七寶山金礦排土場穩(wěn)定性分析

孟中華，郝立輝，鄒 平，劉正宇，李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012； 2.五礦有色金屬股份有限公司，北京 100044； 3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 前 言

七寶山金礦排土場自1993年至今，未在該排土場進(jìn)行過排放。該排土場面積約8.4×104m2，排土場最高標(biāo)高為+201 m，有+166，+195 m兩個臺階。其東側(cè)和北側(cè)高度達(dá)40 m，南側(cè)和西側(cè)的高度為20 m。沿東側(cè)+150 m標(biāo)高起設(shè)有運(yùn)輸?shù)乐疗马?，東側(cè)下為堯頭河，西南側(cè)靠近七寶山露天坑。為了進(jìn)一步了解排土場的穩(wěn)定情況和其對西南側(cè)露天采坑邊坡的影響，需要對該排土場的穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

區(qū)域地形東高西低、南高北低，山丘連綿，沖溝發(fā)育，多呈樹枝狀。區(qū)域內(nèi)最高處七寶山海拔高程+275.5 m，最低處濰河河床海拔高程+105.80 m。丘陵高程一般為+160～+200 m，大部分基巖裸露，為風(fēng)化剝蝕低山丘陵地貌形態(tài)。

1.2 區(qū)地層

礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為白堊系，次為第四系。白堊系由青山群組成。青山群為一系列陸相火山噴出巖，巖性為安山質(zhì)火山巖及碎屑沉積巖。青山群地層走向北東50°，傾向北西，傾角10°～30°。

1.3 構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，規(guī)模較大的有七寶山北北東向隱伏斷裂(F2)、杏山峪NE向斷裂(F3)和杏山峪NW向斷裂(F4)，規(guī)模較小的次級斷層以NE和NW向為主。

1.4 地表水系

區(qū)內(nèi)河流主要為泉河的支流堯頭河和長老莊河。兩河分別位于礦區(qū)東、西兩側(cè)，屬季節(jié)性河流。堯頭河發(fā)源于礦區(qū)南部丘陵區(qū)，全長9 km，流域面積22 km2，由南向北經(jīng)礦區(qū)東部向北注入礦區(qū)東北2 km處的墻夼水庫，平時流量小，旱季干涸；長老莊河發(fā)源于礦區(qū)西南部丘陵區(qū)，由南向北經(jīng)礦區(qū)西部向北徑流，在礦區(qū)北部向東匯入堯頭河，平時干涸，只在汛期短時有水。

2 散體物理力學(xué)性質(zhì)試驗及參數(shù)的確定

排土場散體巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗包括現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗兩種，現(xiàn)場試驗包括散體巖土的容重、含水量、塊度組成、自然安息角等參數(shù)的測試；室內(nèi)實驗主要是對粒徑<5 cm的散體巖土進(jìn)行大型直剪試驗。綜合實驗結(jié)果從而求得排土場散體巖土的強(qiáng)度參數(shù)c、φ值。

2.1 排土場散體成分

(1) 土體。礦區(qū)第四系為沖洪積、坡洪積物。沖洪積粉質(zhì)粘土、砂礫主要分布于露天采場東南河谷兩側(cè)；坡洪積紅色粘土夾鐵質(zhì)角礫巖主要分布于山坡中下部，厚度一般小于1 m且部分被基巖露頭阻隔，分布不連續(xù)。

(2) 巖體。礦山開采剝離的安山玢巖、閃長玢巖、角礫巖巖塊，其中安山玢巖為堅硬巖，閃長玢巖堅硬-較堅硬巖，角礫巖較堅硬巖。

2.2 排土場巖土塊度分布的試驗方法

(1) 制定七寶山金礦排土場巖土塊度分布規(guī)律的研究方案如圖1所示。

圖1 排土場巖土塊度分布規(guī)律研究方案

(2) 采用有篩分法和直接量測法確定七寶山排土場巖土塊度分布。對現(xiàn)場挖掘的標(biāo)準(zhǔn)坑內(nèi)采集的試樣進(jìn)行初分，其粒徑尺寸較大(≥200 mm)的巖塊直接量測其尺寸；粒徑尺寸較小(<200 mm)的巖塊運(yùn)至實驗室，由一套孔徑不同的篩子進(jìn)行篩分，并稱量每一級的篩余量，計算出各級篩余量或各粒級組的含量。測得的散體巖土塊度分布如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場P-3樣坑散體巖土顆粒大小分配

