鄧德亮　陳福民　樊偉　任云龍

【摘? 要】本文對(duì)某石灰石礦開(kāi)采邊坡的破壞條件進(jìn)行分析，利用巖土力學(xué)分析軟件建立采場(chǎng)邊坡剖面三維數(shù)值模型。根據(jù)邊坡地層分布情況采用模型進(jìn)行分析計(jì)算，并求得邊坡在自然工況、爆破工況、地震工況下的安全穩(wěn)定性系數(shù)，優(yōu)化最終邊坡角及邊坡治理方案，提高礦產(chǎn)資源的開(kāi)采利用率經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】石灰石礦;邊坡治理;穩(wěn)定性分析

1.0前言

石灰石是鋼鐵生產(chǎn)的重要輔助原料基地之一，該石灰石礦已開(kāi)采近34年。采用露天開(kāi)采，公路開(kāi)拓。礦山經(jīng)過(guò)幾十年的生產(chǎn)，受開(kāi)采成本、資源條件、開(kāi)采空間、用戶需求等因素的影響，露天采場(chǎng)邊坡臺(tái)階并段較多，產(chǎn)生高陡邊坡現(xiàn)象。

雖然礦山已處于末期開(kāi)采階段，但采場(chǎng)高陡邊坡面積較廣，存在安全隱患，影響礦山今后安全生產(chǎn)，為保證礦山的安全生產(chǎn)需對(duì)采場(chǎng)高陡邊坡進(jìn)行治理。

2.0礦山地質(zhì)

該礦區(qū)出露地層有寒武系、奧陶系和第四系，其中以寒武系地層為主，奧陶系分布在礦區(qū)的西南部，平行不整合在寒武系地層之上。第四系主要分布在溝谷中，不整合覆蓋在寒武系、奧陶奧陶系地層之上。

區(qū)內(nèi)有北東向斷裂構(gòu)造。但礦界內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，在礦界外的北西側(cè)見(jiàn)到F1、F2兩條北東向的斷層。其中F1斷層：走向N40°E，傾向NW，傾角70°±，斷裂寬2～4米，走向長(zhǎng)達(dá)500m左右。水平斷距80m。屬壓扭性質(zhì)的斷層。礦體走向310°～330°，傾向SW，傾角30°～36°，礦體走向長(zhǎng)1100m，傾向延深240～600m，由四層礦體組成，從地表向深部礦體厚度有變薄趨勢(shì)。

本礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，巖溶不甚發(fā)育，巖層以厚層狀構(gòu)造為主，巖石強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好，不易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問(wèn)題，工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。

3.0礦山現(xiàn)狀

礦山于1987年開(kāi)始開(kāi)采，至今開(kāi)采34年，其中1992～1999年間停采。目前200m水平水平以上已經(jīng)靠界，70m至200m各水平工作平臺(tái)已形成，階段高度10m，生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t/a。采場(chǎng)的最高生產(chǎn)水平為190m水平，最低生產(chǎn)水平為70m。隨著幾十年開(kāi)采的進(jìn)行，采場(chǎng)局部產(chǎn)生了并段高陡邊坡，高陡邊坡共有三個(gè)區(qū)域，分別位于采場(chǎng)的西幫60m～160m水平、采場(chǎng)的東北幫勘探線800線～1000線之間的60m～200m水平、采場(chǎng)的東南端幫60m～200m水平。

4.0邊坡現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

礦山采用露天開(kāi)采，公路開(kāi)拓。目前200m水平以上已經(jīng)靠界，70m至200m各水平工作平臺(tái)已形成，階段高度10m，生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t/a。采場(chǎng)的最高生產(chǎn)水平為190m水平，最低生產(chǎn)水平為60m。采場(chǎng)長(zhǎng)約900m，寬約550m，露天采場(chǎng)底部長(zhǎng)約660m，寬約300m，采場(chǎng)200m至240m水平靠界后的平均邊坡角38°。

