平壩山大型石灰巖露天礦邊坡穩定性分析

2021-06-03 06:46:30童志鵬李栓柱呂林洪

有色金屬設計 2021年1期

童志鵬，李栓柱，呂林洪

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

平壩山石灰巖礦山為1座在建露天礦山，該石灰巖露天礦每年生產規模100萬 t/a，設計采用露天開采方式、緩幫開采工藝、公路汽車開拓運輸方式。平壩山石灰巖礦露天礦為山坡露天—凹陷露天開采，采場形成的最終邊坡絕大部分為巖質邊坡。該露天礦采場邊坡分別由西幫、南幫、北幫和東幫邊坡構成，其中西幫邊坡為近似順層邊坡，穩定性條件較差；南幫和北幫邊坡為切向邊坡，東幫邊坡為逆向邊坡，切向邊坡和逆向邊坡穩定性條件好。平壩山石灰巖礦開采形成的最終邊坡最大標高為1 315 m，最大標高點位于礦區西北邊界上，露天坑底最終標高1 125 m，最終邊坡高差為190 m，即邊坡最大高度為190 m；其中1 215 m平臺標高以上已綠化復墾，除去綠化復墾高度，今后露天采場裸露的邊坡最大高度為90 m；生成的三維立體露天開采終了境界模型詳見圖1。

隨著露天開采深度不斷下降，邊坡高度逐年加大，逐步形成高陡露天邊坡和深凹采場，進而對采礦作業安全性提出了越來越高的要求。露天礦邊坡結構參數的設計、確定以及邊坡穩定性的評價等工作的重要性日趨顯示出來，使得露天礦邊坡穩定性分析成為一項很突出且亟待要解決的問題。

綜上所述，礦區露天開采規模大，加之邊坡高度較高，層理結構面較密集發育，露天開采高陡邊坡巖石力學問題較為突出，為此開展對該露天礦采場邊坡的穩定性研究。該文通過FLAC2D有限差分法數值軟件來模擬計算該露天礦高陡邊坡穩定性安全系數。

1 礦區地層特征

礦區位于開遠盆地西南邊緣谷坡地帶，地形西高東低，高程1 140～1 355 m，相對高差215 m，為構造侵蝕、溶蝕低中山緩坡地貌。

礦區內出露地層比較穩定且簡單，由老至新主要分布的地層有三疊系中統個舊組上段(T2g2)、三疊系中統法郎組上—下段(T2f1～T2f3)、三疊系上統鳥格組(T3n)、第四系殘坡積(QedL)及人工堆積(Qs)。

圖1 三維立體露天開采終了境界模型(露天坑底640 m)Fig.1 Three-dimensional ultimate limit model of the open pit mining

1.1 三疊系中統個舊組上段(T2g2)

礦層賦存于中三疊統個舊組上段(T2g2)，為區內出露的主要地層，巖性為灰—深灰色，黃灰色致密狀、角礫狀、條帶狀、薄層狀灰巖夾泥灰巖、頁巖。該段為礦區石灰巖礦的賦存層位，根據云南地質工程勘察設計研究院2018年8月提交的《云南省開遠市平壩山礦區水泥原料用石灰巖泥灰巖砂巖礦資源儲量核實報告》三疊系中統個舊組上段(T2g2)由下至上細分為9層，其劃分原則是：層位基本穩定、巖性差異明顯、野外識別方便。現分述如下：

T2g2-1：深灰色灰巖、角礫狀灰巖夾黃灰色鈣質頁巖、泥灰巖，厚度>150.00 m。

T2g2-2：分布于礦區西部。巖性為黃灰色條帶狀灰巖，灰黃色頁巖、鈣質頁巖，其中常見眼球狀泥灰巖礫石。該層出露位置較高，且巖性與其他層位差異較大，在工程控制范圍內可作為1個標志層，厚度0～20 m。是該礦區頁巖礦的主要含礦層位，也是礦體最終開采邊坡的主要構成部分。

T2g2-3：深灰色角礫狀灰巖夾黃灰、灰黑色薄層條帶狀灰巖、泥灰巖透鏡體，厚度17.70～70.00 m。

T2g2-4：淺灰—深灰色夾灰白色灰巖，局部夾條帶狀灰巖、泥灰巖及白云質灰巖透鏡體，厚度32.00～119 m。

T2g2-5：灰—黃灰色條帶狀灰巖、竹葉狀灰巖，灰巖夾泥灰巖、鈣質頁巖，厚度4.00～33.00 m。

T2g2-6：淺灰—深灰色條帶狀灰巖、角礫狀灰巖，局部夾泥灰巖，厚度7.5～41 m。

T2g2-7：黃灰色泥灰巖、鈣質頁巖、頁巖夾條帶狀灰巖，厚度3.5～46.95 m。

T2g2-8：深灰色灰巖，局部夾條帶狀灰巖，厚度17.5～48.50 m。

T2g2-9：淺灰、褐灰、黃灰色泥灰巖、薄層灰巖夾鈣質頁巖，厚度>150.00 m。

其中，1、2層(T2g2-1、T2g2-2)為底板；3～8層(T2g2-3、T2g2-4、T2g2-5、T2g2-6、T2g2-7、T2g2-8)為礦層；9層(T2g2-9)為頂板。

