綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

劉嘉琪 倪曉陽副教授 王天豪 劉 鵬

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展和生存極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。我國92%的能源和80%的工業(yè)原材料均來自礦產(chǎn)資源，但是尾礦產(chǎn)量也很高，截至2015年全國尾礦總量超過600億噸，且回收率低[1]。我國尾礦的利用率在19%左右，仍然有絕大多數(shù)的尾礦是處于擱置狀態(tài)，廢石和煤矸石等礦渣多采用地表堆積的方式儲(chǔ)存，形成了各種礦渣山這種極不穩(wěn)定的邊坡[2-5]。

目前我國建設(shè)有各類尾礦庫1.2萬多座，其中部分行業(yè)大約44%的尾礦庫處于險(xiǎn)、病或超期服役狀態(tài)[6]。1976年唐山豐南及2008年四川墳川均發(fā)生強(qiáng)烈地震，造成當(dāng)?shù)卦S多尾礦庫均出現(xiàn)了不同程度的坍塌甚至潰壩圈[7]。在竹山縣秦古鎮(zhèn)綠松石4000多年的開采歷史中，當(dāng)?shù)厝说陌踩鷳B(tài)意識(shí)淡薄，綠松石礦山亂采、尾礦亂堆，尾礦廢渣堆砌的土坡隨時(shí)有滑坡的可能[8-9]。當(dāng)?shù)匕踩藛T監(jiān)管不夠，所以該地區(qū)尾礦平臺(tái)是一個(gè)極大的危險(xiǎn)源。

1 綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡存在形式及災(zāi)害原因分析

1.1 綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡的存在形式

通過對(duì)秦古鎮(zhèn)的礦區(qū)地形實(shí)地走訪勘察結(jié)果得知，該地綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡主要由碎石和土組成的土石邊坡，大部分屬于斜坡類尾礦堆場(chǎng)邊坡而少數(shù)屬于溝谷類尾礦堆場(chǎng)邊坡，此兩種相對(duì)平臺(tái)類尾礦堆場(chǎng)邊坡較不穩(wěn)定，更容易發(fā)生災(zāi)害。按形成原因劃分時(shí)，應(yīng)屬于人工邊坡中的礦山邊坡，而按坡度劃分當(dāng)屬陡坡和急坡較多，按坡高來分主要屬于中高和高邊坡[10]。

1.2 綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡災(zāi)害原因分析

造成綠松石尾礦邊坡災(zāi)害的發(fā)生是由很多因素引起的，有可能是單一因素，也有可能是多種因素共同作用導(dǎo)致的失穩(wěn)災(zāi)害發(fā)生。根據(jù)安全系統(tǒng)工程的分析方法，運(yùn)用事故樹分析法對(duì)尾礦堆場(chǎng)邊坡災(zāi)害的原因進(jìn)行分析歸納[11-13]?；臼录?，見表1，事故樹，如圖1。

圖1 綠松石尾礦邊坡失穩(wěn)事故樹Fig.1 Turquoise tailings yard slope instability accident tree

表1 基本事件表Tab.1 Basic events table

進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析的結(jié)果表明，尾礦堆場(chǎng)邊坡的自然因素以及在尾礦傾瀉過程中邊坡自身形成的堆積狀態(tài)是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素，其次考慮管理與制度措施和日?；厥兆鳂I(yè)對(duì)邊坡的擾動(dòng)情況，這與邊坡失穩(wěn)的發(fā)生機(jī)理是基本吻合的。

2 綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡模型建立

2.1 三岔溝綠松石礦區(qū)尾礦堆場(chǎng)邊坡參數(shù)

綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡為三岔溝綠松石礦區(qū)，位于湖北省竹山縣秦古鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)東經(jīng)109°48'27"，北緯 32°27'27"，主要道路為盤山公路。通過對(duì)三岔溝綠松石礦區(qū)實(shí)地探勘得到具體數(shù)據(jù)，見表2。

表2 三岔溝礦區(qū)臺(tái)階測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Sanchagou mine area step measurement data

