可證，礦區面積為17.3hm2，開采深度為+341m～+150m，并將礦山生產規模擴大到20萬m3/a。

1.3 礦區開采現狀。礦區長時間開采活動形成了7個邊坡高度15～20m的開采臺階，開采臺階平臺寬度6m～55m(為現第一層臺階的工作平臺)，開采最大標高達到+330m，最低標高達到+143.67m，開采邊坡最大高差達到186.33m，開采坡面邊坡角70～80°。礦區東部邊界80m處構筑有破碎場地，包括2條生產線及配套設施，場地周邊形成人工開挖邊坡，邊坡最高達到10m，邊坡角70～80°。礦區東北部28m處設置了排土場，分臺階進行規范堆放礦山剝離物，形成了4層的排土臺階，最高處+282.77m，排土臺階平臺平均寬度6.5m，排土邊坡坡角30～40°，排土場邊坡現狀穩定。排土場下游構筑有擋土壩，擋土壩為土質壩體，壩體完整，基本穩定。礦區的礦山工程間通過礦山道路相連通，現有礦山道路已通往+315m水平左右，道路平均寬4m，礦山道路的構筑形成了道路邊坡，邊坡高6m，邊坡坡度60～70°。礦區現狀邊坡穩定，未發生地質災害。

2.地質環境背景

2.1 地形地貌。礦區及周邊屬丘陵地貌，微地貌類型單一 (丘陵)，區內總體趨勢是礦區所在范圍高周邊低。區內標高最高+341m，最低+72m，最大相對高差269m，區內原始地形坡度25～40°，地形起伏變化大。

2.2 地層。礦區區域上出露地層主要有奧陶系下統回龍群 (O1hl)、奧陶系中統縮尾嶺群 (O2sw)、泥盆系上統天子嶺組 (D3t)、泥盆系上統帽子峰組 (D3m)、石炭系下統巖關階 (C1y)、上三疊－下侏羅統小坪群、侏羅系中上統百足山群 (J2－3bz)和第四系全新統 (Qdl+el4)。

評估區出露的地層有奧陶系上統三尖群 (O3sn)為開采礦體所在地層，巖性為變質石英砂巖夾絹云母石英砂巖，呈中、厚層狀;分布礦區全部，地層產狀為300°～328°∠31°～35°，典型產狀為315°∠34°，該地層厚大于200m。第四系全新統 (Q4):廣泛分布于區內，覆蓋于三尖群之上，巖性主要為粉質粘土及粉土，厚度5～10m。

2.3地質構造。評估區處于加益～宋桂～四會斷裂帶中段的云安縣六都段西側，大紺山旋轉構造外帶北側，區內褶皺、斷裂構造不發育。根據前期地質資料及現場調查，基巖主要發育有兩組節理:第一組產狀為36～45°∠60～80°，平均為40°∠70°;另一組為125 ～129°∠32 ～55°，平均為126°∠40°，以剪節理為主呈楔形，裂隙上部呈開口狀被第四系充填。

2.4水文地質。評估區地下水分為松散巖類孔隙水、層狀基巖裂隙水。經計算，露天采場開采中日正常匯 (涌)水量為2623.08m3/d。礦區的地下水類型簡單，露天采場匯(涌)水與地表水水力聯系較密切。礦體位于最低侵蝕基準面標高及開采境界周邊地表標高之上，不需要抽排水、疏干，對礦山開采的影響較輕。

2.5工程地質。區內覆蓋層 (第四系和強風化)總體呈硬塑－堅硬土狀，干強度中等，韌性中等，厚度較大 (5m～10m)，遇水易軟化、崩解，故形成的邊坡自穩能力較差。基巖為微 (未)風化石英砂巖，分布連續，堅硬，透水性弱，巖體風化裂隙稍發育，巖體完整程度為較完整。

3.選取的評估方法概述

3.1 土質邊坡評估分析方法。土質邊坡土體 (粉質粘土為主)，利用同濟啟明星邊坡穩定性評估計算軟件SLOPE1.0，采用“總應力”模式下的瑞典圓弧公式迭代法對在開采過程中及終了土質邊坡穩定性的安全系數Fs進行計算如公式3－1:

