浙江龍泉小巖葉臘石礦床邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

韓路朋,肖 敏,張邦果,詹梅芬,廖美紅,章雄飛

（浙江金安設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江遂昌323300）

在采礦過(guò)程中確保安全生產(chǎn)是需要放在第一位的。自2014年新修訂的安全生產(chǎn)法實(shí)施以來(lái)，重視安全生產(chǎn)不單單是國(guó)家層面的要求，安全生產(chǎn)隱患排查與分級(jí)雙管控，同樣也需要礦業(yè)權(quán)人自覺(jué)履行安全生產(chǎn)義務(wù)，另一方面應(yīng)在采礦技術(shù)上進(jìn)行提高和改進(jìn)，使礦山安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

1 礦山概況

1.1 礦體賦存情況

礦區(qū)位于龍泉—寧波北東向斷裂帶與遂昌—山門北西向斷裂帶交會(huì)處附近。礦區(qū)出露地層為上侏羅統(tǒng)大爽組。一段：以流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r為主，夾流紋質(zhì)玻屑弱熔結(jié)凝灰?guī)r。未見底，厚度大于32.3m。二段：以流紋質(zhì)晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，夾流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑玻屑凝灰?guī)r等。有北西向、南北向、東西向3組斷裂構(gòu)造，其中F6斷裂為正斷層，傾角78°～82°，在礦區(qū)內(nèi)處伸3.5km，走向5°左右，傾向西。礦區(qū)內(nèi)可見的侵入巖為花崗斑巖體，呈小巖株侵入在上侏羅統(tǒng)火山巖中。

Ⅲ號(hào)礦體賦存標(biāo)高在+650m以上，Ⅲ號(hào)礦體附近侵蝕面標(biāo)高+600m左右，周圍溝谷切割深，礦體及圍巖含水性差，主要為淺部風(fēng)化裂隙水，屬弱含水巖層。礦床水文地質(zhì)類型為裂隙充水礦床。根據(jù)以往地質(zhì)資料及礦山多年監(jiān)測(cè)資料顯示，坑內(nèi)正常涌水量10m3/d，最大涌水量40m3/d。礦體頂、底板圍巖為流紋質(zhì)晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、葉臘石化流紋巖，屬硬質(zhì)巖石，完整性較好，巖體工程地質(zhì)特性較好。葉臘石含礦層為相對(duì)較弱巖層，且部分礦體的傾向與坡面一致，對(duì)于礦山開采后山體穩(wěn)定性有一定程度影響。Ⅲ號(hào)礦體似層狀，地表出露范圍長(zhǎng)約260m，寬約140m，礦體總體190°～200°∠28°～41°，平均傾角30°。礦石呈鱗片變晶結(jié)構(gòu)、變余、殘余熔巖結(jié)構(gòu)。礦床成因?yàn)榛鹕剑ù位鹕剑嵋航淮汀?/p>

1.2 開采情況周邊環(huán)境

2011～2017年間，礦業(yè)權(quán)人對(duì)Ⅲ號(hào)礦體南側(cè)進(jìn)行過(guò)小規(guī)模開采，開采方式為地下開采。開采形成了+630m、+640m、+650m及+670m共4個(gè)中段。①PD630（+630m中段）：巷道斷面寬2.8～4m，高2.8～3.5m，巷道長(zhǎng)約480m，分別在東側(cè)與西側(cè)形成2個(gè)采空區(qū)，西側(cè)采空區(qū)面積為700m2，東側(cè)采空區(qū)面積為500m2，標(biāo)高為+730～+750m。巷道已經(jīng)進(jìn)行封閉。②PD640（+640m中段）：巷道斷面寬2.2～3m，高2.4～3.5m，巷道長(zhǎng)約300m，形成了1個(gè)采空區(qū)，空區(qū)面積約為226m2，標(biāo)高為+640～+650m。③PD650（+650m中段）：巷道斷面寬2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道長(zhǎng)約500m，PD650硐口及與+670m相連的巷道已封閉。④PD670（+670m中段）：巷道斷面寬2.8～4.5m，高2.8～3.5m，巷道長(zhǎng)約550m；形成1個(gè)采空區(qū)，面積約546m2。礦山周邊環(huán)境復(fù)雜，礦山Ⅲ號(hào)礦體露采范圍東側(cè)300m范圍內(nèi)有民房1間、廟宇1間，距礦區(qū)2～3號(hào)拐點(diǎn)間最近距離分別為154m和220m。露采范圍周邊300m范圍內(nèi)有耕地，在礦區(qū)2～3號(hào)拐點(diǎn)附近，露采區(qū)內(nèi)約10畝。礦山Ⅲ號(hào)礦體露采區(qū)內(nèi)有從東岱村通往小巖村的康莊公路。區(qū)內(nèi)有歷史遺跡“十二公巖”，不允許破壞。

