尚迎軍

(蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004)

某石灰石礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析與防治建議

尚迎軍

(蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004)

露天礦邊坡穩(wěn)定性是制約礦山安全生產(chǎn)的重要因素,為保障某石灰石礦山的正常生產(chǎn),對影響該礦露天邊坡穩(wěn)定性的因素進行了歸類,并指出邊坡失穩(wěn)破壞是多種因素共同作用的結(jié)果;根據(jù)邊坡失穩(wěn)的不同誘因給出了相應(yīng)的防治建議。

石灰石露天礦;邊坡穩(wěn)定性;影響因素;防治措施

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性一直是制約露天礦安全生產(chǎn)的重要因素,在露天礦的生產(chǎn)歷史中,露天礦山邊坡不斷發(fā)生各類失穩(wěn)或滑坡事件,如金川露天礦滑坡、撫順西露天礦滑坡、大冶鐵礦滑坡、安家?guī)X露天礦滑坡、勝利露天礦滑坡、小龍?zhí)堵短斓V滑坡、平莊西露天礦滑坡、白銀露天礦滑坡、鹽池河磷礦山崩、哈密三道嶺露天礦滑坡、前河露天礦滑坡、紅旗嶺露天礦滑坡、日本影森石灰石露天礦滑坡等重大事故[1],給礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和生活造成了巨大的威脅和損失。因此,保證露天礦邊坡穩(wěn)定是礦山安全開采的關(guān)鍵,具有非常重要的意義。

本文以某石灰石礦為工程背景,對影響該露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素進行了歸類,進而根據(jù)邊坡失穩(wěn)的不同誘因給出相應(yīng)的防治建議,對保證露天礦的安全生產(chǎn)具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 礦山概況

某石灰石露天礦位于低山丘陵區(qū)內(nèi),巖層走向為北東-南西,東翼比西翼略陡,西翼傾角20°～40°,東翼傾角30°～50°,局部達75°～80°,產(chǎn)狀較穩(wěn)定,變化有規(guī)律性。該礦區(qū)的礦體及圍巖均以碳酸巖為主,次為泥巖、鈣質(zhì)泥巖,屬堅硬、半堅硬巖石。礦區(qū)內(nèi)斷層分布少,展布規(guī)模小。影響礦山開采的地質(zhì)構(gòu)造主要為溶蝕構(gòu)造和裂隙構(gòu)造,地表溶蝕寬度0.5～0.8 m。

該區(qū)屬亞熱帶溫濕季風(fēng)氣候,四季分明,年平均降水量965.5 mm,多集中在4～9月,約占全年降雨量的75%,且多暴雨。礦區(qū)內(nèi)無常年性地表徑流,區(qū)內(nèi)巖溶有一定發(fā)育,地下水類型主要為巖溶裂隙水、溶洞水。不少巖溶孔洞、泉點連通形成地下管道或地下暗河。

2 露天礦邊坡破壞型式

露天礦邊坡失穩(wěn)主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡2種形式。崩塌一般發(fā)生在高陡邊坡的坡肩位置,發(fā)生較為突然,運動快速?；率沁吰聨r土體沿貫通的剪切面發(fā)生滑移的現(xiàn)象,是由于某一滑移面上的剪應(yīng)力超過該面上的抗剪強度所致,規(guī)模較大,可分為平面滑動、楔形滑動和圓弧滑動3種類型。崩塌與滑坡的示意如圖1和圖2所示。

圖1 崩塌示意

3 露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素

一般情況下,露天礦邊坡的失穩(wěn)破壞并不是單一因素影響的結(jié)果,而是由多種因素共同影響所致,影響該石灰石礦邊坡穩(wěn)定性的因素主要如下。

(1)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)。露天礦邊坡的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括平臺寬度、臺階高度、臺階坡面角、坡高、最終邊坡角等。在一定的地質(zhì)條件下,邊坡的穩(wěn)定性主要取決于邊坡的結(jié)構(gòu)參數(shù),是影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在因素。平臺寬度影響邊坡角的大小和邊坡的穩(wěn)定,平臺最小寬度必須保證運輸和安全的需要[2]。當(dāng)邊坡角一定時,邊坡越高,穩(wěn)定性越差;當(dāng)邊坡高度一定時,邊坡角越大,穩(wěn)定性越差。

(2)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)主要包括密度、空隙性、吸水性、軟化性和抗凍性等,這些性質(zhì)主要取決于所含的造巖礦物,巖石性質(zhì)的差異是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。主要表現(xiàn)為:邊坡的破壞與巖石的礦物成分、親水特性和抗風(fēng)化能力有關(guān),親水性強且抗風(fēng)化能力差的巖石組成的邊坡較易破壞,如二疊系煤系巖組和古老的泥質(zhì)變質(zhì)巖系都是易滑地層巖組;巖組特征對邊坡的變形破壞有直接影響,堅硬完整的塊狀或厚層狀巖組可以形成相當(dāng)高的陡立邊坡,而軟弱地層中形成的邊坡一般坡度較緩;在干燥狀態(tài)下一些邊坡是穩(wěn)定的,但一旦遇到水的浸泡,邊坡巖石的強度便大為降低,出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,這充分說明了巖石性質(zhì)對邊坡的變形破壞有直接影響。

