基于極限平衡的某磷礦邊坡穩(wěn)定性分析

黃 波，張明清，鄧廣俊

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025)

基于極限平衡的某磷礦邊坡穩(wěn)定性分析

黃 波1,2，張明清1,2，鄧廣俊1,2

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025)

邊坡失穩(wěn)已成為露天礦山最大地質(zhì)災(zāi)害之一，而影響邊坡穩(wěn)定性的因素卻是錯(cuò)綜復(fù)雜的。息烽磷礦露天開采已達(dá)到設(shè)計(jì)開采標(biāo)高，資源量已不能滿足礦山開采能力的需求，礦山需從露采轉(zhuǎn)入地下開采。針對(duì)地下開采對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性問題，采用極限平衡方法對(duì)潛在滑坡段邊坡安全系數(shù)進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果顯示，邊坡安全系數(shù)為1.21，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。后期受露天轉(zhuǎn)地下復(fù)合擾動(dòng)作用以及其他外在因素影響，其穩(wěn)定性可能降低，對(duì)此提出相應(yīng)的控制技術(shù)措施對(duì)潛在不穩(wěn)定邊坡進(jìn)行防治。

邊坡穩(wěn)定；定量計(jì)算；邊坡防治

露天礦開采后留下的高陡邊坡的穩(wěn)定性是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)[1]，邊坡自身的地質(zhì)構(gòu)造以及不穩(wěn)定軟弱面決定了邊坡穩(wěn)定的外部形式，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到了決定性作用。外在因素包含邊坡角、地表水的滲入、采動(dòng)影響等因素的存在可以促進(jìn)邊坡的變形發(fā)展[2]。邊坡一旦失穩(wěn)破壞，后果不堪設(shè)想。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理和邊坡參數(shù)做了大量的研究，取得了不少研究成果。但是對(duì)潛在滑坡研究相對(duì)較少，故開展上述研究，對(duì)邊坡穩(wěn)定性提前作出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并對(duì)潛在滑坡提出防護(hù)，這對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

貴州息烽磷礦（以下簡(jiǎn)稱“該礦”）始建于1964年10月，生產(chǎn)規(guī)模為20萬t/a，礦山歷經(jīng)50年的露天開采，最大采礦深度已達(dá)761m，現(xiàn)露天開采設(shè)計(jì)保有資源量即將枯竭，下一階段主要由露天開采轉(zhuǎn)入地下開采，露天邊坡的穩(wěn)定直接影響礦井未來發(fā)展。由于長(zhǎng)年露天開采以及周圍民辦礦的影響，采場(chǎng)邊坡外側(cè)出現(xiàn)數(shù)條裂縫，局部還出現(xiàn)邊坡向外隆起、小型滑坡、滾石等現(xiàn)象。本文在以往研究方法的基礎(chǔ)上，采用定量計(jì)算，用安全系數(shù)表征邊坡的穩(wěn)定性，并對(duì)潛在滑坡段提出相應(yīng)的控制技術(shù)措施。

2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

邊坡變形失穩(wěn)不是簡(jiǎn)單的地應(yīng)力現(xiàn)象，影響邊坡穩(wěn)定性的因素是錯(cuò)綜雜的，根據(jù)各種影響因素對(duì)邊坡作用的性質(zhì)和特點(diǎn)[3]可將其主要分為內(nèi)在因素和外在因素兩大類。內(nèi)在因素包括節(jié)理、裂隙、斷層、軟弱面、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造；外在因素包括地表水的下滲、地下水的貫通、巖石風(fēng)華作用以及人類工程活動(dòng)等。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造主要為洋水背斜、核桃坪向斜、F1逆斷層及其派生斷層等構(gòu)成區(qū)域的總體構(gòu)造輪廓。洋水背斜長(zhǎng)約25km，寬4.5km，軸向NE15°，軸面傾向近東，傾角80°左右，西翼地層傾角40～60°，東翼地層傾角30～50°，有東緩西陡之勢(shì)。向斜軸向北北東，兩翼地層大致對(duì)稱，向斜軸部地層為三迭系，向兩翼分別為二迭系和石碳系地層，因構(gòu)造影響，東翼地層完整性較差。礦區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，走向斷層F9、F6斷層破碎帶中斷層角礫巖膠結(jié)松散的地段，傾角為40～80°不等，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定影響。