2.2 仿真模型的建立

根據(jù)邊坡形態(tài)的基本數(shù)據(jù)和巖土力學(xué)性質(zhì)，利用SLⅠDE進(jìn)行建模，根據(jù)邊坡具體數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)比例進(jìn)行建模，建立出三岔溝綠松石礦區(qū)尾礦邊坡的模型，如圖2。

圖2 三岔溝綠松石的尾礦邊坡模型Fig.2 Tailrace slope model of the Sanchagou turquoise mine

3 綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性分析

3.1 安全標(biāo)準(zhǔn)

通過調(diào)查和計(jì)算測(cè)得各礦區(qū)尾礦的總?cè)萘浚頊系V區(qū)尾礦的庫容全部小于100萬m3，參考尾礦庫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于五級(jí)庫。雖然這里的邊坡不是尾礦庫壩坡，但是從安全系數(shù)的角度來講，具有通用的價(jià)值，所以根據(jù)尾礦庫安全系數(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)來確定尾礦堆場(chǎng)邊坡的最小安全系數(shù)。尾礦堆場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)在正常工況下要求大于1.15，在降水暴雨工況下要求大于1.05。

3.2 外加載荷下山體的穩(wěn)定性分析

在礦山開采之前，自然狀態(tài)的山坡假定為均質(zhì)體，通過測(cè)量得到的海拔高度和水平距離確定坡上各點(diǎn)的位置，然后減掉尾礦厚度得到山體的坐標(biāo)。因后期尾礦堆積對(duì)山體形成一個(gè)載荷，在此假定載荷是均布的，在尾礦堆積范圍內(nèi)添加均布載荷，搜索山體最小安全系數(shù)的滑動(dòng)面[15-20]。

因山體為均質(zhì)、單一材料，均布外載荷及地下水的材料工程設(shè)置，因此僅適用于圓弧形滑面分析[21-22]。根據(jù)建立的模型和劃分的圓弧形搜索網(wǎng)格進(jìn)行運(yùn)算并輸出運(yùn)算結(jié)果，得到圖3。

讀取圖3的計(jì)算結(jié)果，并選擇不同的計(jì)算方式再次讀取，可知每種方法計(jì)算得到的最小安全系數(shù)滑面，計(jì)算結(jié)果，見表3。

圖3 三岔溝礦區(qū)山體邊截面模型圓弧滑面搜索結(jié)果Fig.3 Sanchagou mining area mountain side section model of the arc slip surface search results

表3 不同極限平衡條分法求得最小安全系數(shù)Tab.3 Different limit equilibrium method to find the minimum safety factor

對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行概率分析，見表4。

表4 概率分析結(jié)果Tab.4 Probability analysis results

根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)和模擬數(shù)據(jù)分析，因此由表4可知，三岔溝山體是安全的，不易失穩(wěn)的。

3.3 三岔溝綠松石礦區(qū)尾礦堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

3.3.1 非圓弧形滑面搜索

選山體作為承載面，在土壤夾層下邊界設(shè)置承載多線，在上方進(jìn)行非圓弧形滑面搜索，得到圖4。

讀取圖4的計(jì)算結(jié)果，用不同的計(jì)算方式得到最小安全系數(shù)，見表5。

圖4 三岔溝礦區(qū)尾礦臺(tái)階邊坡截面Fig.4 Sanchagou mine tailings slope section

表5 模型優(yōu)化非圓弧滑面計(jì)算結(jié)果Tab.5 Model optimization of non-circular slip surface calculation results

運(yùn)用不同方法對(duì)優(yōu)化的非圓弧形滑面進(jìn)行概率分析，得到的分析結(jié)果，見表6。

表6 不同極限平衡條分法求得概率分析結(jié)果Tab.6 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

通過篩選安全系數(shù)小于1.15的滑面位置可知，處于安全系數(shù)以下的滑面集中在三級(jí)臺(tái)階上，可知三級(jí)臺(tái)階屬于不穩(wěn)定邊坡。但是其他臺(tái)階上同樣存在接近1.15甚至臨界狀態(tài)的滑面，應(yīng)綜合考慮組合型滑面分析。

