某礦山邊幫局部及整體穩(wěn)定性分析與防治對(duì)策

吳國昌

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦)

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某礦山邊幫局部及整體穩(wěn)定性分析與防治對(duì)策

吳國昌

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦)

摘要為促進(jìn)礦山安全、高效生產(chǎn)和營(yíng)造良好作業(yè)環(huán)境，依據(jù)地質(zhì)勘察資料,將紫金山露天采場(chǎng)分為6個(gè)大區(qū)，對(duì)各大區(qū)代表性剖面進(jìn)行滲流分析和穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，露天采場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生多個(gè)臺(tái)階聯(lián)合滑坡的可能性較低；在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘中，將采區(qū)分為42個(gè)子區(qū)，對(duì)各子區(qū)中優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域1和區(qū)域2結(jié)構(gòu)面均構(gòu)成潛在楔形體，利用赤平投影圖計(jì)算其穩(wěn)定性情況，結(jié)果表明，區(qū)域2在爆破動(dòng)力作用下易發(fā)生局部滑坡。根據(jù)整體和局部穩(wěn)定性分析結(jié)果，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞單臺(tái)階整體邊坡滲流穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)治理

紫金山金銅礦露天采場(chǎng)境界面積達(dá)4.4 km2，設(shè)計(jì)最終境界邊坡高達(dá)888 m，將成為國內(nèi)礦區(qū)邊坡之最[1]。目前采區(qū)坑底已開挖至+592 m標(biāo)高，邊幫最高標(biāo)高為+1 012 m，形成的最高邊坡達(dá)到420 m，屬于高邊坡范疇。在礦山資源進(jìn)一步開采過程中，其邊坡高度將進(jìn)一步增加。如此高的邊坡在長(zhǎng)期雨水沖蝕和頻繁周邊爆破動(dòng)力下，對(duì)礦區(qū)密集作業(yè)的人員和設(shè)備構(gòu)成了威脅。為確保礦山安全、高效生產(chǎn)，必須對(duì)露天采場(chǎng)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)并排除邊坡安全隱患，營(yíng)造良好的作業(yè)條件。

1單臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性分析

與其他類型邊坡相比，礦山邊坡存在自身特性。礦山巖體除了受到成巖過程、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)留下的結(jié)構(gòu)面影響外，還遭到了周邊爆破作業(yè)帶來的巨大破壞，使得邊坡巖體的完整性得到減弱[2]；除此之外，為了盡可能減少開采成本，礦山邊坡更高陡，同時(shí)，在采礦剝離過程中，原巖應(yīng)力逐漸釋放，巖體由原來三向應(yīng)力狀態(tài)變成兩向、單向應(yīng)力狀態(tài)，其強(qiáng)度也不斷變化，這些因素是導(dǎo)致礦山單臺(tái)階發(fā)生破壞的主要原因。因此，加強(qiáng)單臺(tái)階穩(wěn)定性分析對(duì)保護(hù)人員和設(shè)備安全是十分必要的。

單臺(tái)階邊坡穩(wěn)定性分析是基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料(圖1)，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)形成赤平投影圖，分析滑坡的可能性。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)量

控制邊坡穩(wěn)定的因素分為內(nèi)因和外因，其中外因包括外力荷載、地下水與降雨、爆破作業(yè)、人工開挖等；內(nèi)在因素包括邊坡形態(tài)，巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、產(chǎn)狀等。內(nèi)部因素是邊坡穩(wěn)定性情況的基本控制因素。赤平投影圖可以考察分析邊坡形態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等內(nèi)因之間的相互關(guān)系，確定發(fā)生滑坡的潛在可能性。

根據(jù)不同標(biāo)高、巖性、完整度等將采區(qū)分為42個(gè)子區(qū)，收集各子區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面相關(guān)數(shù)據(jù)，并得到各區(qū)赤平投影圖，本文重點(diǎn)闡述區(qū)域1和區(qū)域2的相關(guān)情況，見表1、圖2。

表1區(qū)域1、區(qū)域2的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

(°)