2.2 地層巖性

礦區(qū)出露有第四系、寒武系下統(tǒng)、震旦系和南華系等地層，角度不整合、假整合接觸，從新至老依次為：

1)第四系（Q）：主要分布在坡鹿及地勢(shì)地洼地帶，由黃色、褐黃色殘坡積粘土、亞粘土等組成，厚0～20m。

2)寒武系下統(tǒng)（∈1）：主要分布于Ⅱ工作區(qū)的西北部茅蓋山、梅子嶺一帶，由深灰色砂巖、頁(yè)巖，偶夾薄層灰?guī)r組成，局部夾泥灰?guī)r透鏡體，底部為0～1.0m的塊狀、結(jié)核狀含磷塊巖。

3)震旦系（Z）：震旦系在礦區(qū)發(fā)育了上統(tǒng)（Z2）及下統(tǒng)（Z1）地層。上統(tǒng)主要為燈影組（Z2dn）地層，下

統(tǒng)主要為陡山沱組（Z1d）地層。根據(jù)巖性差異，分為上、下兩個(gè)部份：

上部為磷礦層（Z1P）：褐灰、藍(lán)灰色、淺灰色致密狀、碎屑狀、條帶狀磷塊巖。一般厚度4.13～10.24m，平均厚6.09m。下部為灰黃、土黃、黃綠色薄層含磷砂質(zhì)白云巖，灰綠、藍(lán)綠色中厚層細(xì)至中粒含礫砂巖及砂巖組成。其中下部含泥質(zhì)成份增多，并含較多星點(diǎn)狀自形晶黃鐵礦顆粒，厚9.6～25m，平均厚14.5m。震旦系巖層底板為白云巖，其間偶夾黃色粘土的地段，整個(gè)礦區(qū)內(nèi)均有分布;節(jié)理裂隙發(fā)育，受構(gòu)造的影響，巖石較為破碎對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定影響。

4)南華系（Nh2）：僅發(fā)育了上統(tǒng)南沱組地層。上部為紫紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾灰綠色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，下部為紫紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖及少量變余粉砂巖。

2.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)地形切割強(qiáng)烈，為頂板直接進(jìn)水的巖溶充水礦床。最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為785m，部分礦體位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，巖體受水侵蝕，其抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度明顯降低。

2.4 邊坡形態(tài)

該礦山潛在不穩(wěn)定邊坡 (BWBP)出現(xiàn)在工業(yè)場(chǎng)地東南部，邊坡角為35～45°平面形態(tài)大致呈層狀，與采場(chǎng)底部工業(yè)場(chǎng)地相對(duì)高差98m，(局部達(dá)105m)，邊坡上方出現(xiàn)地裂縫，采場(chǎng)邊坡小規(guī)?；?，局部巖體出現(xiàn)掉塊、滾石等現(xiàn)象。

通過對(duì)該礦邊坡地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、邊坡形態(tài)以及水文地質(zhì)等影響因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，已成型的邊坡斷裂構(gòu)造發(fā)育，破壞了巖體的整體性，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大；

邊坡巖體部分巖層為紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾灰綠色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石質(zhì)量和完整性較差，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，這是影響邊坡穩(wěn)定性的主要內(nèi)在原因。

邊坡較陡，臺(tái)階負(fù)荷過大，這是邊坡失穩(wěn)主要外在因素。此外，采動(dòng)影響、地表水下滲以及巖體風(fēng)化作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的惡化作用。

3 基于極限平衡的定量分析

極限平衡分析法是把潛在滑面上的巖體視為剛性材料，根據(jù)靜力平衡原理分析滑體或滑塊在破壞模式下的受力狀態(tài)，通過對(duì)邊坡的下滑力與抗滑力之間的關(guān)系評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性［4］，邊坡力學(xué)分析示意如圖1所示：

如圖1所示，原始邊坡角β為45°，可能滑面傾角α為34°，邊坡高度為H1為62m，可能滑動(dòng)面的內(nèi)聚力為C，內(nèi)摩擦角為φ，可能滑體的重量為W，巖體容重為γ

圖1 邊坡力學(xué)分析示意

其力學(xué)性能指標(biāo)參考地勘報(bào)告相關(guān)資料獲得，如表1所示：

表1 邊坡巖體的物理力學(xué)性能指標(biāo)

