李文虔,陳敏,寇向宇

(1.中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司貴州分公司, 貴州 貴陽(yáng) 550014 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

排土場(chǎng)是礦山生產(chǎn)的重要安全設(shè)施,其穩(wěn)定性是保證礦山安全、連續(xù)生產(chǎn)的必要條件。排土場(chǎng)穩(wěn)定性的破壞會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失。遵義某鋁礦排土場(chǎng)堆積量大,如果堆放料滑坡,會(huì)給礦山帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失,造成環(huán)境的破壞。因此,研究排土場(chǎng)的穩(wěn)定性影響因素及滑坡防治措施是該礦山面臨的緊迫問(wèn)題。

1 礦區(qū)概況及排土場(chǎng)工程地質(zhì)

遵義某鋁礦礦區(qū)位于大婁山山脈南西段,礦區(qū)場(chǎng)地屬高原淺切割剝蝕低山丘陵地,年平均氣溫15.2℃,年平均降雨量1087 mm,平均年蒸發(fā)量1034.6 mm,年平均相對(duì)濕度80%。該礦排土場(chǎng)位于露天采礦場(chǎng)的北端,場(chǎng)區(qū)地形南高北低,壩址以北溝谷地形逐漸開(kāi)闊,現(xiàn)有農(nóng)田村舍;整個(gè)場(chǎng)地向北傾斜,場(chǎng)區(qū)標(biāo)高界于883～970 m之間,排土場(chǎng)容積195萬(wàn)m3。場(chǎng)區(qū)無(wú)常流水,主要由主溝及四條沖溝組成,主溝坡度7.3%,沖溝內(nèi)無(wú)泉水出露,場(chǎng)區(qū)植被主要由灌木林組成,排土區(qū)域原地形平均坡度20.76°。

工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探及槽探工作揭露結(jié)果表明,排土場(chǎng)區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)巖及灰?guī)r是構(gòu)成壩基及場(chǎng)區(qū)的主要穩(wěn)定基巖,場(chǎng)區(qū)除沖溝外,無(wú)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象,所有鉆孔、探槽均未見(jiàn)地下水。

從露天采礦場(chǎng)開(kāi)采出露地層和地質(zhì)勘探揭露的巖層來(lái)看,排土場(chǎng)堆料為易風(fēng)化灰色白云巖(風(fēng)化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質(zhì)黏土巖(或鋁質(zhì)巖)、砂質(zhì)黏土巖和灰?guī)r。

2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 地基巖性及坡度的影響

該排土場(chǎng)地基巖性由上至下分布為:黏土層、灰?guī)r,其中黏土層地基厚2～6 m。鉆探及槽探揭露結(jié)果表明,排土場(chǎng)基底地層從上至下依次為:第四系人工堆積人工土、第四系植物層、第四系坡洪積黏性土和塊石、第四系坡殘積黏土、二疊系鋁土質(zhì)巖及寒武系灰?guī)r。排土區(qū)域原地形平均坡度20.76°,有灌木林植被。場(chǎng)區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)巖及灰?guī)r是構(gòu)成壩基及場(chǎng)區(qū)的主要穩(wěn)定基巖。黏土層和攔截壩地基巖石的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 排土場(chǎng)地基物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)研究可知,排土場(chǎng)滑坡按滑動(dòng)面的位置、形狀及原因主要可分為兩類(lèi),一類(lèi)是沿堆放料與地基方向的坡面滑動(dòng),另一類(lèi)是沿地基巖層平面方向滑動(dòng)。

在排土場(chǎng)堆放早期,主要應(yīng)對(duì)壓力進(jìn)行控制,避免地基破壞,當(dāng)堆放物逐漸增加,負(fù)荷增大后,孔隙減小,水分排出,地基的承載能力達(dá)到峰值,可能出現(xiàn)剪切變形導(dǎo)致滑坡;而當(dāng)排土場(chǎng)坡度不斷變陡時(shí),可能導(dǎo)致沿基底面發(fā)生滑坡。

通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)的基底巖層組成、邊坡角及地基的負(fù)載等影響因素進(jìn)行評(píng)估,從工程地質(zhì)勘察的揭露情況來(lái)看,該鋁礦排土場(chǎng)基底屬于軟巖地基,軟巖地基在排土場(chǎng)排棄物料壓力作用下壓縮沉降,同時(shí),基底地形坡度為19.4°～23.5°,大于排棄土料的內(nèi)摩擦角17°,因此易產(chǎn)生沿基底接觸面的滑坡。