(3)結(jié)構(gòu)面。巖石結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模、連通性、產(chǎn)出狀態(tài)、充填程度和充填物成分對邊坡的穩(wěn)定性具有極大的影響。巖體的力學(xué)性質(zhì)不僅受巖石類型控制,更主要的是受結(jié)構(gòu)面的控制,表現(xiàn)出非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性的特征[3],直接影響邊坡巖體的變形、破壞的發(fā)生和發(fā)展過程。該礦區(qū)的主要結(jié)構(gòu)面包括巖層面、裂隙面和松散層界面等,區(qū)內(nèi)巖性單調(diào),巖層呈薄～中厚層狀,原生沉積層面發(fā)育,但礦層中無軟弱夾層,不具易崩易滑條件,因此原生沉積層理面不屬于不良結(jié)構(gòu)面。裂隙多為閉合的剪切裂隙,部分為張性,呈“V”形開口,并有充填物,傾角陡,在坡體局部地段形成順傾角的不良結(jié)構(gòu)面,易造成掉快、崩落等現(xiàn)象,在采礦的過程中應(yīng)嚴加防范。

(4)地表水和地下水。受地表水的滲入和地下水滲流的影響,露天礦的滑坡多發(fā)生在雨季或解凍期[4]。水對巖體的作用主要表現(xiàn)為軟化、泥化、沖刷、凈水壓力和動水壓力。主要表現(xiàn)為水對巖體有著明顯的化學(xué)、物理作用,能夠侵蝕和溶解巖體,巖體中的可溶成分被溶解后隨地下水流走,產(chǎn)生潛蝕作用,破壞了巖體的結(jié)構(gòu),使邊坡巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)?shù)叵滤徒Y(jié)構(gòu)面連通時,對邊坡穩(wěn)定性的影響更大;地下水的滲透對邊坡巖體產(chǎn)生了一定的動水壓力,降低了巖體的有效應(yīng)力,同時,增加了巖體的含水量,弱化了巖體的強度參數(shù),導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞;水的滲透改變了邊坡內(nèi)地下水的滲流場分布,同時巖體中滲流與應(yīng)力強烈作用。這些因素都會對邊坡的穩(wěn)定性帶來不利的影響。該礦區(qū)內(nèi)無常年性地表徑流,區(qū)內(nèi)巖溶有一定發(fā)育,地下水類型主要為巖溶裂隙水、溶洞水。不少巖溶孔洞、泉點連通形成地下管道或地下暗河,對邊坡的穩(wěn)定性將會產(chǎn)生一定的影響。

(5)氣候。氣候?qū)吰碌姆€(wěn)定性也有很大的影響,主要表現(xiàn)為降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。大氣降雨補給了地下水,一方面弱化了巖體的強度參數(shù),使邊坡滑動面的抗滑能力降低;另一方面使邊坡的下滑力增強,二者結(jié)合起來極大地降低了邊坡的穩(wěn)定性。該礦區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,4～9月降雨較多,且多暴雨,暴雨是本礦區(qū)露天開采的主要不利因素,因此,在此期間應(yīng)加強對邊坡的巡查力度,及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施解決。

(6)風(fēng)化作用。風(fēng)化作用對邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)為:使巖石劈裂、崩解,增加裂隙的數(shù)量和規(guī)模,降低了巖石的抗剪強度;增加了巖體的透水性,使地表水更易于侵入地下,地下水更易滲透;當(dāng)沿裂隙風(fēng)化時,可使巖體脫落或沿邊坡崩塌、堆積、滑移。巖石風(fēng)化越深,邊坡的穩(wěn)定性越差,穩(wěn)定坡角越小。石灰?guī)r為抗風(fēng)化能力較強的巖石,區(qū)內(nèi)強風(fēng)化巖石主要分布在西北側(cè),僅局限于地表巖層,巖石風(fēng)化殘積形成的黃土分布零星,多充填于地表溶蝕裂隙或洼地,厚度一般為0.5～2 m。因此,風(fēng)化作用對該礦山邊坡穩(wěn)定性影響不大,但也應(yīng)注意對局部風(fēng)化區(qū)的處理。

(7)人類工程活動。邊坡長期經(jīng)受爆破震動的反復(fù)作用。生產(chǎn)爆破作業(yè)破壞了邊坡巖體的完整性,新形成的邊坡巖體破壞嚴重,表層巖石破碎,易剝落崩塌,易受風(fēng)化、地下水滲透等因素的影響,從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。一些人為因素也會導(dǎo)致邊坡的破壞與滑移,比如邊坡維護和管理不到位,作業(yè)人員違規(guī)操作,超挖坡腳、在邊坡上部堆置廢石及設(shè)備,都會降低邊坡的穩(wěn)定性。另外,露天礦臺階上汽車和挖掘機等大型設(shè)備的震動對邊坡的穩(wěn)定性也有影響,有時會觸發(fā)局部臺階的滑動。

