閆永富 王文才 師強(qiáng)強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司,內(nèi)蒙古 包頭 014500;3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

白云西礦(以下簡稱西礦)位于內(nèi)蒙古包頭市正北方的達(dá)茂旗草原腹地,氣候?yàn)楦咴箨懶詺夂?一般從10月份到翌年5月份為冰凍期。年最高降水量為251.7 mm,年最低降水量為141.4 mm,普遍認(rèn)為凍結(jié)深度為2.3～2.6 m。史料記載在公元630年,唐軍與東突厥在此地發(fā)生了有名的“鐵山大戰(zhàn)”[1],由此可見白云鄂博地區(qū)的礦床受到地質(zhì)構(gòu)造作用和風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重。西礦位于白云鄂博礦床的西部,于2008年正式進(jìn)行露天開采,設(shè)計(jì)鐵礦石生產(chǎn)能力為1 000萬t/a。目前西礦的平均年延深量為21 m,計(jì)劃年靠幫推進(jìn)量為20 000延米,礦山的生產(chǎn)延深推進(jìn)速度較大。主要采取的靠幫方式為預(yù)裂控制爆破,采用的預(yù)裂孔孔徑為120mm,孔距為1.2～1.3m,預(yù)裂爆破的裝藥不耦合系數(shù)為2.67,平均線裝藥密度在0.5 kg/m左右。目前揭露的邊坡巖性主要是白云巖和板巖,上部靠幫邊坡以板巖為主,尤其以碳質(zhì)板巖分布最為廣泛。西礦于2018年進(jìn)行了境界優(yōu)化工程,絕大部分邊坡重新進(jìn)行了二次靠幫,所以揭露的邊坡都較為新鮮,但是新揭露的碳質(zhì)板巖臺階邊坡多處已經(jīng)發(fā)生蠕變和坍塌。這些發(fā)生坍塌的邊坡多為臺階邊坡,坍塌體的高度在12～24 m,厚度在0.5～3 m,屬于小范圍淺層邊坡坍塌。西礦目前所采用的邊坡安全監(jiān)測方式主要有:人工巡查、邊坡監(jiān)測樁、INSAR邊坡雷達(dá)在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些監(jiān)測系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是對于邊坡的表面位移情況比較敏感,通過邊坡表面巖體的位移情況來判斷整體邊坡的穩(wěn)定性情況。

1 西礦環(huán)境

1.1 含 水

西礦雖然地處干旱地區(qū),地表無常年徑流,但是仍然有地下水作用于邊坡巖體。西礦北幫軟巖邊坡的自然滲水點(diǎn)分布范圍較廣,且坡面四季都有滲水痕跡。根據(jù)2020年全年滲水點(diǎn)統(tǒng)計(jì),北幫4.5 km的展線長度上,分布著大小不均的190余處滲水點(diǎn)。這些滲水點(diǎn)或出露于巖體裂縫處,或出露于斷層露頭處,較為普遍地分布在邊坡的各個(gè)空間位置。根據(jù)抽水孔試驗(yàn)結(jié)果,碳質(zhì)板巖區(qū)域的平均涌水量為0.26 L/s,平均單位涌水量為0.008 5 L/(s·m),平均滲透系數(shù)為0.002 76 m/d。

1.2 氣 候

白云鄂博地區(qū)屬于典型的北方氣候,氣溫有明顯的節(jié)氣變化趨勢。白云鄂博礦區(qū)最冷的氣候在民間節(jié)氣的“三九天、四九天、五九天”,但是考慮到最冷時(shí)期的晝夜溫差并不大,且白天氣溫也較低,邊坡碎裂層的凍融現(xiàn)象不強(qiáng),因此從“六九天”開始研究巖體的形變與溫度之間的關(guān)系?，F(xiàn)將西礦2021年2月5日—3月16日的日最高氣溫、最低氣溫以及溫差情況,匯總?cè)鐖D1。

圖1 溫度時(shí)程變化Fig.1 Time course changes of temperature

2 西礦軟巖邊坡特征

2.1 巖石特征

目前揭露的板巖巖體的力學(xué)參數(shù)比較弱,且?guī)r體較為破碎,根據(jù)現(xiàn)場踏勘和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)測定,西礦北幫的主要板巖巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 主要板巖巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of slate rock mass

