陜南非煤礦山廢渣堆特性與邊坡穩(wěn)定性分析

王 滔,齊普榮,王晗旭,現(xiàn)小多

(陜西核工業(yè)工程勘察院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

根據(jù)調(diào)查，在非煤礦山存在大量的廢渣堆，多數(shù)未按照規(guī)范進行堆放，造成較為嚴重的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，對礦山地質(zhì)環(huán)境的影響主要為壓占土地資源、破壞植被、破壞地形地貌景觀，同時由于廢渣堆多為自然堆積的松散結(jié)構(gòu)，在降雨、地震等不利工況作用下易產(chǎn)生沿最大剪應力面變形破壞[1]的塌滑，出現(xiàn)水土流失災害，甚至導致泥石流災害的發(fā)生，是礦山地質(zhì)災害的重要組成，對礦山正常的生產(chǎn)和礦區(qū)周圍人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴重危害。本文通過對不同區(qū)域、不同類型礦山廢渣堆的調(diào)查和勘查結(jié)果進行分析，研究廢渣堆組成粒組、廢渣堆堆高與廢渣堆邊坡天然休止角的關系，以及廢渣堆堆積過程中的分選作用對廢渣堆邊坡穩(wěn)定性的影響和對邊坡破壞形式的影響，為廢渣堆合理堆放和治理提供一定的參考。

1 廢渣堆基本特性概況

廣義的礦山廢渣堆是指在礦山生產(chǎn)過程中將采礦區(qū)域的表層剝離物、井巷開挖掘進過程中的廢石、礦體圍巖、選礦廢棄石渣等廢棄堆積物，小型礦山大多沿采場或巷硐坑口就近自然堆積[2]，部分大型礦山建有專門的排土場、堆渣場和尾礦庫，本處主要針對小型礦山的采礦廢棄物堆積體進行研究，本文研究的廢渣堆為采礦活動中產(chǎn)生的復合散體廢棄物堆積體[3]。

根據(jù)大量的調(diào)查，本文選取陜南地區(qū)典型的18處非煤礦山廢渣堆進行研究，各廢渣堆的基本特征見表1，各廢渣堆分布位置及編號見圖1， 4處典型廢渣堆的形態(tài)特征見圖2～圖5。

表1 廢渣堆基本特征一覽表

2 廢渣堆結(jié)構(gòu)組成特征和邊坡形態(tài)發(fā)育特征

2.1 廢渣堆級配與坡度組合關系

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于高度基本相同但顆粒組成不同的廢渣堆，天然休止角存在一定的差異，通過對各廢渣堆顆粒組成進行分析，繪制出廢渣級配曲線(見圖6)，計算出各廢渣堆不均勻系數(shù)，并與其對應廢渣堆的坡度進行比對，繪制出不均勻系數(shù)Cu與天然休止角的關系曲線(見圖7)。

由級配曲線、不均勻系數(shù)Cu與天然休止角的關系曲線圖可以看出，廢渣堆的級配曲線傾角越緩，天然休止角越大，尤其是小于2.0 mm的顆粒越多，天然休止角的坡度增加較多，反映出級配越好、細顆粒越多，廢渣堆邊坡的穩(wěn)定性越好[4]。

2.2 廢渣堆高度與坡度組合關系

根據(jù)廢渣堆基本特征一覽表(表1)可以看出，廢渣堆在顆粒組成和級配基本相同的條件下(同一類型廢渣堆)，邊坡坡度隨著廢渣堆的高度增加而變小，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律關系，將4種不同主要顆粒組成類型的廢渣堆(類型1：塊碎石型廢渣堆，包括FD12、FD14、FD16、FD18四個樣本；類型2：碎石、角礫型廢渣堆，包括FD4、FD3、FD3三個樣本；類型3：碎石、角礫、礦砂型廢渣堆，包括FD10、FD1、FD11三個樣本；類型4：碎石、黏性土型廢渣堆，包括FD8、FD7、FD17三個樣本)根據(jù)高度與其天然休止角的對應關系繪制關系曲線，得到的關系曲線見圖8。

圖1 18處廢渣堆的分布位置及編號Fig.1 The location and number of 18 slag dumps

圖2 廢渣堆(FD1)Fig.2 The #1 slag dump(FD1)

圖3 廢渣堆2(FD2)Fig.3 The #2 slag dump(FD2)