1.2 第四系殘坡積(QedL)、人工堆積(Qs)

主要分布于礦區東部山腳低緩平坦處及西部山頂，礦體間接底板(T2g2-1)之上亦有較大面積的分布。巖性為褐紅色粘土，具泥質結構，松散土狀構造，偶含灰巖礫石，地表常含植物根莖。厚度0～10 m。第四系人工堆積(Qs)：分布于礦床各開采平臺以及剝離物堆放處，系礦山開采過程中產生的各種灰巖、泥灰巖、鈣質頁巖等碎塊及粘土混雜堆積。厚度0～2 m。

上述各層經工程揭露，均為整合接觸，其接觸界線較清楚，各層巖性差別較大，肉眼即可分辨，因地層傾向與坡向一致，加之廠方多年的開采，地形破壞嚴重，致使各細層地表出露形態極不規則，平面上呈時寬時窄的“香腸”狀、條帶狀。

2 礦體及圍巖穩固性評價

第四系人工堆積(Qs)，系采礦剝離形成的巖石碎屑、碎石、塊石松散堆積層(體)和殘坡積(Qedl)粘土層。Qs分布局限，順坡堆積，在季節性地表水流侵蝕作用下，易坍塌，不構成露采礦坑最終邊坡；Qedl于東部低凹平緩地段廣泛分布，結構松散，強度低，干燥易碎，浸水具可塑性，構成局部露采礦坑最終邊坡(⑥坡)頂部坡體，厚度≤3 m，對邊坡穩定影響不大，可不予考慮。

礦區邊坡層理結構面總體呈向北東傾的單斜層狀產出，產狀較為穩定。礦體傾角在靠近底板處較陡(35°～42°)，局部達64°，順傾向延伸100 m后傾角變緩(20°～35°)，之后又變陡，總體產狀60°～80°(傾向)，<19°～36°(傾角)；局部地段產狀變化較大，并伴有皺曲現象。

礦層為T2g2-3-T2g2-8，巖性主要為灰巖、角礫狀灰巖、條帶狀灰巖夾泥灰巖、鈣質頁巖等，該礦層巖體是將來礦床開采構成切向邊坡和逆向邊坡的主要巖體。該層邊坡巖體巖溶不發育，邊坡巖層分布著大量層理結構面，其邊坡穩定性由層理結構面控制。巖石致密，微風化，力學強度較高，巖石堅硬；巖體層理結構面閉合比較緊密，結構面較粗糙，層間裂隙發育一般，巖體完整性一般，屬于巖體中等完整，巖體中等穩固。

頂板為T2g2-9，巖性為泥灰巖、灰巖夾鈣質頁巖。該層中的泥灰巖巖體部分構成逆向邊坡的坡頂。

T2g2-2為直接底板，巖性為條帶狀灰巖、頁巖、鈣質頁巖互層，頁巖、鈣質頁巖多呈透鏡狀順層產出，為軟弱夾層。由于該層有2～3個軟弱夾層，整體穩固性較差，將來作為順層邊坡，勢必存在較大的安全隱患。因此建議將該層不作為順層大面積暴露的最終邊坡巖體，在礦床實際開采過程，應給予足夠重視。

T2g2-1為間接底板，巖性為灰巖、角礫狀灰巖夾泥灰巖、鈣質頁巖。將來T2g2-2剝離后，由該層的可溶鹽巖體構成順層最終邊坡，巖層單層厚度0.3～0.8 m，平均0.5 m。邊坡形成后，坡頂及附近無軟弱夾層。該層巖石致密，未風化，力學強度高，巖石堅硬；巖體完整性較好，層間裂隙不發育，結構面閉合緊密，結構面很粗糙，屬于穩固的巖體。

從現場實際工程地質調查來看，該露天礦最終形成的邊坡性質總體為西部為順層邊坡、北部及南部為切向邊坡，東部為逆向邊坡。最終順層邊坡頂部地層巖組為直接底板(T2g2-2)構成，厚度不穩定，空間分布連續性差。

總之，建議順層最終邊坡應設置在T2g2-1巖體或T2g2-3～T2g2-8巖體上，不應設置在T2g2-2層，以防可能出現的滑移。

3 邊坡巖體物理力學性質

根據中國建筑材料工業地質勘查中心云南總隊2000年8月提交的《云南省開遠市平壩山石灰巖礦勘探報告》和云南地質工程勘察設計研究院2018年8月提交的《云南省開遠市平壩山礦區水泥原料用石灰巖泥灰巖砂巖礦資源儲量核實報告》中所反映的該礦床巖石物理力學性質測試結果可知，灰巖巖石平均抗壓強度天然狀態74.1 MPa，巖石平均抗拉強度4.64 MPa；巖石抗剪強度天然狀態內聚力7～10 MPa，平均8 MPa；內摩擦角40.61°～43.63°，平均42.12°。礦石的破碎性能良好，煅燒性能、易磨性能好，滿足水泥用石灰質原料礦加工技術性能要求。該石灰巖巖性的普氏堅固性系數f=7，屬于較堅硬類型，堅固等級處于Ⅳ級。