則滑動(dòng)力T=Wsinα；抗滑力；

邊坡穩(wěn)定系數(shù)為：

其中：K為可能滑動(dòng)危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，其值為可能滑體的抗滑力F與下滑力T之比，李領(lǐng)先等人基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算［5］建立了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)；內(nèi)聚力C，內(nèi)摩擦角φ值參考地勘報(bào)告相關(guān)資料獲得，取最小值；可能滑面傾角α、邊坡角β值、邊坡高度H1經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、推斷獲得(見圖1)。巖體容重γ值參考地勘報(bào)告相關(guān)資料，該礦為2.18m3/t，

將上述各個(gè)參數(shù)代入（1）式得：

表2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與穩(wěn)定性評(píng)定用語對(duì)照表［6］

根據(jù)計(jì)算出來的可能滑動(dòng)巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，對(duì)照表1提供的對(duì)照表，該邊坡處于“基本穩(wěn)定”狀態(tài)。

4 預(yù)防措施

采用極限平衡的定量計(jì)算結(jié)果表明邊坡處于“基本穩(wěn)定”狀態(tài)，但是后期邊坡在地下開采過程中受采動(dòng)影響、爆破振動(dòng)以及邊坡風(fēng)化、降水等外在因素影響下，邊坡巖體質(zhì)量和完整性以及抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度將會(huì)降低，其穩(wěn)定性將會(huì)受到影響，因此，必須有針對(duì)性的對(duì)邊坡采取相應(yīng)的防護(hù)措施進(jìn)行預(yù)防。

4.1 選擇合理的邊坡角

考慮到巖石的物理性質(zhì)、開采技術(shù)條件，氣候條件以及巖體的地質(zhì)構(gòu)造等因素采取分臺(tái)階削減潛在危險(xiǎn)邊坡載荷，降緩邊坡角，最終坡面角小于34°。

4.2 減少爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響

合理爆破，減少爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的影響，適當(dāng)減少單孔藥量和一次最大起爆藥量，降低爆破振動(dòng)對(duì)邊坡巖體的破壞作用。

4.3 加固邊坡

對(duì)潛在滑坡地段采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨噴網(wǎng)支護(hù)主動(dòng)支護(hù)。

4.4 正確處理邊坡地表水

由于邊坡表層植被被破壞，地表水沿著裂隙下滲可能導(dǎo)致巖石強(qiáng)度發(fā)生破壞，在潛在滑坡臺(tái)階靠邊坡一側(cè)采用水泥砂漿砌筑排水溝，將地表徑流引入邊坡一側(cè)排水溝排出。

5 結(jié)論

1）露天高陡邊坡是一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，其穩(wěn)定性受到多種因素影響。這些因素中包括巖體特性、地質(zhì)構(gòu)造、水文特征條件等內(nèi)在因素，又包括邊坡角設(shè)計(jì)是否合理、采動(dòng)影響、爆破振動(dòng)以及地表水下滲等人為因素。

2）邊坡穩(wěn)定在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的工程地質(zhì)問題，伴隨著整個(gè)礦山開采過程。隨著礦山的向下延伸，邊坡穩(wěn)定性問題會(huì)日益凸顯，工程中要實(shí)時(shí)對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行勘探對(duì)照，對(duì)比分析，及時(shí)對(duì)邊坡角進(jìn)行調(diào)整。

3）對(duì)潛在危險(xiǎn)滑面，采取監(jiān)控措施，在邊坡危險(xiǎn)面建立地面臨時(shí)或永久監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)掌控邊坡動(dòng)態(tài)，做出邊坡變形預(yù)報(bào)和滑坡預(yù)警，及時(shí)采取措施。

4）基于極限平衡的定量分析能很好的反應(yīng)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，但是影響巖土體邊坡穩(wěn)定性的因素卻是復(fù)雜多變的，單一方法不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，因此在工程實(shí)際中要采取多方法綜合評(píng)價(jià)的方式。

［1］鄭雷.基于層次分析法的礦山邊坡穩(wěn)定性研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012,28(1)：23-26.

［2］羅湘務(wù).基于層次分析法的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].北方交通，2014，63-65.

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［4］門玉明，王勇智，郝建斌等.地質(zhì)災(zāi)害治理工程設(shè)計(jì)［A］北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［5］李領(lǐng)先.基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算［M］.科技信息，2010.12，259.

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