碳質(zhì)板巖邊坡巖體抗風(fēng)化能力較弱,采取預(yù)裂控制爆破進(jìn)行靠幫后,新鮮揭露的邊坡的半壁孔痕跡能夠從坡面清晰地觀測到,但是經(jīng)過一段時(shí)間之后,邊坡巖體開始出現(xiàn)掉塊和碎裂,這些半壁孔開始逐漸消失,坡面最終變成具有一定坡度的碎裂塊體狀。

2.2 巖體特征

西礦的采場邊坡周長約為12 km,南北寬1.4 km,東西長4.7 km。目前采場北幫已經(jīng)揭露的邊坡高度超過了200 m,且部分區(qū)域的靠幫邊坡高度接近100m。整個(gè)采場北幫目前靠幫的邊坡主要巖體為板巖,其中碳質(zhì)板巖約占整個(gè)板巖邊坡的70%左右。根據(jù)勘察情況,碳質(zhì)板巖厚度在50 m以上,深度在150 m以上。揭露的碳質(zhì)板巖以碎裂狀為主,其中大部分碳質(zhì)板巖巖體節(jié)理構(gòu)造發(fā)育,不論是爆破揭露的巖體,還是機(jī)械直接采掘清理出的巖體,都可以看到大量的地質(zhì)營力作用痕跡,見圖2。西礦北幫的巖層地質(zhì)構(gòu)造以急傾斜為主,走向?yàn)闁|西向,傾向偏南,巖層與邊坡基本為順層關(guān)系。通過現(xiàn)場揭露的邊坡巖體可以明顯地看到板巖局部有互層的情況,這些巖性變化面往往就是地質(zhì)弱面,是邊坡失穩(wěn)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 軟巖揭露Fig.2 Exposure of the soft rock

2021年春季開化時(shí)節(jié),西礦北幫邊坡發(fā)生多處坍塌,這些坍塌多為淺層邊坡坍塌,見圖3。坍塌體的厚度在0.5～3 m之間,坍塌體脫離母巖部分基本都發(fā)生了不同程度的碎裂。

圖3 軟巖坍塌Fig.3 Collapse of the soft rock

3 軟巖凍融形變分析

3.1 巖石凍融試驗(yàn)

在冬季,溫度對巖體形變的影響主要有兩個(gè)方面,一方面是巖體本身在溫度變化時(shí)內(nèi)部粒子的運(yùn)動(dòng)速度會發(fā)生改變,體積會產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象;另一方面由于巖體含水,水具有冷脹的特性,在溫度變化時(shí)會造成含水巖體的形變。在研究凍融作用對巖石強(qiáng)度、形變的影響時(shí),一般是對巖石試塊進(jìn)行循環(huán)凍融,最后通過測定其強(qiáng)度[2]或者崩解率[3]來反映巖石的抗凍融破壞作用能力。國內(nèi)外關(guān)于凍融試驗(yàn)的方法和標(biāo)準(zhǔn)有很多,且設(shè)置的最低冷凍溫度和循環(huán)次數(shù)要求也不同。例如《工程巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中要求的凍結(jié)溫度為-20±2℃,循環(huán)次數(shù)要求為 25次[4]。《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》中要求的凍結(jié)溫度為-15℃,循環(huán)次數(shù)要求為10～25次[5]?！禢atural Stone Test Methods-Determination of Forst Resistance》中要求的凍結(jié)溫度為-12℃,循環(huán)次數(shù)要求為280次[6]。國內(nèi)學(xué)者在進(jìn)行凍融試驗(yàn)時(shí),根據(jù)研究對象的不同,在設(shè)置最低溫度、循環(huán)凍融次數(shù)、巖石抗凍融性質(zhì)方面也有區(qū)別。例如梁冰等[7]研究泥巖在凍融循環(huán)作用下的崩解特性時(shí),所采用的最低溫度為-30℃,且研究發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行了7個(gè)循環(huán)凍融后,巖樣的崩解趨于穩(wěn)定。有的學(xué)者為了研究凍融更加貼近現(xiàn)實(shí)溫度,而采用分段低溫凍融的方式進(jìn)行模擬試驗(yàn)[8]。所以在研究凍融對露天礦邊坡巖石的影響時(shí),雖然有標(biāo)準(zhǔn)的巖石凍融規(guī)范,但是實(shí)際采取的試驗(yàn)方法較為靈活。

