某礦山邊幫局部及整體穩(wěn)定性分析與防治對策

吳國昌

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦)

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某礦山邊幫局部及整體穩(wěn)定性分析與防治對策

吳國昌

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司紫金山金銅礦)

摘要為促進礦山安全、高效生產(chǎn)和營造良好作業(yè)環(huán)境，依據(jù)地質勘察資料,將紫金山露天采場分為6個大區(qū)，對各大區(qū)代表性剖面進行滲流分析和穩(wěn)定性分析，結果表明，露天采場現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性較好，發(fā)生多個臺階聯(lián)合滑坡的可能性較低；在現(xiàn)場地質踏勘中，將采區(qū)分為42個子區(qū)，對各子區(qū)中優(yōu)勢結構面進行分析與統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)區(qū)域1和區(qū)域2結構面均構成潛在楔形體，利用赤平投影圖計算其穩(wěn)定性情況，結果表明，區(qū)域2在爆破動力作用下易發(fā)生局部滑坡。根據(jù)整體和局部穩(wěn)定性分析結果，提出相應的應對措施。

關鍵詞單臺階整體邊坡滲流穩(wěn)定性動態(tài)治理

紫金山金銅礦露天采場境界面積達4.4 km2，設計最終境界邊坡高達888 m，將成為國內礦區(qū)邊坡之最[1]。目前采區(qū)坑底已開挖至+592 m標高，邊幫最高標高為+1 012 m，形成的最高邊坡達到420 m，屬于高邊坡范疇。在礦山資源進一步開采過程中，其邊坡高度將進一步增加。如此高的邊坡在長期雨水沖蝕和頻繁周邊爆破動力下，對礦區(qū)密集作業(yè)的人員和設備構成了威脅。為確保礦山安全、高效生產(chǎn)，必須對露天采場邊坡進行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)并排除邊坡安全隱患，營造良好的作業(yè)條件。

1單臺階邊坡穩(wěn)定性分析

與其他類型邊坡相比，礦山邊坡存在自身特性。礦山巖體除了受到成巖過程、地質運動留下的結構面影響外，還遭到了周邊爆破作業(yè)帶來的巨大破壞，使得邊坡巖體的完整性得到減弱[2]；除此之外，為了盡可能減少開采成本，礦山邊坡更高陡，同時，在采礦剝離過程中，原巖應力逐漸釋放，巖體由原來三向應力狀態(tài)變成兩向、單向應力狀態(tài)，其強度也不斷變化，這些因素是導致礦山單臺階發(fā)生破壞的主要原因。因此，加強單臺階穩(wěn)定性分析對保護人員和設備安全是十分必要的。

單臺階邊坡穩(wěn)定性分析是基于現(xiàn)場踏勘資料(圖1)，利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)形成赤平投影圖，分析滑坡的可能性。

圖1　現(xiàn)場地質測量

控制邊坡穩(wěn)定的因素分為內因和外因，其中外因包括外力荷載、地下水與降雨、爆破作業(yè)、人工開挖等；內在因素包括邊坡形態(tài)，巖體的內部結構、構造，結構面強度、產(chǎn)狀等。內部因素是邊坡穩(wěn)定性情況的基本控制因素。赤平投影圖可以考察分析邊坡形態(tài)、結構面產(chǎn)狀等內因之間的相互關系，確定發(fā)生滑坡的潛在可能性。

根據(jù)不同標高、巖性、完整度等將采區(qū)分為42個子區(qū)，收集各子區(qū)優(yōu)勢結構面相關數(shù)據(jù)，并得到各區(qū)赤平投影圖，本文重點闡述區(qū)域1和區(qū)域2的相關情況，見表1、圖2。