4 邊坡破壞的防治建議

隨著該石灰石礦不斷向深部開采,邊坡的穩(wěn)定性也在不斷發(fā)展變化之中,為了保證采礦作業(yè)的安全,針對以上誘發(fā)邊坡破壞的因素,建議采用以下的防治措施進行治理。

(1)加強地質(zhì)勘察,查明不良地質(zhì)構(gòu)造。礦區(qū)地質(zhì)勘察是露天礦進行邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ),應(yīng)對礦區(qū)的巖性、水文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等進行深入的了解,查明對邊坡穩(wěn)定性起主要影響的不良地質(zhì)構(gòu)造,根據(jù)勘察資料做好設(shè)計和開采工作。

(2)合理確定邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)礦石的賦存條件、邊坡巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采技術(shù)條件和采掘設(shè)備,合理確定邊坡的結(jié)構(gòu)參數(shù),保障邊坡的穩(wěn)定性,維持露天礦山的正常生產(chǎn)。

(3)加強邊坡監(jiān)測。露天礦邊坡的破壞是一個變化發(fā)展的過程,為了避免邊坡破壞對人員和財產(chǎn)的傷害,應(yīng)加大技術(shù)投入,采取必要的手段對邊坡進行變形監(jiān)測,及時掌握邊坡的變形規(guī)律,并針對邊坡的破壞類型采取有效的治理手段。主要監(jiān)測內(nèi)容有:地表位移、巖體深層水平位移、地聲、應(yīng)變、地下水位、孔隙水壓力、降雨量等。

(4)查明水源,排水疏干。水對邊坡的穩(wěn)定性有很大影響,能夠顯著降低巖體的抗剪強度,危害邊坡的穩(wěn)定性。因此,需要竭力查明水源。采用挖溝排(截)洪、封閉邊坡地裂縫、修筑防水堤壩、整治河道,控制地表水源;同時,采用地下疏干方法降低地下水位,減小潛在破壞面附近的水壓。一般采用地表排水、水平疏干孔、垂直疏干井、地下疏干坑道等方式進行治理。

(5)合理設(shè)置支擋工程。支擋工程可以改善邊坡的力學(xué)平衡條件,提高邊坡抗滑力,主要有擋墻、抗滑樁、錨桿(索)和支撐工程等。其中,錨桿(索)已經(jīng)成為治理巖質(zhì)邊坡滑坡和崩塌的有效措施,主要通過錨桿(索)上施加的預(yù)應(yīng)力以提高滑動面上的法向應(yīng)力,進而提高該面的抗滑力,改善剪應(yīng)力的分布狀況。

(6)嚴格控制爆破震動。為了降低爆破震動對邊坡的影響,對于臨近邊坡的爆破作業(yè)采取控制爆破技術(shù),嚴格控制炸藥類型和孔網(wǎng)參數(shù),避免因頻繁的生產(chǎn)爆破導(dǎo)致邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面強度降低從而誘發(fā)滑坡,影響邊坡的穩(wěn)定性。

(7)做好邊坡維護與管理工作。在露天礦開采的過程中,應(yīng)做好邊坡的維護工作,保護坡面免受雨水沖刷,防止或延緩巖石表面的風(fēng)化、碎裂、剝蝕演變過程。常用的坡面防護方法有植物防護和礦料防護。此外,還應(yīng)加強礦山的安全生產(chǎn)監(jiān)督管理與安全教育,加速采礦人才培養(yǎng),加大礦山安全技術(shù)與管理人員的安全培訓(xùn)力度,建立專門的邊坡維護隊,建立安全規(guī)章制度,實行安全生產(chǎn)責(zé)任制。

5 結(jié) 論

露天礦邊坡穩(wěn)定性是制約露天礦安全生產(chǎn)的重要因素,邊坡一旦發(fā)生失穩(wěn)破壞,將會造成人員的重大傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。本文對某石灰石露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素進行了總結(jié)與歸類,并給出了一些防治建議。邊坡的變形與破壞是多種誘導(dǎo)因素共同作用的結(jié)果,在進行邊坡治理的過程中,應(yīng)做到具體情況具體分析,針對不同的誘因,采用相應(yīng)的防治措施預(yù)防邊坡失穩(wěn)事故的發(fā)生。

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[4]唐廷宇,陳福民.影響露天礦邊坡穩(wěn)定的主要因素及防范措施[J].礦業(yè)工程,2008,6(2):14-15.

2012-05-21)

尚迎軍(1979-),男,江蘇蘇州人,助理工程師,主

要從事非金屬礦山開采設(shè)計工作,Email:sks1118@126. com。