選取現(xiàn)場直接由機(jī)械開挖且未經(jīng)爆破振動(dòng)損傷的巖塊,巖塊粒徑大小控制在20～50 mm。本次凍融試驗(yàn)所采用的烘干儀器為天津賽得利斯實(shí)驗(yàn)分析儀器制造廠生產(chǎn)的電熱恒溫箱,見圖4。為了對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,且突出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的共性,本次凍融試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)平行實(shí)驗(yàn)組,見圖5。具體試驗(yàn)方法為:先對巖樣進(jìn)行稱重,精確到0.1 g;采用礦山邊坡滲水常溫浸泡12 h后抽干器皿內(nèi)部的水分;冷凍溫度為-15±1℃,冷凍時(shí)間為12 h;消融烘干時(shí)間為9.5 h,其中前半程為1.5 h的45℃解凍,后半程為8 h的105℃烘干;最終對巖樣的崩解情況進(jìn)行分選稱重和統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過10個(gè)循環(huán)的統(tǒng)計(jì),獲得巖石凍融崩解下不同粒徑巖樣占比數(shù)據(jù),如表2所示。

圖4 試驗(yàn)儀器Fig.4 Test instrument

圖5 試驗(yàn)樣品Fig.5 Test samples

表2 凍融崩解占比數(shù)據(jù)Table 2 Freeze-thaw disintegration data

通過對巖樣凍融數(shù)據(jù)的匯總分析,可以獲知,未經(jīng)過爆破損傷擾動(dòng)的碳質(zhì)板巖在經(jīng)過凍融試驗(yàn)后,崩解率極低,基本可以認(rèn)為巖石受凍融影響較小。但是也需要認(rèn)識到一點(diǎn),本次凍融試驗(yàn)選取的巖樣尺寸較小,且基本沒有宏觀的裂隙節(jié)理,所以可能導(dǎo)致試驗(yàn)沒有出現(xiàn)明顯的凍融損傷現(xiàn)象。

3.2 邊坡凍融期形變監(jiān)測

目前大部分的凍融研究成果都是以巖石試塊為研究對象,很少將邊坡巖體作為研究對象,這是由于邊坡巖體屬于野外大尺寸樣本,在數(shù)據(jù)采集和測量方面存在一定的難度。但是野外真實(shí)發(fā)生的凍融破壞的對象是邊坡巖體而非巖石,因此為了獲得真實(shí)的循環(huán)凍融邊坡巖體的影響,可以利用遙感技術(shù)[9]、雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)[10]、GNSS技術(shù)[11],實(shí)現(xiàn)對邊坡位移及穩(wěn)定性的研究。西礦對于北幫邊坡的監(jiān)測手段為可移動(dòng)式車載邊坡雷達(dá),該雷達(dá)從2019年投入使用,有效監(jiān)測時(shí)間累積超過1.4萬h。該套雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)屬于陸基合成孔徑雷達(dá),精確度為亞毫米級,利用高精度的微波發(fā)射和接收裝置實(shí)現(xiàn)邊坡表面位移監(jiān)測功能,且雷達(dá)系統(tǒng)具有移動(dòng)靈活,數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)傳輸可靠[12],全天候無人值守監(jiān)測,分析預(yù)警快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)。邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一個(gè)功能就是當(dāng)邊坡表面位移量達(dá)到某一設(shè)定值時(shí),觸發(fā)危險(xiǎn)預(yù)先警告,便于人員和設(shè)備的安全撤離,減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。西礦邊坡雷達(dá)的預(yù)設(shè)參數(shù)及工作參數(shù)如表3所示。

表3 雷達(dá)參數(shù)Table 3 Radar parameters

3.3 雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場邊坡表面位移監(jiān)測為了所選擇數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性,共選取了7個(gè)邊坡位移監(jiān)測點(diǎn)作為研究對象,通過記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)的形變速度、形變加速度,獲得各點(diǎn)對應(yīng)的速度變化趨勢時(shí)程圖,見圖6。加速度變化趨勢時(shí)程圖,見圖7。溫度、速度、加速度變化規(guī)律見表4。