3.3.2 組合滑面

該尾礦庫堆積體在重力作用下向臨空方向發(fā)生剪切蠕變，造成剪切面上剪應(yīng)力集中，滑面的具體位置主要受最大剪應(yīng)力分布控制[23-25]。邊坡破壞的力學(xué)模式屬于蠕滑-拉裂模式，其滑動(dòng)面應(yīng)進(jìn)一步用組合滑面分析。

修改原模型的外部邊界，將軟弱層的下邊界作為外部邊界進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果，見表7。

表7 不同極限平衡條分法求得最小安全系數(shù)Tab.7 The minimum safety factor resulted from different limit equilibrium method

運(yùn)用不同方法對(duì)組合型滑面進(jìn)行概率分析，得到的分析結(jié)果，見表8。

表8 不同極限平衡條分法求得概率分析結(jié)果Tab.8 Probability analysis resulted from different limit equilibrium method

三岔溝礦區(qū)臺(tái)階第一、二、三、四級(jí)臺(tái)階處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其中不穩(wěn)定的滑面主要分布在邊坡中部。利用優(yōu)化的非圓弧形滑面的最小安全系數(shù)為0.809，概率分析的結(jié)果中失效概率為15.6%；利用組合型滑面分析的最小安全系數(shù)為0.87，概率分析的結(jié)果中失效概率為99.9%。

通過篩選安全系數(shù)小于1.15的滑面位置可知，在四級(jí)臺(tái)階上都存在不穩(wěn)定的滑面，其中以二、三級(jí)臺(tái)階的不穩(wěn)定滑面最多?？芍具吰乱?、二、三、四級(jí)臺(tái)階都是屬于不穩(wěn)定邊坡。

4 結(jié)論

本文以三岔溝綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡為研究對(duì)象，依據(jù)前期實(shí)地勘測(cè)的數(shù)據(jù)，采用極限平衡分析理論和SLⅠDE軟件，對(duì)該礦區(qū)尾礦堆場(chǎng)邊坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

（1）根據(jù)實(shí)地勘測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡的存在形式進(jìn)行劃分，初步總結(jié)了災(zāi)害原因，得出三岔溝綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡大部分屬于斜坡類尾礦堆場(chǎng)邊坡，而少數(shù)屬于溝谷類尾礦堆場(chǎng)邊坡。

（2）綠松石尾礦邊坡本身巖土力學(xué)性能較低，引起失穩(wěn)的基本事件的組合種類非常多，利用事故樹等方法分析了尾礦堆場(chǎng)邊坡發(fā)生災(zāi)害的原因找出造成邊坡失穩(wěn)的主要因素，分別是自然因素以及在尾礦傾瀉過程中邊坡自身形成的堆積狀態(tài)。

（3）利用SLⅠDE軟件對(duì)綠松石尾礦堆場(chǎng)邊坡進(jìn)行建模，研究山體整體和各臺(tái)階的力學(xué)狀態(tài)和穩(wěn)定性。根據(jù)極限平衡理論分析計(jì)算結(jié)果得知，三岔溝礦區(qū)山體是安全不易失穩(wěn)的，但是第一、二、三、四級(jí)臺(tái)階均處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，其中邊坡第二、三級(jí)臺(tái)階的失效概率最大，應(yīng)得到足夠的重視，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的安全治理措施，避免災(zāi)害造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。

在實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)致失穩(wěn)災(zāi)害的因素很多，且多因素的耦合影響更為復(fù)雜，本文利用事故樹的結(jié)構(gòu)重要度對(duì)這些因素進(jìn)行計(jì)算，找出最重要的因素，對(duì)邊坡的研究和治理有重要意義。在分析邊坡穩(wěn)定性方面，與傳統(tǒng)方法不同的是，本文采用計(jì)算機(jī)軟件的輔助模擬了較多工況，并結(jié)合極限平衡理論對(duì)比邊坡的失效概率，提高了研究的精度和廣度，對(duì)類似的山體和巖體力學(xué)的研究提供了更科學(xué)的參考方法。