(3) 排土場自然安息角測量。采用平直寬木板(寬約30 cm，長約300 cm)和羅盤對七寶山金礦排土場邊坡自然安息角進(jìn)行測量，共測量的邊坡自然安息角數(shù)據(jù)32個，其中排土場東側(cè)邊坡上部10個，排土場東側(cè)邊坡下部16個，排土場西南側(cè)邊坡6個。經(jīng)計算，該排土場自然安息角為37°。

2.3 直剪試驗

采用中科院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的應(yīng)變控制式大型室內(nèi)、現(xiàn)場兩用直剪裝置(壓力傳感器量程、精度為200 kN/0.02 kN，位移傳感器量程、精度為100 mm/0.0002 mm)對七寶山排土場粒徑小于5 cm的散體巖土樣品(取樣量775 kg)進(jìn)行室內(nèi)實驗。試驗時，分別按200，400，600 kPa和800 kPa四級荷載進(jìn)行直剪試驗，部分試驗剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系、峰值剪應(yīng)力與正應(yīng)力曲線如圖3、圖4所示。

2.4 排土場散體巖土測試數(shù)據(jù)分析及參數(shù)的確定

2.4.1 計算c、φ值

根據(jù)排土場塊度分布的實測資料和實驗室剪切試驗結(jié)果(c及φ)，計算出內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力隨排土場不同高度的變化。即已知細(xì)顆粒巖土的剪切結(jié)果(c及φ)和細(xì)粒級在不同層位上的分布規(guī)律，再按顆粒組成對c和φ的相關(guān)曲線分析計算不同級配物料(細(xì)粒級和大塊各占的比例)的c和φ。根據(jù)細(xì)粒級巖石的抗剪試驗的粘結(jié)力c，計算某位置處混合粒級的粘結(jié)力ci：

chi=cMhi×aMhi

(1)

式中，chi為坡頂值hi處混合粒級巖石的粘結(jié)力；cMhi為hi處細(xì)粒級巖石的粘結(jié)力；aMhi為hi處細(xì)粒級占的比例。

同理，已知細(xì)粒級的內(nèi)摩擦角可以計算混合粒級巖石的內(nèi)摩擦角φk：

tanφhi=tanφk-(tanφk-tanφMhi)aMhi

(2)

式中，φk為大塊巖石的內(nèi)摩擦角，等于其自然安息角；φMhi為hi處細(xì)粒級巖石內(nèi)摩擦角。

根據(jù)散體巖土現(xiàn)場測試結(jié)果和<5 cm粒徑室內(nèi)直剪試驗的成果，并按式(1)、式(2)計算混合粒級散體巖土的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

圖3 位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線

圖4 直剪峰值剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系

2.4.2 排土場巖土體物理力學(xué)參數(shù)確定

參考上述散體的力學(xué)參數(shù)試驗研究成果，以及前期邊坡穩(wěn)定性研究的成果，并采取工程類比的方式，確定該排土場巖土體力學(xué)參數(shù),如表2所示。

3 排土場穩(wěn)定性極限平衡分析

考慮七寶山金礦角巖與南坑排土場邊坡潛在滑面的形狀問題，采用的極限平衡法分析方法,主要包括：基于滑面是圓弧形狀的簡化Bishop(畢曉普)法、基于滑面是任意形狀的摩根斯坦-普賴斯法(Morgen-Prince)方法。

表1 排土場混合粒級散體巖土物理力學(xué)參數(shù)計算

表2 排土場邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.1 滑動模式與滑面的確定

(1) 滑動模式。排土場物料來源于受隱爆角礫巖筒控制的礦巖，主要是安山玢巖、閃長巖、閃長玢巖及角礫巖等，所以排土場內(nèi)部廢石的潛滑面為圓弧型滑面或其它光滑曲面；排土場地基表層為第四系碎石土層，強(qiáng)度低，地形坡度較陡，加之排土場為高邊坡，散體巖土厚度大,所以排土場存在沿基底接觸面滑坡的可能；排土場地基含有較軟弱的地層或弱面時，由于軟弱層強(qiáng)度或承載能力較低，在排土場散體巖石載荷或雨水等因素作用下易產(chǎn)生地基沉降和差異沉降，地基底鼓和滑動，從而產(chǎn)生沿軟弱地基的滑坡。