表4 變化規(guī)律分區(qū)Table 4 Zoning of variation rule

圖6 速度時(shí)程變化Fig.6 Time course changes of speed

圖7 加速度時(shí)程變化Fig.7 Time course changes of acceleration

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),邊坡表面位移形變速度以及加速度與溫度變化存在密切的聯(lián)系,溫度變化會引起形變速度和加速度的波動(dòng),但是形變速度和加速度變化要滯后于溫度變化。溫度波動(dòng)對形變加速度的波動(dòng)影響較為顯著,形變速度波動(dòng)要滯后于溫度和形變加速度波動(dòng)。

3.4 凍融期西礦邊坡形變分析

由于露天礦山的邊坡由巖體、節(jié)理裂隙、充填物等物質(zhì)組成,單純的研究巖石的凍融情況不能全面準(zhǔn)確地反映出邊坡巖體整體的形變情況。因此要研究邊坡巖體形變受溫度的影響規(guī)律,還應(yīng)當(dāng)以整個(gè)邊坡巖體的形變?yōu)檠芯繉ο?。李長洪等[13]在研究高海拔巖質(zhì)邊坡的形變時(shí),認(rèn)為邊坡的形變受流—固—?dú)舛嘞喽鄨龅鸟詈献饔?。邊坡巖體的碎裂程度與其受到的外力作用有很大關(guān)系,在軟巖邊坡的臨空面處,由于爆破振動(dòng)、風(fēng)化侵蝕等作用,會形成一層具有一定厚度的碎裂層。軟巖邊坡碎裂后,在巖石坡體出現(xiàn)大量的宏觀裂縫和微觀裂縫,這些裂縫的存在導(dǎo)致空氣和水有了存在的空間,所以碎裂的軟巖巖體是由水、空氣和巖石組成的一個(gè)非均質(zhì)體,如圖8。

圖8 邊坡碎裂巖體Fig.8 Slope fractured rock mass

由于水、空氣和巖石的比熱容和傳熱系數(shù)不同,所以導(dǎo)致碎裂狀軟巖巖體受溫度影響比較特殊,通過查閱文獻(xiàn)[14]等資料,可獲得碎裂巖體關(guān)鍵組成材料的熱力學(xué)參數(shù),見表5。

表5 熱力學(xué)參數(shù)Table 5 Thermodynamic parameters

由于巖石、空氣、水的熱力學(xué)性質(zhì)有很大的差別,所以對于軟巖碎裂狀邊坡,其邊坡表層在受到外界溫度作用時(shí),會表現(xiàn)出不同步的特性。碎裂邊坡的組成物當(dāng)處于同一環(huán)境中時(shí),同等質(zhì)量物質(zhì)升高同等溫度所需要吸收的熱量由多到少的順序?yàn)?空氣、板巖、冰、水;對熱量的傳導(dǎo)能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?空氣、冰、板巖、水。這說明碎裂軟巖邊坡在野外自然環(huán)境中,當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時(shí),在碎裂層表層,水的溫度差變化量最高,但是由于水的傳熱能力最弱,所以水對深部巖體的溫度影響較小;雖然空氣的熱傳導(dǎo)能力最強(qiáng),但是由于空氣的溫差變化量最小,所以空氣對深部巖體的溫度影響較小;冰的熱傳遞能力僅次于空氣,但是冰的溫度差變化較弱,所以冰對深部巖體的溫度有一定的影響。

碎裂層的存在導(dǎo)致在邊坡表層會形成一定溫度的惰性反應(yīng)層,碎裂層就如同保溫隔熱層一樣,使得邊坡的內(nèi)部巖體對外界溫度的反饋?zhàn)兊眠t鈍。因此對于碎裂狀軟巖邊坡,在冬季溫度變化環(huán)境中,其表面位移形變已經(jīng)不符合巖石試塊的形變規(guī)律,其形變情況更為復(fù)雜。

3.5 小 結(jié)