公式中:W為土體容重，φ為內摩擦角，c為內聚力，l為坡長，β為土坡傾角。

根據判別指標:當計算的安全系數Fs＞1.3，邊坡的穩定性為穩定;當安全系數1≤Fs≤1.3時，邊坡的穩定性為較穩定;當安全系數Fs＜1時，邊坡的穩定性為不穩定。

邊坡穩定性計算的巖土參數的確定按《儲量核實報告》的鉆探取樣資料及地區經驗結合取值。邊坡穩定性時按正常和暴雨兩種工況分別計算:

工況1:一般狀態下采用正常參數值進行計算。

工況2:雨季巖土體可能吸水飽和，由于邊坡在雨季遇持續強降雨的情況下，坡體可能吸水飽和，因此雨季狀態考慮邊坡坡體為飽和狀態。

3.2 巖質邊坡評估分析方法。利用理正巖土工程軟件，采用極射赤平投影法 (吳氏投影網)對在開采過程中及終了巖質邊坡穩定性的安全系數Fs進行計算，見公式3－2。

公式中:Ψa為結構面a的傾角，φa為結構面a的內摩擦角，Ψb為結構面b的傾角，φb為結構面b的內摩擦角，Ψ5為結構面a和結構面b的交線傾角。

根據《地災評估細則》中的判別指標:當計算的安全系數Fs＞1.3，邊坡的穩定性為穩定;當安全系數1≤Fs≤1.3時，邊坡的穩定性為較穩定;當安全系數1＞Fs時，邊坡的穩定性為不穩定。

4.實例分析

礦區內因開采工程建設形成的邊坡較多，本文選取礦山地質環境影響嚴重的排土場邊坡BP1進行實例分析。在評估區的開采境界內，從開采至結束時，形成3段最大高度為191m的混合質邊坡。其中位于露天采場北側的邊坡編號為BP1，從上至下為5.2m厚的粉質粘土與16.5m的風化石英砂巖及礦體;邊坡整體坡長503m，邊坡坡高達191m;邊坡整體坡向137°，與地層整體 (礦體傾向315°)呈斜交狀態，地層與BP1邊坡坡向大角度相交，故BP1坡體結構為斜向坡。BP1邊坡特征詳見表4－1。

表4－1 BP1邊坡特征表

4.1土質邊坡分析。經穩定性的定量計算:天然狀態下，BP1邊坡的最小滑動安全系數Fs為1.76，邊坡穩定性安全系數:Fs＞1.3，故在天然狀態下，邊坡穩定安全系數基本能滿足要求，該邊坡處于穩定狀態;在土體在飽水條件下，邊坡土體容重增加，強度降低，計算得出BP1邊坡在飽和狀態下(強降雨)，BP1邊坡的最小滑動安全系數Fs為1.28，邊坡穩定性安全系數:1≤Fs≤1.3，故在飽和狀態下，邊坡穩定安全系數基本能滿足要求。

表4－2 BP1土質邊坡穩定性計算結果表

4.2巖質邊坡分析。經對巖質邊坡穩定性計算:從圖4－3分析BP1巖質邊坡的穩定性，其中節理2與流面產狀的交點位于主體邊坡內，說明其結構面組合交線傾向與坡面傾向一致，另2條節理組合對邊坡共同切割后形成的楔形體穩定性較差，為不利于邊坡穩定的結構。因此，節理對北側主體邊坡的穩定性影響較大，巖塊具備沿節理與流面產狀組合面產生滑移破壞的條件，評價BP1巖質邊坡穩定性較差。

通過分析，該露天采場BP1邊坡為斜交地層邊坡，邊坡高度達到191m，經邊坡穩定性定量計算，土質邊坡在天然狀態及降雨條件下處于較穩定狀態，巖質邊坡由于軟弱結構面處于不穩定狀態，故預測在強降雨條件下，露天采場在進行采礦活動 (爆破)時，該段邊坡失穩可能性大，進而BP1邊坡所處位置誘發崩塌/滑坡的可能性大。

5.結語

本文通過對礦山地質環境與治理恢復方案編制過程中危險性邊坡預測評估，選取典型的土質巖、質邊坡穩定性分析方法進行實例分析與評價，根據定量的計算結果達到危險性邊坡穩定性的預測，對該類型礦山的地質環境保護與治理恢復工作中危險性邊坡預測評估工作具有一定的實際意義。