圖4 廢渣堆3(FD7)Fig.4 The #3 slag dump(FD7)

圖5 廢渣堆4(FD12)Fig.5 The #4 slag dump(FD12)

圖6 廢渣堆級配曲線與天然休止角的關系(FD1、FD2、FD15)Fig.6 The relationship between the gradation curve and the natural repose angle of the slag dump(FD1、FD2、FD15)

圖7 不均勻系數(shù)Cu與天然休止角的關系(FD1、FD2、FD15)Fig.7 The relationship between nonuniform coefficient Cu and natural repose angle(FD1、FD2、FD15)

圖8 各類型廢渣堆高度與天然休止角關系曲線Fig.8 The relationship between the height of different slag dump and natural response angle

通過廢渣堆高度與天然休止角關系曲線可以看出，各類型廢渣堆在堆高小于10.0 m以前，廢渣堆天然休止角隨著高度變化顯著，10.0～20.0 m，變化幅度較小，其中塊碎石類型的廢渣堆變化相對于其它廢渣堆變化幅度較大，20 m以后廢渣堆的坡度變化較明顯。

2.3 廢渣堆高度與顆粒分選的關系

廢渣堆在堆積過程中，隨著高度的增加，在傾倒過程中有顆粒運動現(xiàn)象，由于顆粒大小存在一定的差異，因此在渣堆邊坡由上至下出現(xiàn)顆粒分選現(xiàn)象，一般規(guī)律為粗顆粒經(jīng)運動分選后在下部堆積較多[5]，而上部主要為細顆粒，顆粒組成與廢渣深度、高度的關系見圖9、圖10。

圖9 廢渣堆頂部、底部顆粒粒組分布曲線圖(FD9、FD11)Fig.9 The distribution of particles at the top and bottom of slag dump(FD9、FD11)

圖10 各粒組隨高度變化曲線圖(FD11)Fig.10 Variation of soil fractions with altitude(FD11)

根據(jù)圖9、圖10可以看出，廢渣堆的各礫組[6]含量隨著廢渣堆高度的變化呈現(xiàn)出不同的特征，細顆粒多分布于上部和中部，粗顆粒分布于中、下部，當坡度小于10.0 m時，上、中、下礫組變化較小，大于10 m后礫組變化明顯，粗顆粒在下部堆積較多，大于20 m后下部大部分為粗顆粒，細顆粒含量很少，同時反映出坡度越高，顆粒的分選特征越明顯，上下礫組差異越大。

3 廢渣堆邊坡破壞特征與穩(wěn)定性分析

根據(jù)調(diào)查，由于內(nèi)部滑動面出現(xiàn)在邊坡的不同位置[7]，廢渣堆的主要破壞方式包括2種，第一種為由上緣產(chǎn)生平行坡面的橫向破裂面，逐漸貫通并向坡面外側(cè)位移，在降雨等不利工況作用下產(chǎn)生滑移，下部破裂面一般位于坡體1/3～1/2處，類似于推移式滑坡(<10 m)。第二種為沿邊坡中下部破壞的形式，上部破裂面距離坡頂1/3～1/2處，在不利工況下沿內(nèi)部剪裂面滑移凸出，上緣形成弧形凹窩，類似于牽引式滑坡(>10 m)。兩種破壞形式見圖11、12。

圖11 推移式破壞Fig.11 Translation failure

圖12 牽引式破壞Fig.12 Traction failure

采礦廢棄堆積體呈散體狀，結(jié)構(gòu)松散，一般將其視為理想的松散介質(zhì)沒有黏結(jié)力，但隨著時間的推移，經(jīng)過壓實或膠結(jié)使堆積體具有一定的黏結(jié)力，它主要決定于細顆粒(2 mm以下)含量的大小，細顆粒充填到粗大之間的孔隙中經(jīng)過壓實后改變了原來松散體的性質(zhì)。內(nèi)摩擦角與巖土性質(zhì)及塊度組成有關，粗顆粒含量高，組成骨架的剛性提高，顆粒同摩擦力占主導地位，φ值增大；反之，細顆粒含量增大，φ值便減小，但黏結(jié)力增大。當廢渣堆高度較大時，下部堆集的粗顆粒礦渣不含細顆粒和其它黏結(jié)性材料，故黏結(jié)力為零，但內(nèi)摩擦角較大，接近或等于廢渣堆的天然休止角。