表1區(qū)域1、區(qū)域2的優(yōu)勢結構面產(chǎn)狀

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圖2　赤平投影

圖2表明，各優(yōu)勢結構面傾向與邊坡面傾向相差較大，但是存在一些優(yōu)勢結構面與邊坡體呈反方向斜交，因此，區(qū)域1、區(qū)域2基本不存在簡單平面破壞的可能，但存在潛在楔形體破壞，圖2(a)中結構面6和10、6和8、8和10，圖2(b)中結構面57和55、57和58均將邊坡巖體切割成出露楔形體，這種楔形體在自身下滑力和外力誘導下可能造成楔形破壞。針對潛在楔形滑坡體，分別對其進行穩(wěn)定性計算，計算結果見圖3。

上述計算結果表明，區(qū)域1結構面6和10、6和8、8和10構成楔形體，由于楔形體角度、結構面強度等因素，其自穩(wěn)能力強，在動力條件下其最小安全系數(shù)也均大于1.15，屬于穩(wěn)定狀態(tài)范疇，因此，目前不足以發(fā)生破壞；然而區(qū)域2中結構面55、57、58所形成的楔形體會產(chǎn)生局部失穩(wěn)，其中，結構面55與57構成楔形體，在動力作用下的最小安全系數(shù)為0.75，結構面57和58構成楔形體，在動力作用下最小安全系數(shù)為0.76，最小安全系數(shù)均小于1，即在地震烈度為7度動力作用下，2處楔形體均不能保持自身穩(wěn)定。因此，需要對區(qū)域2進行定期監(jiān)測，必要時對該區(qū)域適當加固。

2整體邊坡穩(wěn)定性分析

整體穩(wěn)定性分析主要針對礦山多臺階、深層次的滑坡體，根據(jù)現(xiàn)場地質勘查資料，獲取各剖面上水位高度和各地層的巖體力學性狀。

地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的一個非常關鍵的因素。位于山體浸潤線以下巖體處于托浮狀態(tài)，結構面兩側巖體受到靜水和動水壓力，減小了巖體間的相互擠壓應力。

摩爾-庫倫準則是被普遍認可的強度準則，被廣泛運用到巖土工程研究中。根據(jù)摩爾-庫倫準則，巖體的強度大小與潛在破壞面兩側間的擠壓應力有關，當擠壓應力增大時，巖體的破壞強度增加，其增加的大小正比于擠壓應力的改變值。因此，地下水削弱了巖體間的相互作用，減小了巖體的強度，增加了滑坡風險，在進行穩(wěn)定性分析前需進行滲流場分析。

根據(jù)采場地形地貌、巖性特點，選取6個分析剖面，結合前期地質勘查資料及相關巖層物理力學實驗結果(表2、表3)，利用geo-studio數(shù)值計算方法得到滲流分析結果，見圖4。

從圖4可以看出，礦區(qū)不同位置山體浸潤線存在較大差異，這與各剖面巖層組成和滲流特性有較大關系。在未降雨時，浸潤線以上巖土處于干涸狀態(tài)，結構面兩側巖體間的孔隙水壓力為0，巖體間的有效應力與總應力相等；浸潤線以下巖土處于飽水狀態(tài)，節(jié)理裂隙兩側巖體受到水壓作用后，其有效作用力減小，不利于邊坡的自身穩(wěn)定。邊坡滲流場的分析為整體邊坡穩(wěn)定性分析提供了基礎條件。

圖3　結構面組合分析結果

工程地質巖組名稱及代號滲透系數(shù)/(cm/s)滲透性能軟～極軟碎裂散體結構巖組(Ⅳ)6.94×10-4較軟巖碎裂鑲嵌結構巖組(Ⅲ)2.91×10-4較軟巖碎裂鑲嵌結構巖組(Ⅱ1)2.11×10-5較堅硬塊狀鑲嵌結構巖組(Ⅱ2)3.36×10-5堅硬塊狀鑲嵌結構巖組(Ⅰ1)2.74×10-510×10-5～10×10-3,低滲透性