圖2　赤平投影

圖2表明，各優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡面傾向相差較大，但是存在一些優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與邊坡體呈反方向斜交，因此，區(qū)域1、區(qū)域2基本不存在簡(jiǎn)單平面破壞的可能，但存在潛在楔形體破壞，圖2(a)中結(jié)構(gòu)面6和10、6和8、8和10，圖2(b)中結(jié)構(gòu)面57和55、57和58均將邊坡巖體切割成出露楔形體，這種楔形體在自身下滑力和外力誘導(dǎo)下可能造成楔形破壞。針對(duì)潛在楔形滑坡體，分別對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3。

上述計(jì)算結(jié)果表明，區(qū)域1結(jié)構(gòu)面6和10、6和8、8和10構(gòu)成楔形體，由于楔形體角度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度等因素，其自穩(wěn)能力強(qiáng)，在動(dòng)力條件下其最小安全系數(shù)也均大于1.15，屬于穩(wěn)定狀態(tài)范疇，因此，目前不足以發(fā)生破壞；然而區(qū)域2中結(jié)構(gòu)面55、57、58所形成的楔形體會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)，其中，結(jié)構(gòu)面55與57構(gòu)成楔形體，在動(dòng)力作用下的最小安全系數(shù)為0.75，結(jié)構(gòu)面57和58構(gòu)成楔形體，在動(dòng)力作用下最小安全系數(shù)為0.76，最小安全系數(shù)均小于1，即在地震烈度為7度動(dòng)力作用下，2處楔形體均不能保持自身穩(wěn)定。因此，需要對(duì)區(qū)域2進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，必要時(shí)對(duì)該區(qū)域適當(dāng)加固。

2整體邊坡穩(wěn)定性分析

整體穩(wěn)定性分析主要針對(duì)礦山多臺(tái)階、深層次的滑坡體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料，獲取各剖面上水位高度和各地層的巖體力學(xué)性狀。

地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。位于山體浸潤(rùn)線以下巖體處于托浮狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體受到靜水和動(dòng)水壓力，減小了巖體間的相互擠壓應(yīng)力。

摩爾-庫倫準(zhǔn)則是被普遍認(rèn)可的強(qiáng)度準(zhǔn)則，被廣泛運(yùn)用到巖土工程研究中。根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，巖體的強(qiáng)度大小與潛在破壞面兩側(cè)間的擠壓應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)擠壓應(yīng)力增大時(shí)，巖體的破壞強(qiáng)度增加，其增加的大小正比于擠壓應(yīng)力的改變值。因此，地下水削弱了巖體間的相互作用，減小了巖體的強(qiáng)度，增加了滑坡風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析前需進(jìn)行滲流場(chǎng)分析。

根據(jù)采場(chǎng)地形地貌、巖性特點(diǎn)，選取6個(gè)分析剖面，結(jié)合前期地質(zhì)勘查資料及相關(guān)巖層物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2、表3)，利用geo-studio數(shù)值計(jì)算方法得到滲流分析結(jié)果，見圖4。

從圖4可以看出，礦區(qū)不同位置山體浸潤(rùn)線存在較大差異，這與各剖面巖層組成和滲流特性有較大關(guān)系。在未降雨時(shí)，浸潤(rùn)線以上巖土處于干涸狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體間的孔隙水壓力為0，巖體間的有效應(yīng)力與總應(yīng)力相等；浸潤(rùn)線以下巖土處于飽水狀態(tài)，節(jié)理裂隙兩側(cè)巖體受到水壓作用后，其有效作用力減小，不利于邊坡的自身穩(wěn)定。邊坡滲流場(chǎng)的分析為整體邊坡穩(wěn)定性分析提供了基礎(chǔ)條件。

圖3　結(jié)構(gòu)面組合分析結(jié)果

工程地質(zhì)巖組名稱及代號(hào)滲透系數(shù)/(cm/s)滲透性能軟～極軟碎裂散體結(jié)構(gòu)巖組(Ⅳ)6.94×10-4較軟巖碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)巖組(Ⅲ)2.91×10-4較軟巖碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)巖組(Ⅱ1)2.11×10-5較堅(jiān)硬塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)巖組(Ⅱ2)3.36×10-5堅(jiān)硬塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)巖組(Ⅰ1)2.74×10-510×10-5～10×10-3,低滲透性

基于滲流分析結(jié)果和地勘資料，將表3各巖層強(qiáng)度參數(shù)分別代入到計(jì)算模型，得到不同剖面的計(jì)算結(jié)果，見圖5，表4。