目前，采場(chǎng)多并段現(xiàn)象嚴(yán)重，高陡邊坡面積較廣，存在安全隱患急需治理。主要有三個(gè)區(qū)域，具體的部位及特征如下。

區(qū)域（一）：位于采場(chǎng)的西幫100m～160m水平，形成總高約70m的邊坡，頂部標(biāo)高170m，底部標(biāo)高100m。高陡邊坡區(qū)位于標(biāo)高170m至100m之間。上部有約1m厚的第四系沖、坡積地層，再以下主要為崮山組灰?guī)r厚度約22m～30m，下部為張夏組鮞狀灰?guī)r地層

區(qū)域（二）：位于采場(chǎng)的東北幫，勘探線800線～1000線之間的80m～200m水平，邊坡垂向高差120m，東西長(zhǎng)度約200m，邊坡角約45°。上部主要紫色鮞狀灰?guī)r，下部為灰色竹葉狀灰?guī)r。

區(qū)域（三）：位于采場(chǎng)的東南端幫120m～200m水平，邊坡垂向高差80m，東西長(zhǎng)度約250m，邊坡角約58°。巖層主要為灰?guī)r，與區(qū)域（一）相同。

目前，以上三個(gè)高陡邊坡區(qū)域邊坡無(wú)變形，清掃及安全平臺(tái)由于上部臺(tái)階擴(kuò)幫作業(yè)堆積了浮碴已不復(fù)存在，給采場(chǎng)下部生產(chǎn)和設(shè)備人員安全造成威脅。其中區(qū)域二為本次治理重點(diǎn)部位是本次穩(wěn)定分析與治理方案研究主要內(nèi)容。

5.0邊坡隱患重點(diǎn)區(qū)域治理方案

5.1工程地質(zhì)條件

礦體上盤(pán)圍巖為鮞狀灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r，由微晶方解石和少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)組成。微密塊狀構(gòu)造，質(zhì)地堅(jiān)硬，抗風(fēng)化，不易破碎。礦體的下盤(pán)圍巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r和頁(yè)巖，易風(fēng)化，易形成山崖陡峭的負(fù)地形。

上、下盤(pán)圍巖與礦體呈平行整合接觸。由礦石抗壓強(qiáng)度可知，礦、巖體質(zhì)地較堅(jiān)硬，不易破碎。礦山已生產(chǎn)多年，在開(kāi)采過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)地質(zhì)災(zāi)害。

5.2高陡邊坡形成原因分析

形成高陡邊坡的因素主要包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)因，礦山開(kāi)采活動(dòng)等外因，以及生產(chǎn)組織過(guò)程中沒(méi)有完全按整改要求進(jìn)行等主觀原因。

5.2.1地層巖性

礦體上下盤(pán)圍巖均為石灰?guī)r，組成礦物為泥晶方解石及少量鐵質(zhì)和泥質(zhì)。其中上盤(pán)圍巖為紫色鮞狀灰?guī)r和灰色竹葉狀灰?guī)r，局部夾有薄層紫色頁(yè)巖，礦體下盤(pán)圍巖為紫色竹葉狀灰?guī)r、薄層狀灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r。上、下盤(pán)圍巖與礦體呈整合接觸。

5.2.2地下水

區(qū)內(nèi)各含水層地下水均直接或間接接受大氣降水補(bǔ)給，大氣降水后，一部分水呈地表逕流匯入小溪形成地表水體，另一部分水則通過(guò)第四系松散巖類(lèi)中的孔隙或直接沿基巖風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙下滲，分別形成孔隙水和裂隙水。而孔隙含水層與裂隙含水層在一定程度上并無(wú)絕對(duì)的隔水層。地下水主要排泄方式為礦山排水。

