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        銀山礦露天邊坡穩(wěn)定性分析

        2020-04-22 06:58:50漆佳裕楊朝云涂欣強(qiáng)劉亞瑋
        銅業(yè)工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:千枚巖銀山采場

        漆佳裕,楊朝云,涂欣強(qiáng),劉亞瑋,周 鷺,陳 斌

        (江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限公司,江西 德興 334200)

        1 引言

        工程地質(zhì)分區(qū)的目的在于定性描述和定量計算各個分區(qū)的穩(wěn)定性,在此基礎(chǔ)上得出各個分區(qū)邊坡安全系數(shù),并為后續(xù)的開采和邊坡監(jiān)測提供參考。由于銀山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和外部條件影響,巖體內(nèi)留下了大量方向不同、尺度各異的破裂結(jié)構(gòu)面。破裂結(jié)構(gòu)面是巖體中強(qiáng)度最低、抵抗變形能力最弱的部分,它們的存在導(dǎo)致了巖體整體力學(xué)性質(zhì)的顯著弱化和強(qiáng)烈的各向異性[1]。巖體力學(xué)強(qiáng)調(diào),巖體的變形和破壞在通常情況下是結(jié)構(gòu)面及其網(wǎng)絡(luò)的變形與破壞,主要通過結(jié)構(gòu)面的張開和剪切變形來實(shí)現(xiàn)。為了充分了解礦區(qū)各區(qū)域巖體節(jié)理的外觀質(zhì)量以及分布狀態(tài),得出各區(qū)域結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的優(yōu)勢方位,對整個礦區(qū)已揭露區(qū)域結(jié)構(gòu)面進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查,為銀山礦區(qū)邊坡巖體質(zhì)量評價和工程地質(zhì)分區(qū)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

        銀山礦露天采場邊坡工程地質(zhì)分區(qū)不但要反映地層和構(gòu)造,還要根據(jù)邊坡工程的特點(diǎn),反映礦區(qū)各邊坡不同部位的穩(wěn)定性[2]。根據(jù)邊坡工程周圍的地形地貌、地層巖性、邊坡產(chǎn)狀等信息,結(jié)合采場出露邊坡的現(xiàn)狀節(jié)理裂隙調(diào)查、巖體完整性調(diào)查、歷史詳勘鉆孔的RQD值等定量和定性評價指標(biāo),建立礦巖體與露天坑關(guān)系的工程地質(zhì)模型,統(tǒng)計優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與露天邊坡關(guān)系,對銀山礦露天采場進(jìn)行了工程地質(zhì)分區(qū)。分區(qū)處理過程中,兼顧考慮了斷層節(jié)理、水文地質(zhì)情況等工程因素和地質(zhì)因素。最終,銀山礦露天采場分為5個地質(zhì)特征區(qū),分區(qū)見圖1所示。

        2 工程地質(zhì)分區(qū)及特征描述

        1區(qū)位于采場南幫,巖性以千枚巖為主,坡腳部分區(qū)域為英安斑巖和小部分石英斑巖。邊坡面平順,呈東西走向,已形成最大邊坡高度超過300m的高邊坡。邊坡面局部出露有原井下采空區(qū)和巷道,同時受多組斷層和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面影響,局部邊坡發(fā)生過滑坡、崩落、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。坡體內(nèi)發(fā)育2條規(guī)模較大層間斷層,斷層1出露長度約120m,傾向約290°~320°,傾角約45°~55°。下部與節(jié)理8(300°∠60°,出露跡長約40m)形成楔形體,造成了該處發(fā)生巖質(zhì)滑坡。斷層2出露長度約105m,傾向約 280°~300°,傾角約 60°~70°,下部出現(xiàn)厚度約2-3米的夾泥段。邊坡千枚巖片理發(fā)育,主要發(fā)育有2組節(jié)理:一組傾向約295°~320°,傾角約50°~60°;另一組傾向約 355°~015°,傾角約50°~60°。

        2區(qū)位于采場北東幫,巖性以千枚巖為主,坡腳部分區(qū)域為英安斑巖,且含小部分石英斑巖。局部風(fēng)化嚴(yán)重,坡頂附近有較厚坡積層,厚度達(dá)30~40m,巖體較破碎,已形成最大邊坡高度近300m的高邊坡,該區(qū)邊坡面平順,呈南北走向[3]。千枚巖片理發(fā)育,呈現(xiàn)一組傾斜節(jié)理,解算產(chǎn)狀為139°∠40°。構(gòu)造裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。局部邊坡發(fā)生過楔形體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

