尚迎軍

(蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)影響該礦露天邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)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(kāi)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(duì)影響該露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了歸類,進(jìn)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(duì)保證露天礦的安全生產(chǎn)具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)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?yàn)楸睎|-南西,東翼比西翼略陡,西翼傾角20°～40°,東翼傾角30°～50°,局部達(dá)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(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖石。礦區(qū)內(nèi)斷層分布少,展布規(guī)模小。影響礦山開(kāi)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(wú)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)快速。滑坡是邊坡巖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(guò)該面上的抗剪強(qiáng)度所致,規(guī)模較大,可分為平面滑動(dòng)、楔形滑動(dòng)和圓弧滑動(dòng)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(tái)寬度、臺(tái)階高度、臺(tái)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(tái)寬度影響邊坡角的大小和邊坡的穩(wěn)定,平臺(tái)最小寬度必須保證運(yùn)輸和安全的需要[2]。當(dāng)邊坡角一定時(shí),邊坡越高,穩(wěn)定性越差;當(dāng)邊坡高度一定時(shí),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(qiáng)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(duì)邊坡的變形破壞有直接影響,堅(jiān)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(qiáng)度便大為降低,出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,這充分說(shuō)明了巖石性質(zhì)對(duì)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(duì)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(guò)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(wú)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(kāi)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(guò)程中應(yīng)嚴(yán)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(duì)巖體的作用主要表現(xiàn)為軟化、泥化、沖刷、凈水壓力和動(dòng)水壓力。主要表現(xiàn)為水對(duì)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(shí),對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響更大;地下水的滲透對(duì)邊坡巖體產(chǎn)生了一定的動(dòng)水壓力,降低了巖體的有效應(yīng)力,同時(shí),增加了巖體的含水量,弱化了巖體的強(qiáng)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(chǎng)分布,同時(shí)巖體中滲流與應(yīng)力強(qiáng)烈作用。這些因素都會(huì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。該礦區(qū)內(nèi)無(wú)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(diǎn)連通形成地下管道或地下暗河,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性將會(huì)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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。大氣降雨補(bǔ)給了地下水,一方面弱化了巖體的強(qiáng)度參數(shù),使邊坡滑動(dòng)面的抗滑能力降低;另一方面使邊坡的下滑力增強(qiáng),二者結(jié)合起來(lái)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(kāi)采的主要不利因素,因此,在此期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡的巡查力度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取措施解決。

(6)風(fēng)化作用。風(fēng)化作用對(duì)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(qiáng)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(shí),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(qiáng)的巖石,區(qū)內(nèi)強(qiáng)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(duì)該礦山邊坡穩(wěn)定性影響不大,但也應(yīng)注意對(duì)局部風(fēng)化區(qū)的處理。

(7)人類工程活動(dòng)。邊坡長(zhǎng)期經(jīng)受爆破震動(dòng)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(yán)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(huì)導(dǎo)致邊坡的破壞與滑移,比如邊坡維護(hù)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(huì)降低邊坡的穩(wěn)定性。另外,露天礦臺(tái)階上汽車和挖掘機(jī)等大型設(shè)備的震動(dòng)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也有影響,有時(shí)會(huì)觸發(fā)局部臺(tái)階的滑動(dòng)。

4 邊坡破壞的防治建議

隨著該石灰石礦不斷向深部開(kāi)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(duì)以上誘發(fā)邊坡破壞的因素,建議采用以下的防治措施進(jìn)行治理。

(1)加強(qiáng)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(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ),應(yīng)對(duì)礦區(qū)的巖性、水文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等進(jìn)行深入的了解,查明對(duì)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(jì)和開(kāi)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(kāi)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(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)。露天礦邊坡的破壞是一個(gè)變化發(fā)展的過(guò)程,為了避免邊坡破壞對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)的傷害,應(yīng)加大技術(shù)投入,采取必要的手段對(duì)邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握邊坡的變形規(guī)律,并針對(duì)邊坡的破壞類型采取有效的治理手段。主要監(jiān)測(cè)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(duì)邊坡的穩(wěn)定性有很大影響,能夠顯著降低巖體的抗剪強(qiáng)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(shí),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(jìn)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(guò)錨桿(索)上施加的預(yù)應(yīng)力以提高滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力,進(jìn)而提高該面的抗滑力,改善剪應(yīng)力的分布狀況。

(6)嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)。為了降低爆破震動(dòng)對(duì)邊坡的影響,對(duì)于臨近邊坡的爆破作業(yè)采取控制爆破技術(shù),嚴(yán)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(qiáng)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(hù)與管理工作。在露天礦開(kāi)采的過(guò)程中,應(yīng)做好邊坡的維護(hù)工作,保護(hù)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(guò)程。常用的坡面防護(hù)方法有植物防護(hù)和礦料防護(hù)。此外,還應(yīng)加強(qiáng)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(hù)隊(duì),建立安全規(guī)章制度,實(shí)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(huì)造成人員的重大傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。本文對(duì)某石灰石露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)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(jìn)行邊坡治理的過(guò)程中,應(yīng)做到具體情況具體分析,針對(duì)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(kāi)采設(shè)計(jì)工作,Email:sks1118@126. com。