5.2.3礦山開(kāi)采因素

采場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)密集，采剝下降速度快，巖石臺(tái)階坡面角整改坡度60°左右，爆破實(shí)際形成的臺(tái)階坡面較陡。隨著露天開(kāi)采臺(tái)階的不斷增多，采坑深度增加，在爆破震動(dòng)的影響下，安全平臺(tái)局部滑塌形成高陡邊坡。但巖體完整程度較完整，巖石質(zhì)量、巖體完整性及穩(wěn)定性較好，礦山已生產(chǎn)多年，未出現(xiàn)過(guò)地質(zhì)災(zāi)害，邊坡總體穩(wěn)定性較好。

5.3重點(diǎn)區(qū)域治理方案

根據(jù)區(qū)域高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征和高陡邊坡成因分析的結(jié)果，可采用削坡減載的方式，降低總體坡面角，進(jìn)一步提高邊坡整體的穩(wěn)定性，同時(shí)清除安全平臺(tái)上散體巖石，消除因散體巖石的滾落或滑塌產(chǎn)生的安全隱患。

本治理整改主要采用削坡減載降低邊坡角并增加安全清掃平臺(tái)的方式治理高陡邊坡。

治理重點(diǎn)區(qū)域位于采場(chǎng)的東北幫，勘探線800線～1000線之間。頂部標(biāo)高240m，底部標(biāo)高120m，形成總高約120m的邊坡，邊坡角約為45°。

對(duì)80m～240m邊坡進(jìn)行削坡，從上至下分別形成220m、180m、160m、140m、120m、100m和80m臺(tái)階，治理后邊坡角為35°～41°。

5.3.1邊坡治理參數(shù)

（1）階段高度：靠幫后并段20m;

（2）階段最終坡面角度：60°;

（3）平臺(tái)寬度：安全平臺(tái)8m，清掃平臺(tái)10m;兩個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置一個(gè)清掃平臺(tái)，在160m水平設(shè)置寬度為15m的擋碴平臺(tái);

（4）最終邊坡角：35°～41°;

（5）邊坡垂直高度：180m。

5.3.2高陡邊坡治理后邊坡穩(wěn)定性分析

利用巖土力學(xué)分析軟件建立邊坡剖面B2-B2三維數(shù)值模型。

1）計(jì)算模型

剖面B2-B2數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)×寬×高=320×40m×190m，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，網(wǎng)格以六面體為主，四面體為輔，共劃分10449個(gè)節(jié)點(diǎn)，8520個(gè)網(wǎng)格。

2）邊界條件

底部采用XYZ方向固定約束，兩側(cè)邊界為X方向固定，坡面及坡體為自由面，施加荷載為巖體自重及其它相應(yīng)的公路機(jī)車(chē)等效均不荷載。

3）評(píng)價(jià)條件

（1）研究范圍內(nèi)的巖體為均質(zhì)、各向同性的彈塑性模型，巖體破壞遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則;

（2）忽略時(shí)間因素的影響;

（3）忽略爆破震動(dòng)的影響;

（4）未考慮大氣降水和地震工況的影響。

4）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)邊坡地層分布情況對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，初始化形變量，形成原始地應(yīng)力場(chǎng)，在該應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，輸入相應(yīng)的地層物理特性參數(shù)及邊界條件，通過(guò)上述計(jì)算，剖面B2-B2的安全系數(shù)為1.70。同樣通過(guò)對(duì)重點(diǎn)治理區(qū)域的其它5個(gè)邊坡剖面進(jìn)行計(jì)算，其安全系數(shù)的結(jié)果分別為1.69、1.76、1.72、1.33、1.43（略）。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）中的要求，礦山治理后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6.0結(jié)論

某石灰石礦邊坡經(jīng)治理后，從穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果看治理后的邊坡是穩(wěn)定的。其他部位安全性要好于上述剖面情況，說(shuō)明采場(chǎng)邊坡總體是安全的。該設(shè)計(jì)方案實(shí)施后可至少回收石灰石礦量60萬(wàn)噸以上，必將取得更大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

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