        3區(qū)位于采場北幫,巖性以千枚巖為主,邊坡面平順,呈東西走向。邊坡面局部出露有原采空區(qū),局部邊坡發(fā)生過崩落、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。北邊坡點(diǎn)云解算區(qū)域主要出露千枚巖,呈現(xiàn)千枚狀構(gòu)造,發(fā)育片理的產(chǎn)狀與坡面產(chǎn)狀相近。該區(qū)域主要解算該千枚巖片理產(chǎn)狀:166°∠85°。坡頂附近有較厚坡積層,厚度30~40m,巖體較破碎。構(gòu)造裂隙較發(fā)育。

        4區(qū)位于采場西北幫,巖性以千枚巖為主,坡腳部分區(qū)域為英安斑巖。邊坡面呈凹形,近東西走向[4]。該區(qū)域主要解算該千枚巖片理產(chǎn)狀:146°∠70°,千枚巖片理發(fā)育程度不高,構(gòu)造裂隙不甚發(fā)育。但有局部邊坡發(fā)生過第四系風(fēng)化帶巖體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

        5區(qū)位于采場西幫,巖性以千枚巖為主,與西北邊坡相鄰部分區(qū)域出露英安斑巖,邊坡面平順,呈南北走向,巖體完整性相對較好。片理發(fā)育程度一般。片理間距0.5~1mm,部分片理間夾石英脈或黃鐵礦脈。千枚巖與英安斑巖中構(gòu)造裂隙較發(fā)育。地質(zhì)分區(qū)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行,是計算邊坡穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。對不同地質(zhì)區(qū)段的巖體質(zhì)量進(jìn)行定量分析和評價,為邊坡穩(wěn)定性計算提供更為充分的依據(jù)。

        3 露天邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

        3.1 分區(qū)剖面選擇

        根據(jù)本次分區(qū)的實(shí)際情況,通過計算選取每個分區(qū)安全系數(shù)最小的一條代表性剖面參與最終的極限平衡計算。本次研究在現(xiàn)狀圖上共設(shè)置了5個計算剖面,分別是:1區(qū)的A-A,2區(qū)的B-B,3區(qū)的C-C,4區(qū)的D-D,5區(qū)的E-E。具體剖面線如圖1所示。

        圖1 邊坡分區(qū)計算剖面線

        3.2 邊坡穩(wěn)定性計算荷載組合及計算方法

        針對銀山露天礦的具體條件,分析了本次邊坡分析的荷載組合如下:

        荷載組合Ⅰ:坡體自重;

        荷載組合Ⅱ:坡體自重+爆破振動力。

        根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)建議采用簡化Bishop法進(jìn)行計算。通過多種方法的比較,證明該方法有很高的準(zhǔn)確性,已得到業(yè)內(nèi)的公認(rèn)?;谝陨蟽煞N荷載組合,本次主要依據(jù)簡化Bishop法的安全系數(shù)計算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)要求進(jìn)行對比,初步確定各分區(qū)的邊坡角。

        在荷載組合Ⅱ中考慮了爆破振動力參與邊坡穩(wěn)定性計算。邊坡振動力的計算主要依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016-2014)的相關(guān)規(guī)定。邊坡穩(wěn)定計算時,考慮爆破振動力,各條塊的水平爆破振動力可按下列公式計算:

        式中:

        Fi’為第i條塊爆破振動力的水平向等效靜力,kN;ai為第i條塊爆破振動質(zhì)點(diǎn)水平向最大加速度,m/s2;βi為第i條塊爆破振動力系數(shù),可取βi=0.1~0.3;Wi為第i條塊的重量,kN;g為重力加速度,m/s2;f為爆破振動頻率,H z;Vi為第i條塊重心處質(zhì)點(diǎn)水平向振動速度,m/s;Q為爆破裝藥量,齊發(fā)爆破時取總裝藥量,分段延時爆破時取最大一段的裝藥量,kg;Ri為爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測點(diǎn)或建筑物、防護(hù)目標(biāo)的距離,m;K、α為與采場地質(zhì)條件、巖體性質(zhì)、爆破條件等有關(guān)的系數(shù),由振動檢測和測試數(shù)據(jù)獲取。

        在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性軟件計算考慮爆破振動力影響時,須確定爆破振動力水平影響系數(shù) ξ:

        根據(jù)爆破震動測試結(jié)果計算,各個分區(qū)的平均爆破振動力水平影響系數(shù) 在0.01~0.03之間,取最大值0.03參與爆破振動力作用下的邊坡穩(wěn)定性計算[5]。

        3.3 基于極限平衡計算的邊坡穩(wěn)定性分析

        在進(jìn)行分區(qū)并選取代表性剖面基礎(chǔ)上,通過Rocscience Slide6.0軟件采用簡化Bishop法對各分區(qū)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行,典型剖面安全系數(shù)計算結(jié)果如圖2和表1所示。

        圖2 1區(qū)A-A剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析(示例)圖

        各分區(qū)計算剖面在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ條件下的邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果見表1。

        綜合上述極限平衡計算結(jié)果可以看出。

        (1)現(xiàn)狀邊坡各個分區(qū)在荷載組合Ⅰ(僅考慮自重應(yīng)力時)條件下都滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.20要求(綜合《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》(GB50771-2012)和《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB51016-2014),選取安全系數(shù)1.20作為設(shè)計穩(wěn)定安全系數(shù)),整體邊坡較穩(wěn)定。

        表1 邊坡分區(qū)不同荷載組合安全系數(shù)計算值

        (2)現(xiàn)狀邊坡各個分區(qū)在荷載組合Ⅱ(計入爆破振動力作用)條件下安全系數(shù)普遍比荷載組合Ⅰ低0.065左右,各分區(qū)也都能滿足規(guī)范要求。

        (3)二期設(shè)計邊坡分區(qū)2、3、4、5在荷載組合Ⅰ都滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.20要求,整體邊坡較穩(wěn)定。在全礦5個分區(qū)中,分區(qū)1的安全系數(shù)不能滿足1.20的要求,因該區(qū)域最終邊坡角或邊坡高度均較大且該區(qū)域部分邊坡下賦存斷層和采空區(qū),存在一定失穩(wěn)風(fēng)險。

        (4)二期設(shè)計邊坡在計入爆破振動力作用后的荷載組合Ⅱ安全系數(shù)普遍比荷載組合Ⅰ低 0.05左右,除分區(qū)1存在不穩(wěn)定風(fēng)險外,分區(qū)2也接近規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)臨界值,存在一定失穩(wěn)風(fēng)險。

        4 結(jié)論

        通過針對銀山露天礦的各個工程地質(zhì)分區(qū),對各分區(qū)邊坡失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行了定性分析,然后選取典型剖面相繼進(jìn)行了極限平衡分析,得出以下結(jié)論:

        (1)露天邊坡穩(wěn)定性受巖性條件、巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、邊坡形態(tài)、地震和爆破等多種因素控制。根據(jù)失穩(wěn)模式分析,在1區(qū)、2區(qū)存在發(fā)生楔形體失穩(wěn)破壞的可能,3區(qū)內(nèi)存在發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面平面滑動的可能。由于結(jié)構(gòu)面延伸尺寸有限,而各個分區(qū)的邊坡規(guī)模較大,邊坡的整體破壞通常按近似圓弧滑面考慮[6]。

        (2)通過極限平衡分析,現(xiàn)狀邊坡各個分區(qū)在荷載組合Ⅰ(僅考慮自重應(yīng)力作用)和荷載組合Ⅱ(計入爆破振動力作用)都滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.20要求,整體邊坡較穩(wěn)定。

        (3)通過極限平衡分析,二期設(shè)計邊坡分區(qū)3、4、5在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ都滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.20要求,整體邊坡較穩(wěn)定;分區(qū)1在荷載組合Ⅰ和荷載組合Ⅱ及分區(qū)2在荷載組合Ⅱ時,均接近規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)臨界值,存在一定失穩(wěn)風(fēng)險,應(yīng)加強(qiáng)參數(shù)優(yōu)化和安全監(jiān)測工作;在計入爆破振動力作用后,分區(qū)4也接近規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)臨界值,存在一定失穩(wěn)風(fēng)險,應(yīng)對臨近最終幫時采取控制爆破措施。

        (4)銀山露天礦南部邊坡底部受到斷層和原地下采空區(qū)的影響,邊坡巖體結(jié)構(gòu)破碎、易出現(xiàn)楔形體破壞和局部崩塌,在今后生產(chǎn)中,尤其是開采到中下部區(qū)域時,須密切關(guān)注邊坡動態(tài),加強(qiáng)日常巡視工作和邊坡監(jiān)測工作,發(fā)現(xiàn)安全隱患及時采取加固措施。

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