2 設(shè)計(jì)邊坡

礦區(qū)開采標(biāo)高，擬定最高+790m，最低+650m，高差140m。根據(jù)礦區(qū)地形、開采技術(shù)條件、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)f=3～7、礦體賦存產(chǎn)狀（28～41°）及礦區(qū)周邊環(huán)境現(xiàn)狀，擬定殘坡積層及全/強(qiáng)風(fēng)化層臺(tái)階高度不大于8m，工作臺(tái)階坡面角不大于60°，臺(tái)階坡面角不大于45°；中/微/未風(fēng)化層臺(tái)階高度不大于12m，工作臺(tái)階坡面角不大于65°，臺(tái)階坡面角不大于45°，邊坡高差90m以內(nèi)時(shí)，最終邊坡角不大于41°，邊坡高差180m以內(nèi)時(shí)，最終邊坡角不大于41°。安全平臺(tái)寬度不小于4m，每間隔2～3個(gè)臺(tái)階設(shè)一個(gè)清掃平臺(tái)，清掃平臺(tái)寬度不小于6m。礦山作業(yè)面狹窄，最小作業(yè)平臺(tái)寬度受到限制，采用傳統(tǒng)回采方法，安全作業(yè)條件難以滿足[1]。

3 邊坡穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法與數(shù)據(jù)建模

運(yùn)用邊坡滑動(dòng)Slide軟件，使用有限元法、垂直條塊極限平衡分析方法來(lái)分析滑動(dòng)面的穩(wěn)定性，可分析單條滑面，找出給定邊坡的臨界滑動(dòng)面，如圖1所示。模塊可以模擬載荷在地基中產(chǎn)生的超孔隙水壓力，可對(duì)施工前后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，有助于確定加固措施。極限平衡法中的關(guān)鍵內(nèi)容有2個(gè)：

（1）剪切滑動(dòng)破壞面的強(qiáng)度。采用庫(kù)侖推則：τf=c+σtanφ

圖1 數(shù)據(jù)模型

式中：c、φ——滑動(dòng)面的內(nèi)粘聚力和內(nèi)摩擦角；

σ、τ——滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。

（2）邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs。Fs被定義為阻止滑動(dòng)的總力與致滑總力之比，當(dāng)Fs＞1時(shí)，邊坡穩(wěn)定；當(dāng)Fs＜1時(shí)，邊坡不穩(wěn)定；當(dāng)Fs=1時(shí)，處于極限平衡狀態(tài)。

3.2 臨界滑動(dòng)面

區(qū)內(nèi)可能對(duì)礦體開采造成影響的斷裂為F6，斷裂產(chǎn)狀與礦體傾向斜交，斷裂帶充填構(gòu)造角礫巖、碎裂巖，膠結(jié)較好，近期活動(dòng)性差。故斷裂構(gòu)造對(duì)礦區(qū)內(nèi)巖石塊體穩(wěn)定性有一定的影響，但影響不大。臨界滑動(dòng)面即最不利的滑坡傾角β，如圖2所示。