表4顯示，在動(dòng)力條件下各剖面整體邊坡最小安全系數(shù)均大于1.15，屬于安全狀態(tài)，只有剖面3和剖面6上最危險(xiǎn)滑體穿過山體浸潤(rùn)性，在降雨階段其穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生較大變化，而其他各剖面相對(duì)較穩(wěn)定，總體仍能滿足礦山邊坡安全規(guī)程要求。

由于目前礦山邊坡并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)境界，在后續(xù)的采礦作業(yè)中，礦山邊幫高度、形態(tài)處于不斷變動(dòng)中，因此,其整體穩(wěn)定性是一個(gè)變化的過程，對(duì)靠幫區(qū)域進(jìn)行周期性現(xiàn)場(chǎng)巡視與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析是十分必要的。

表3　各鉆孔巖芯強(qiáng)度指標(biāo)

圖4　各剖面滲流結(jié)果

圖5　各剖面穩(wěn)定性結(jié)果

剖面編號(hào)最小安全系數(shù)穩(wěn)定性情況潛在滑體與山體浸潤(rùn)線關(guān)系11.883穩(wěn)定浸潤(rùn)線以上23.631穩(wěn)定浸潤(rùn)線以上32.309穩(wěn)定穿過浸潤(rùn)性42.176穩(wěn)定浸潤(rùn)線以上51.757穩(wěn)定浸潤(rùn)線以上62.096穩(wěn)定穿過浸潤(rùn)性

3結(jié)論

(1)從局部穩(wěn)定分析結(jié)果看，區(qū)域1結(jié)構(gòu)面切割的臨空楔形體自穩(wěn)能力較強(qiáng)，不足以發(fā)生破壞，區(qū)域2結(jié)構(gòu)面切割的臨空楔形體在地震等因素下存在失穩(wěn)的可能性。建議對(duì)區(qū)域2加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，盡量減少在該區(qū)域安置臨時(shí)或永久設(shè)施，必要時(shí)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加固整治。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，目前礦區(qū)整體穩(wěn)定性較強(qiáng)，礦區(qū)邊坡失穩(wěn)幾率極小，但隨著礦山的進(jìn)一步開采，更多的邊幫達(dá)到設(shè)計(jì)境界，屆時(shí)邊坡高度和角度均發(fā)生較大變化，因此,需要定期對(duì)整體邊坡進(jìn)行巡視和穩(wěn)定性評(píng)估。

(3)礦山邊坡的穩(wěn)定性隨著采礦進(jìn)行發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。此次單臺(tái)階穩(wěn)定性分析結(jié)果只能反映目前邊坡狀況，在后續(xù)采礦過程中，未靠幫區(qū)域巖體被剝離，揭露出的新鮮巖體的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步分析；隨著采礦作業(yè)的推進(jìn)，在爆破動(dòng)力、雨雪侵蝕的作用下，已靠幫區(qū)域巖體中結(jié)構(gòu)面也不斷發(fā)生變化，改變了原有穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]李瑞祥.紫金山金銅礦露天開采地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(10):118-121.

[2]明鋒，祝文化，李慶東.爆破動(dòng)載頻率對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(11):4439-4445.

(收稿日期2016-02-02)

Stability Analysis and Prevention and Controlling Measures of the Local and Global Slope of a Mine

Wu Guochang

(Zijinshan Gold and Copper Mine, Zijin Mining Group Co., Ltd.)

AbstractIn order to ensure the safety and high-efficient mine production and create good working environment, according to the geological investigation data, the Zijinshan open-pit is divided into 6 regions, the typical profiles of each region are conducted seepage analysis and stability analysis, the results show that the global stability of the slope of the open-pit is good, the possibility of joint landslide of several steps is little; during the process of site geological investigation, the open-pit is divided into 42 subregions, the dominant structure planes of each subregion are analyzed and counted, the results show that the structural plane of subregion 1 and subregion 2 can be formed a potential wedge. The stability of them is computed by plane projection map, the results show that the possibility of the local landslide of subregion 2 is big. The corresponding prevention and controlling measures is proposed based on the stability analysis results of the local and global of the slope of the mine.

KeywordsSignal step, Global slope, Seepage, Stability, Dynamic governance

吳國昌(1976—)，男，工程師，364200 福建省上杭縣。

·安全·環(huán)保·