2.2 堆料黏土和軟巖的影響

排土場(chǎng)內(nèi)排棄的散體物料中約70%～80%為第四系表土、易風(fēng)化灰色白云巖(風(fēng)化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質(zhì)黏土巖(或鋁質(zhì)巖)、砂質(zhì)黏土巖。排土場(chǎng)堆積土料室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果表明,該堆料屬黏性礫質(zhì)土,這類(lèi)土料特點(diǎn)為擊實(shí)干密度小,總強(qiáng)度低,滲透系數(shù)小,屬高壓縮性土。對(duì)混合土料進(jìn)行了剪切試驗(yàn),得出黏結(jié)力為20～25 k Pa,內(nèi)摩擦角為17°。

根據(jù)前述的試驗(yàn)分析可知,排土場(chǎng)堆料的黏結(jié)力與粒徑成反比,內(nèi)摩擦角與粒徑成正比。試驗(yàn)取樣的組成中,顆粒直徑小于0.074 mm的土料占試樣的58.6%,大于20 mm的土料占28.1%,由此可知細(xì)顆粒的堆放料和軟性黏土的占比高,能大大增強(qiáng)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡多數(shù)與堆置土料的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)?？碧浇衣兜膸r層資料顯示,堆放料多數(shù)是表土、黏土巖及易風(fēng)化的白云巖,堆料經(jīng)過(guò)了從初期堆放到逐步加多的過(guò)程,壓力不斷增大,沉降變形也逐步加大,產(chǎn)生張裂隙,并且隨著裂隙的發(fā)育,最后引起排土場(chǎng)的邊坡失衡、開(kāi)裂和滑坡。張裂隙的存在及其發(fā)育是造成排土場(chǎng)不穩(wěn)定的因素。

2.3 降水的影響

雨季降水會(huì)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性造成極大的影響,大量的降水使堆放物的黏結(jié)力大大降低,試驗(yàn)表明,在水分飽和的狀態(tài)下,土料的滲透性差,壓縮性大,剪切強(qiáng)度低,穩(wěn)定狀態(tài)迅速惡化,易造成排土場(chǎng)的內(nèi)部滑坡。同時(shí),由于場(chǎng)區(qū)植被為灌木林,因此,排土場(chǎng)基底以軟土為主,當(dāng)遇到雨水的浸潤(rùn)時(shí),水分達(dá)到飽和,剪切力大幅降低,造成排土場(chǎng)滑坡。

3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

排土場(chǎng)土料取室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo),黏土層地基取工程地質(zhì)報(bào)告和勘探地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù),灰?guī)r基礎(chǔ)參照相關(guān)指標(biāo),見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

采用公式(1)計(jì)算排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)為1時(shí),邊坡巖體處于極限平衡狀態(tài);當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)大于1時(shí),邊坡巖體穩(wěn)定;當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)小于1時(shí),邊坡巖體不穩(wěn)定。

表3 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

式中,F為邊坡穩(wěn)定性系數(shù);C為內(nèi)聚力;γ為密度;φf(shuō)為邊坡角;ru為孔隙壓力比;φ為內(nèi)摩擦角;H為邊坡高度。

容易產(chǎn)生變形的區(qū)域?yàn)榻M合臺(tái)階,但是,由表3可知,其穩(wěn)定性系數(shù)為1.76,說(shuō)明組合臺(tái)階的穩(wěn)定性較好;同時(shí),排土場(chǎng)位于溝谷里,兩側(cè)山體為阻擋滑坡的自然屏障。排土場(chǎng)的最終邊坡角為18.43°～22°,堆積高度65 m,地質(zhì)報(bào)告中黏土層基底內(nèi)摩擦角為18.7°,因此,不清除黏土層也可滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.1的要求。

4 排土場(chǎng)滑坡的防治措施

據(jù)以上分析,排土場(chǎng)變形破壞,產(chǎn)生滑坡和泥石流的影響因素主要是基底的軟弱巖層、排棄物料中含大量表土和風(fēng)化巖石,以及地表匯水和雨水的作用。因此,對(duì)該排土場(chǎng)應(yīng)采取綜合的滑坡防治措施。