(2) 滑面。在一定的強(qiáng)度指標(biāo)和滑動模式下，實際發(fā)生破壞的滑動面必定為安全系數(shù)最小的潛在滑動面，因此，采用極限平衡法研究邊坡的穩(wěn)定性時，潛在滑面的確定是關(guān)鍵。本次分析采用加拿大的巖土工程軟件，由程序按給定的滑動模式自動搜索確定出潛在滑動面。

3.2 分析剖面及選取力學(xué)參數(shù)

(1) 確定分析剖面。分別在93排土場邊坡內(nèi)不同的方向切取7條有代表性的剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分別為沿不同方向的1，2，3，4剖面及A0，A1，A2剖面，如圖5所示。

(2) 地震的影響。七寶山金銅礦所屬地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007)，對于垂直設(shè)計地震加速度參數(shù)可以采用水平設(shè)計地震加速度參數(shù)的1/3，則地震影響系數(shù)。

(3) 地下水的作用。排土場位于當(dāng)?shù)氐那治g基準(zhǔn)面以上，僅考慮降雨的影響。

(4) 排土場邊坡體受力分析方案。自然工況：自重狀況；校核地震工況：自重+地震狀況；校核降雨工況：按飽水強(qiáng)度。

(5) 許用安全系數(shù)的選取。依照《有色金屬礦山排土場設(shè)計規(guī)范》(GB 50421-2007)，結(jié)合排土場邊坡的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、場地工程地質(zhì)勘察成果和排土場服務(wù)年限，確定的許用安全系數(shù)[K]為：正常工況—自重[K]=1.15～1.20；校核工況—地震或降雨[K]=1.10～1.05；若分析剖面計算所得的安全系數(shù)K>[K]時，邊坡穩(wěn)定；若1

圖5 排土場現(xiàn)分析剖面

3.3 極限平衡分析的計算結(jié)果

因為簡化Bishop法分析圓弧型滑動時精度高且計算速度快，最能反映邊坡穩(wěn)定性的實際狀態(tài)，故此次將Bishop法作為邊坡圓弧型滑動時分析計算的主要方法；非圓弧型滑動時，將Morgenstern-Price法作為邊坡穩(wěn)定性分析計算的方法。計算結(jié)果見表3及圖6。

表3 排土場邊坡穩(wěn)定性的安全系數(shù)計算結(jié)果

分析結(jié)果表明：

(1) 自然工況Ⅰ下，排土場邊坡的安全系數(shù)滿足許用安全系數(shù)的要求，排土場邊坡是穩(wěn)定的；

(2) 在地震與降雨的校核工況下，各剖面除2-2剖面稍低外，其他剖面的的安全系數(shù)滿足許用安全系數(shù)的要求，排土場邊坡是穩(wěn)定的；

(3) 2-2′剖面的排土場邊坡中間所留的平臺寬度偏小，致使邊坡的安全系數(shù)偏低，適當(dāng)條件下應(yīng)加寬平臺的寬度達(dá)10～15 m；

(4) A0，A1，A2剖面各工況條件下的安全系數(shù)滿足許用安全系數(shù)的要求，邊坡是穩(wěn)定的。

4 結(jié) 論

(1) 通過散體巖土的現(xiàn)場與室內(nèi)試驗、邊坡自然安息角的測量以及與前人研究成果的對比分析，確定了排土場巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，并應(yīng)用于排土場邊坡穩(wěn)定性分析中；

(2) 確定了排土場邊坡的滑動模式可能為圓弧型滑動或沿廢石與地基的接觸面滑動；

(3) 采用極限平衡分析方法對三種受力工況情況下的排土場現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：各剖面的的安全系數(shù)滿足許用安全系數(shù)的要求，目前現(xiàn)狀排土場邊坡是穩(wěn)定；

(4) 2-2′剖面的排土場邊坡中間所留的平臺寬度偏小，致使邊坡的安全系數(shù)偏低，適當(dāng)條件下應(yīng)加寬平臺的寬度達(dá)10～15 m；為確保礦山的安全開采，需對露天坑側(cè)排土場邊坡加強(qiáng)支擋，消除排土場邊坡崩塌滾石對露天坑安全生產(chǎn)的威脅。