根據(jù)瑞典條分法，將廢渣體視為完全無黏結(jié)的松散體[8]，采用自動搜索滑裂面的方法對邊坡進行分析，計算出的潛在滑動面為連通坡頂和坡底的弧線(圖13)，與現(xiàn)場調(diào)查的破壞情況存在一定的差異。通過分析，主要是未考慮廢渣的黏結(jié)力，將廢渣體視為有弱黏結(jié)性的堆積體后，潛在滑動面見圖14。

圖13 無黏結(jié)廢渣堆邊坡計算簡圖Fig.13 Calculation diagram of unbonded slag dump

圖14 弱黏結(jié)廢渣堆邊坡計算簡圖Fig.14 Alculation diagram of weak bonded slag dump

通過計算簡圖和現(xiàn)場調(diào)查分析可以看出，當廢渣堆高度小于10.0 m時，廢渣堆邊坡的破壞形態(tài)與考慮黏結(jié)性的計算結(jié)果接近，顯示出堆積體未出現(xiàn)明顯的分選性質(zhì)，具有粘性特征，在降雨工況下，黏聚力降低較快，出現(xiàn)中上部滑坡現(xiàn)象；當廢渣堆高度大于10.0 m時，廢渣堆邊坡的破壞形態(tài)與不考慮黏結(jié)性的計算結(jié)果接近，顯示出由于堆積體高度大，在堆積過程中出現(xiàn)明顯的分選性質(zhì)，下部堆積體以粗粒為主，基本不具黏結(jié)力，在降雨工況下，摩擦力降低，出現(xiàn)中下部滑坡現(xiàn)象。

4 廢渣堆邊坡穩(wěn)定敏感性分析

在顆粒組成和物理力學性質(zhì)相同的條件下，廢渣堆邊坡的穩(wěn)定性主要受高度和坡度限制，高度越大，穩(wěn)定性越差[9]。同時，坡度越陡，邊坡穩(wěn)定性也越差。根據(jù)調(diào)查，廢渣堆一般高度為5.0～40.0 m，坡度20°～45°[10]，因此分別計算不同高度和不同坡度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關系，采用圓弧滑動法[11]進行計算，計算工況為天然狀態(tài)，以碎石、角礫、礦砂型廢渣堆為例，選用相同的物理力學參數(shù)，得出的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與高度變化關系曲線見圖15，與坡度關系曲線見圖16。

圖15 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡高度變化曲線圖Fig.15 Variation of slope stability coefficient with slope height

圖16 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡坡度變化曲線圖Fig.16 Variation of slope stability coefficient with slope gradient

由邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與邊坡高度、坡度的關系曲線圖可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)隨坡度的增加而降低的幅度較大，穩(wěn)定性系數(shù)隨高度增大而降低的幅度相對較小，因此坡度對廢渣堆邊坡的穩(wěn)定性影響更為敏感。同時由關系曲線圖反映出<10.0 m的邊坡整體穩(wěn)定性降低幅度較>10.0 m的大，45°坡度的邊坡高度大于5.0 m即不穩(wěn)定。

5 結(jié)論

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，陜南非煤礦山廢渣堆在顆粒組成分布、邊坡形態(tài)特征、邊坡變形破壞機理和穩(wěn)定性主要影響因素等方面具有以下特點：

(1)廢渣堆顆粒組成級配越好，廢渣堆的天然休止角越大。

(2)廢渣堆在堆積過程中具有分選性質(zhì)，>10.0 m的邊坡分選性較強，<10.0 m的邊坡相對較弱。

(3)廢渣堆堆高小于10.0 m，天然休止角隨高度變化顯著；堆高10.0～20.0 m，變化幅度較小，其中塊碎石型廢渣堆的變化相對于其它類型廢渣堆變化幅度大。

(4)<10.0 m的廢渣堆邊坡以推移式破壞類型為主，廢渣具有黏結(jié)性質(zhì)，>10.0 m的邊坡以牽引式破壞類型為主，主要由于廢渣分選后邊坡中下部顆?；静痪唣そY(jié)性。

(5)在物理力學性質(zhì)基本相同的條件下，廢渣堆邊坡的穩(wěn)定性受坡度影響較高度更為敏感。