通過對邊坡形變與溫度的分析,邊坡形變速率及加速度與溫度變化有一定的相關(guān)性,但是在時(shí)間上存在一定的時(shí)間差,邊坡形變滯后于溫度變化。在冬季露天礦白晝溫度回升,導(dǎo)致坡體表層巖體受熱,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,熱量只能由表層高溫端傳遞到溫度較低的內(nèi)部巖體,內(nèi)部巖體凍結(jié)冰吸熱后開始融化向著表層巖體滲流,水的流動(dòng)又加劇了熱量的傳導(dǎo)。經(jīng)過這樣的過程則碎裂層含水量增加,當(dāng)溫度再度降低時(shí),碎裂層體內(nèi)部的含水開始結(jié)冰,形成冰凍層,并且對碎裂層巖體造成膨脹。以上是環(huán)境溫度由升高再到降低時(shí)發(fā)生的邊坡形變機(jī)理,但是當(dāng)邊坡環(huán)境持續(xù)高溫或低溫時(shí)也會造成邊坡巖體短時(shí)間內(nèi)極速形變。

由于持續(xù)高溫導(dǎo)致邊坡巖體蒸發(fā)量加大,表層巖體的水分蒸發(fā)會導(dǎo)致表層毛細(xì)現(xiàn)象的快速發(fā)展,深層的處于液體狀態(tài)的水會快速的補(bǔ)充到表層造成表層巖體的吸水,吸水后的巖體體積發(fā)生膨脹,水蒸發(fā)后又會導(dǎo)致體積縮小,如此反復(fù)導(dǎo)致巖體形變明顯。但是這樣的形變并不能持續(xù)很久,這是由于毛細(xì)作用的能力有限,且表層以下的水含量并不充足,只有在長期結(jié)冰時(shí)才會儲備一定量冰凍層,消耗完以后,很難在短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充充足。持續(xù)的低溫也會造成巖體形變的增加,這是由于持續(xù)低溫會導(dǎo)致深層含水巖體受凍,水受凍后體積膨脹,所以導(dǎo)致邊坡表層形變增加。

雖然前人的研究成果認(rèn)為含水巖石經(jīng)過凍融試驗(yàn)表現(xiàn)出了明顯的凍融崩塌特性,但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境為極限環(huán)境,是在短時(shí)間內(nèi)對巖體加載了循環(huán)式的極限工況條件,而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中并不會出現(xiàn)如此惡劣極端的環(huán)境。縱觀整個(gè)白云鄂博礦區(qū)冬季“數(shù)九天”,只有個(gè)別幾天出現(xiàn)了晝夜溫差在15℃的氣候,且其中只有2 d是有晝夜溫度“零上零下”情況的。另外考慮碎裂層的惰化作用,所以邊坡巖體形變受凍融作用的影響并不劇烈,需要長期的反復(fù)作用才會導(dǎo)致嚴(yán)重的邊坡淺層滑塌,且滑塌多發(fā)生在春季開化時(shí)期。

4 結(jié) 論

(1)在循環(huán)凍融影響下,碎裂狀的軟巖邊坡的日變形速度在±2 mm/d之間,但是當(dāng)晝夜溫差較大或者持續(xù)低溫、高溫時(shí),巖體的形變速度會發(fā)生波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)能夠達(dá)到厘米級別的日形變速度。

(2)碎裂狀軟巖邊坡裂隙較為發(fā)育,并且充填有水、空氣等介質(zhì),由于各物質(zhì)的導(dǎo)熱性質(zhì)、熱脹冷縮性質(zhì)的不同,導(dǎo)致巖體的形變規(guī)律已經(jīng)不再符合巖石的熱脹冷縮規(guī)律,因此在循環(huán)凍融作用下,碎裂狀軟巖邊坡的表面位移規(guī)律更為復(fù)雜。

(3)通過對雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,結(jié)合現(xiàn)場坍塌案例分析,凍融作用會導(dǎo)致邊坡碎裂層一定厚度的巖體在冬季和春季遭受嚴(yán)重的凍融侵蝕,這種侵蝕破壞在冬季并不會造成碎裂巖體的坍塌,但是春季開化后,已破壞的巖體極易發(fā)生淺層滑坡。

(4)通常循環(huán)凍融試驗(yàn)測得的凍融數(shù)據(jù),都是在極限溫度、短期內(nèi)、高頻率作用下所獲得的,這類型的試驗(yàn)與野外相對變化溫和的自然凍融規(guī)律會存在一定的偏差。