圖2 臨界滑動(dòng)面與邊坡位移量

即Z=0，U=V=P=0時(shí)，則：

在Fs=1條件下：

即：

3.3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

一方面滑帶巖體的進(jìn)一步碎裂從物理上降低了滑帶的摩阻力；另一方面，也是更為重要的是，由于滑帶的夯擊擴(kuò)容，地下水將強(qiáng)力擠入擴(kuò)容空間，從而可能激發(fā)水擊作用機(jī)制，導(dǎo)致孔隙水壓力激增，滑帶抗剪能力急劇降低，從而促使滑坡驟然啟動(dòng)，產(chǎn)生高速滑動(dòng)[2]。礦山葉臘石粘聚力c=0.69MPa，內(nèi)摩擦角φ=43.4°，礦石容重2620kg/m3，擬定臺(tái)階坡面角α=45°，最終邊坡角不大于41°。

（1）單平面滑動(dòng)的滑體受力分析如圖3所示。根據(jù)《巖土邊坡穩(wěn)定性分析》（中南大學(xué)出版社）4.2.1章節(jié)[3]，計(jì)算如下：

抗滑力：

致滑力：

安全系數(shù)：

當(dāng)平臺(tái)邊坡Fs≥1.5時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；

當(dāng)最終邊坡Fs≥1.3時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。式中：W——滑體自重，N；

U——滑面靜水浮托力，N；

V——張裂隙靜水推力，N；

l——滑面長(zhǎng)度，m；

H——坡面高度，m；

Z——裂隙深度，m；

Zw——充水深度，m；

γ——滑體容重，kg/m3；

β——滑動(dòng)面傾角。

（2）安全系數(shù)計(jì)算。區(qū)內(nèi)臺(tái)階坡面角穩(wěn)定性：

W=417837N

Fs=5.627＞1.5

說(shuō)明礦山開采后形成的邊坡穩(wěn)定。

區(qū)內(nèi)最終邊坡穩(wěn)定性：

W=3140361N

Fs=3.168＞1.3

考慮地下水和爆破振動(dòng)聯(lián)合作用的邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間呈波動(dòng)變化，邊坡最小安全系數(shù)為1.024，此時(shí)邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)[4]。通過(guò)模型分析計(jì)算結(jié)合類比，礦山開采礦體形成的最終邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用Slide軟件模擬與有限元、極限平衡法有效結(jié)合，較為全面地對(duì)小巖緩傾斜礦床邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，為礦業(yè)權(quán)人開采活動(dòng)提供客觀依據(jù)。小巖葉臘石礦床賦存傾角較緩，周邊環(huán)境復(fù)雜，露天礦山開采存在著一系列的不穩(wěn)定因素，礦山設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮生產(chǎn)時(shí)期留設(shè)安全平臺(tái)而終了時(shí)不留臺(tái)階。巖土在處于休止角狀態(tài)，且不考慮外界影響因素（地表水、地下水、復(fù)墾覆土等）時(shí)，巖土可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，然考慮了外界影響因素，即使處于休止角狀態(tài)下的巖土也不一定是穩(wěn)定的。因此，礦山安全這個(gè)永恒的主體是當(dāng)前礦業(yè)權(quán)人面臨的主要難題，邊坡留設(shè)的時(shí)候，需要綜合考慮各種可能因素，僅考慮自然安息角是片面的。

文章結(jié)合具體礦山實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合Slide軟件模擬與有限元、極限平衡法的理論思想，針對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性研究方面進(jìn)行了闡述，在國(guó)內(nèi)緩傾斜露天開采礦床安全高效開采具有一定的借鑒意義。

[1] 韓路朋，姜志金，肖敏，章雄飛.某飾面用輝綠巖礦回采方法優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].世界有色金屬，2017.

[2] 黃潤(rùn)秋，裴向軍，等.大光包滑坡滑帶巖體碎裂特征及其形成機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016（1）.

[3] 饒運(yùn)章.巖土邊坡穩(wěn)定性分析[M].中南大學(xué)出版社，2012.

[4] 趙奎，余樂(lè)興，何文，等.降雨及爆破振動(dòng)條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）.