4.1 覆蓋與壓坡腳式組合臺(tái)階排土工藝

該排土場(chǎng)目前采用汽車(chē)單臺(tái)階排土,這種排土工藝適合堆置堅(jiān)硬巖石,排土場(chǎng)基底要求不含軟弱巖土。由于排棄的土料為黏性礫質(zhì)土,排土場(chǎng)基底又有2～6 m的軟弱巖土,堆置高度受到限制,堆積體總量174.7萬(wàn)m3,為了充分利用排土場(chǎng)溝谷地形的有利條件,應(yīng)選擇覆蓋與壓坡腳式組合臺(tái)階堆置方式,可將先期剝離的大量表土堆置在排土場(chǎng)指定區(qū)域,風(fēng)化巖層堆置在940 m水平排土臺(tái)階(采用單臺(tái)階排土)的上游,后期剝離的風(fēng)化巖層則覆蓋在940 m水平上,即960 m排土臺(tái)階,而將采礦場(chǎng)下部和深部剝離的堅(jiān)硬巖石堆置在940 m水平排土臺(tái)階的下游和925 m水平排土臺(tái)階(壓住940 m水平臺(tái)階的坡腳),壓住上部臺(tái)階的坡腳,有利于抗滑和穩(wěn)定坡腳。通過(guò)分析邊坡的穩(wěn)定性,可知組合臺(tái)階的安全系數(shù)優(yōu)于單臺(tái)階排土,說(shuō)明覆蓋與壓坡腳式組合臺(tái)階排土工藝有利于排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

4.2 軟巖基底及植被的處理

該排土場(chǎng)整個(gè)場(chǎng)區(qū)都有灌木林等植被,在排棄土料之前應(yīng)全部清除場(chǎng)區(qū)內(nèi)的所有植被,這樣有利于邊坡的穩(wěn)定。

對(duì)排土場(chǎng)基底2～6 m的軟弱巖土可以采用以下方法處理:一是控制排土強(qiáng)度和一次堆高,以使基底得到壓實(shí)和逐漸分散基底的承載壓力;二是采用爆破法將基底軟巖破碎,增大抗滑能力,在底層形成排水層。

4.3 外截內(nèi)疏的排水方式

溝谷內(nèi)排土場(chǎng)的初期應(yīng)全面考慮水的疏導(dǎo)。建議采用在排土場(chǎng)底部設(shè)置巖石泄流體和在排土場(chǎng)溝底上游925 m水平起沿原公路修筑一道排水溝的聯(lián)合排水方式。長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明,在排土場(chǎng)底部構(gòu)筑巖石泄流體是可行的,有利于排土場(chǎng)基底和排棄土料的穩(wěn)定,而且最適合于開(kāi)采結(jié)束后廢棄排土場(chǎng)的穩(wěn)定。巖石利用灰?guī)r,粒徑500～800 mm占60%,800～1000 mm占20%,其余粒徑20%。

對(duì)于大面積場(chǎng)外山區(qū)匯水,采用在排土場(chǎng)溝底上游925 m水平修建截水溝,將水引致攔截壩外排出,截水溝斷面尺寸為1.0 m×1.5 m。場(chǎng)內(nèi)匯水是為了不對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生浸蝕和沖刷邊坡,并將平臺(tái)修成3°的反坡,使水流向坡跟處的排水溝而流出界外。在排土場(chǎng)下游溝谷收口部位修筑攔截壩。

4.4 采用內(nèi)部排土工藝

該鋁礦礦體傾角10°～20°,平均厚度7.39 m,由于礦床起伏變化,露天礦采場(chǎng)分為5個(gè)相鄰的小采場(chǎng),按先后提前結(jié)束Ⅱ、Ⅰ采場(chǎng),可利用其采空區(qū)作為排土場(chǎng),實(shí)行內(nèi)部排土工藝,盡可能減少排土場(chǎng)的堆存量,降低排土場(chǎng)的運(yùn)行壓力,有利于排土場(chǎng)的穩(wěn)定。

4.5 建立排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)站

在礦床開(kāi)采過(guò)程中,應(yīng)建立排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)站,作好邊坡變形、位移監(jiān)測(cè)記錄,對(duì)巖土自然壓實(shí)特性的位移及位移速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),并據(jù)此研究降雨量、排土場(chǎng)高度和山坡傾角隨時(shí)間的變化規(guī)律;對(duì)排棄的土料進(jìn)行邊坡、巖性、水文等全面的調(diào)查和分析,以指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)。隨時(shí)掌握排棄物堆積體狀態(tài)變化情況,發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)采取措施處理,防止重大滑坡事故的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)礦山安全問(wèn)題日常重視,提出了一系列的安全規(guī)范和保障要求。露天礦山排土場(chǎng)的穩(wěn)定性是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素,本文對(duì)某鋁礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性的現(xiàn)狀和影響因素進(jìn)行了分析,并針對(duì)該礦特點(diǎn)從多個(gè)方面提出了滑坡的防治措施,在礦山推廣應(yīng)用后,確保了礦山的持續(xù)安全生產(chǎn),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。