基于滲流分析結果和地勘資料，將表3各巖層強度參數(shù)分別代入到計算模型，得到不同剖面的計算結果，見圖5，表4。

表4顯示，在動力條件下各剖面整體邊坡最小安全系數(shù)均大于1.15，屬于安全狀態(tài)，只有剖面3和剖面6上最危險滑體穿過山體浸潤性，在降雨階段其穩(wěn)定性會發(fā)生較大變化，而其他各剖面相對較穩(wěn)定，總體仍能滿足礦山邊坡安全規(guī)程要求。

由于目前礦山邊坡并沒有達到設計境界，在后續(xù)的采礦作業(yè)中，礦山邊幫高度、形態(tài)處于不斷變動中，因此,其整體穩(wěn)定性是一個變化的過程，對靠幫區(qū)域進行周期性現(xiàn)場巡視與穩(wěn)定性評價分析是十分必要的。

表3　各鉆孔巖芯強度指標

圖4　各剖面滲流結果

圖5　各剖面穩(wěn)定性結果

剖面編號最小安全系數(shù)穩(wěn)定性情況潛在滑體與山體浸潤線關系11.883穩(wěn)定浸潤線以上23.631穩(wěn)定浸潤線以上32.309穩(wěn)定穿過浸潤性42.176穩(wěn)定浸潤線以上51.757穩(wěn)定浸潤線以上62.096穩(wěn)定穿過浸潤性

3結論

(1)從局部穩(wěn)定分析結果看，區(qū)域1結構面切割的臨空楔形體自穩(wěn)能力較強，不足以發(fā)生破壞，區(qū)域2結構面切割的臨空楔形體在地震等因素下存在失穩(wěn)的可能性。建議對區(qū)域2加強監(jiān)測，盡量減少在該區(qū)域安置臨時或永久設施，必要時對該區(qū)域進行加固整治。

(2)根據(jù)計算結果，目前礦區(qū)整體穩(wěn)定性較強，礦區(qū)邊坡失穩(wěn)幾率極小，但隨著礦山的進一步開采，更多的邊幫達到設計境界，屆時邊坡高度和角度均發(fā)生較大變化，因此,需要定期對整體邊坡進行巡視和穩(wěn)定性評估。

(3)礦山邊坡的穩(wěn)定性隨著采礦進行發(fā)生動態(tài)變化。此次單臺階穩(wěn)定性分析結果只能反映目前邊坡狀況，在后續(xù)采礦過程中，未靠幫區(qū)域巖體被剝離，揭露出的新鮮巖體的穩(wěn)定性需要進一步分析；隨著采礦作業(yè)的推進，在爆破動力、雨雪侵蝕的作用下，已靠幫區(qū)域巖體中結構面也不斷發(fā)生變化，改變了原有穩(wěn)定狀態(tài)。

參考文獻

[1]李瑞祥.紫金山金銅礦露天開采地質災害防治技術[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(10):118-121.

[2]明鋒，祝文化，李慶東.爆破動載頻率對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].中南大學學報:自然科學版，2012(11):4439-4445.

(收稿日期2016-02-02)

Stability Analysis and Prevention and Controlling Measures of the Local and Global Slope of a Mine

Wu Guochang

(Zijinshan Gold and Copper Mine, Zijin Mining Group Co., Ltd.)

AbstractIn order to ensure the safety and high-efficient mine production and create good working environment, according to the geological investigation data, the Zijinshan open-pit is divided into 6 regions, the typical profiles of each region are conducted seepage analysis and stability analysis, the results show that the global stability of the slope of the open-pit is good, the possibility of joint landslide of several steps is little; during the process of site geological investigation, the open-pit is divided into 42 subregions, the dominant structure planes of each subregion are analyzed and counted, the results show that the structural plane of subregion 1 and subregion 2 can be formed a potential wedge. The stability of them is computed by plane projection map, the results show that the possibility of the local landslide of subregion 2 is big. The corresponding prevention and controlling measures is proposed based on the stability analysis results of the local and global of the slope of the mine.

KeywordsSignal step, Global slope, Seepage, Stability, Dynamic governance

吳國昌(1976—)，男，工程師，364200 福建省上杭縣。

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