根據鉆孔巖芯工程地質編錄、統計，結構面間距1～95 cm，平均16 cm。鉆孔巖芯采取率高，巖石質量指標(RQD值)44.3 %～65.1 %，平均55.5 %，巖石質量中等，巖體中等完整。

綜合工程地質調查、巖體質量評價以及現場圍巖實際穩固情況進行分析研究，利用Hoek-Brown準則進行巖石物理力學參數的折減處理，所得邊坡巖體物理力學參數結果見表1。

表1 邊坡巖體物理力學參數取值表Tab.1 Physical-mechanical parameters of slope rock mass

4 邊坡穩定性判別標準

按照滿足礦山經濟性與安全性兼顧的要求并結合各規范對邊坡穩定性安全系數的要求，依據上述邊坡穩定性判別準則，平壩山石灰巖露天礦采場設計終了邊坡最大高度為190 m，若除去綠化復墾高度，今后露天采場裸露的邊坡最大高度為90 m，擬定該露天礦邊坡工程安全等級為Ⅱ級，其邊坡安全系數評價標準為：

荷載組合Ⅰ為自重+地下水工況Fs≥1.2；

荷載組合Ⅱ為自重+地下水+爆破振動力工況Fs≥1.15；

荷載組合Ⅲ為自重+地下水+地震力工況Fs≥1.10。

5 計算剖面選擇、模型建立

露天礦最終邊坡穩定性計算和驗證要選擇有代表性的剖面進行計算，終了境界邊坡穩定性分析根據露天境界不同分區選取了有代表性的剖面，不同位置的剖面圖模型詳見圖2-7。并采用數值分析法分別進行了設計終了采場邊坡穩定性驗算分析。

圖2 A-A開挖形態剖面圖Fig.2 A-A profile of excavation

圖3 B-B開挖形態剖面圖Fig.3 B-B profile of excavation

圖4 D-D開挖形態剖面圖Fig.4 D-D profile of excavation

圖5 E-E開挖形態剖面圖Fig.5 E-E profile of excavation

圖6 G-G開挖形態剖面圖Fig.6 G-G profile of excavation

圖7 K-K開挖形態剖面圖Fig.7 K-K profile of excavation

6 露采終了境界邊坡穩定性分析

平壩山石灰巖露天礦終了境界，考慮了安全平臺和清掃平臺寬度，進行了露天終了境界的圈定。充分考慮礦山現狀西幫邊坡1 215平臺以上臺階已經復墾的開采現狀情況，按確定的采場邊坡結構參數，圈定了華新水泥(紅河)有限公司平壩山石灰石礦露天開采終了境界，終了境界邊坡結構參數如下：臺階高度15 m(由現場挖掘設備確定)，臺階坡面角60°，安全平臺寬度6 m，清掃平臺寬度8 m(每隔2個臺階設置1個清掃平臺)，最終控制邊坡角控制在46.5°以內，同時在實際生產中，臺階坡面角及平臺寬度可在保證邊坡安全穩定的條件下靈活進行調整。

設計終了境界平面圖及剖面圖位置詳見圖8。并采用數值分析法分別進行了設計終了采場邊坡穩定性驗算分析。

穩定性計算過程：計算剖面模型建立→軟件中選擇破壞準則(摩爾-庫倫準則)→輸入巖土體物理力學指標→軟件中選擇工況條件→點擊安全系數計算命令菜單，所有的安全系數FS值都會不斷地在屏幕上顯示出來。命令結束時，最終的FS值會顯示出來。

6.1 基于強度折減法FLAC2D邊坡穩定性分析

FLAC2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是二維快速拉格朗日法，是一種基于二維顯示有限差分的數值分析軟件。該次采用強度折減法FLAC2D7.0巖質邊坡分析軟件對景洪曼空石灰巖露天礦設計終了境界邊坡穩定性進行計算分析，搜索邊坡的最危險滑動面，并計算出邊坡的安全系數，計算結果見表2。

圖8 設計終了境界平面圖及剖面位置圖Fig.8 Plan and location profile of designed ultimate limit

表2 設計終了境界邊坡安全系數計算結果表(FLAC2D法)Tab.2 Calculation result of slope safety factors of designed ultimate limit

圖9-14是根據計算結果得出的露天開挖后邊坡潛在的最不利滑動面位置圖。

6.2 計算結果分析

從表2和計算結果云圖中可以看出：

(1)設計開采終了境界邊坡各剖面安全系數在自重+地下水工況下(荷載組合I)，露天采場不同區域邊坡剖面安全系數FS均大于1.20，滿足規范II級邊坡工程安全等級要求，說明開采終了境界邊坡處于穩定狀態，安全有一定保障，也論證了該露天開采終了境界設計方案具有一定的可行性和合理性，為后期的露天邊坡開挖布置提供了指導依據。