四川省紅山鐵礦廢石堆積體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)及防治對(duì)策建議

趙仕權(quán)

(四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610061)

紅山鐵礦采礦歷史悠久,礦山開(kāi)采過(guò)程中對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞,引發(fā)了地形地貌與土地資源破壞,水土環(huán)境污染,廢石堆積占用土地資源等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,尤以廢石堆積體潛在的破壞變形危害最大,根據(jù)礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境與廢石堆特征,在分析其破壞模式進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,提出了防治對(duì)策建議,從而達(dá)到消除礦渣堆潛在變形地質(zhì)災(zāi)害隱患[1]。

1 礦山開(kāi)發(fā)歷史及現(xiàn)狀

紅山鐵礦始建于1985年,自建礦以來(lái),露天開(kāi)采共剝離出100.7×104m3廢石,其中部分用于采坑回填,地下采場(chǎng)及井巷施工共產(chǎn)生廢石16.03×104m3,其中大部分用于回填采空區(qū),僅有少量運(yùn)出地表,選礦廠粗選廢石11.43×104m3。除去用于回填采空區(qū)廢石外,堆砌于地表廢石量仍達(dá)86.26×104m3?，F(xiàn)礦山開(kāi)采已全面轉(zhuǎn)入地下坑采,僅有小規(guī)模的零星露天開(kāi)采。

目前,在礦區(qū)共計(jì)形成了5處廢石堆,由于廢石堆不規(guī)范堆放,造成了生態(tài)環(huán)境破壞及潛在次生地質(zhì)災(zāi)害。

2 各廢石堆基本特征

1#廢石堆堆積方量54.9×104m3,堆積厚度約15 m,堆積體主要為碎塊石土,稍—中密狀,其堆積區(qū)原始斜坡坡度較緩(即堆積體與原始地面接觸界面,一般坡度20°～25°),整體穩(wěn)定性較好。其變形破壞特征主要表現(xiàn)為雨季洪水沖刷下,因填方邊坡高陡,局部發(fā)生小規(guī)?；蚶殉料葑冃?。其危害對(duì)象主要為礦山公路,影響礦山的正常生產(chǎn),另外,如果發(fā)生集中降雨,還可能引發(fā)坡面泥石流,危及斜坡下方8戶農(nóng)戶43人安全。

2#廢石堆堆積方量3.5×104m3,堆積厚度約12 m,堆積體主要為碎塊石土,松散狀,其變形特征也主要為邊坡前緣礦山公路內(nèi)側(cè)填方邊坡局部滑塌變形。其危害對(duì)象主要為礦山公路,影響礦山的正常生產(chǎn),另外,如果發(fā)生集中降雨,還可能引發(fā)小規(guī)模坡面泥石流,危及斜坡下方2戶農(nóng)戶10人安全。

3#廢石堆堆積方量2.0×104m3,堆積厚度約6 m,4#廢石堆3.2×104m3,堆積厚度約8 m,2處堆積體主要為碎塊石土,松散狀,其變形特征主要為邊坡前緣填方邊坡局部滑塌變形。堆積體前緣為沖溝,在雨季洪水沖刷掏蝕作用下可能出現(xiàn)滑塌加劇的現(xiàn)象,并可能被溝水沖下引發(fā)局部的泥石流災(zāi)害,對(duì)下游礦區(qū)公路、農(nóng)田、采礦平硐等造成較嚴(yán)重的威脅。

5#廢石堆堆積方量6.93×104m3,堆積厚度約7 m,堆積體為碎塊石土,松散狀,其變形特征也主要為邊坡前緣填方邊坡局部滑塌變形,在雨季洪水沖蝕下部分可能被洪水沖下引發(fā)局部的泥石流災(zāi)害,對(duì)下游農(nóng)田和溝道附近的12戶農(nóng)戶61人造成較嚴(yán)重的威脅。其廢石堆堆積特征及威脅對(duì)象見(jiàn)典型照片1- 4。

照片1 1#廢石堆堆積特征Photo 1 Accumulation characteristics of No.1 waste rock heap

照片2 5#廢石堆堆積特征Photo 2 Accumulation characteristics of No.5 waste rock heap

照片3 5#廢石堆危及下游農(nóng)戶和耕地Photo 3 No.5 waste rock heap endangers downstream farmersand cultivated land

照片4 4#廢石堆危及礦區(qū)公路Photo 4 No.4 waste rock heap endangers road in mining area

3 廢石堆穩(wěn)定性計(jì)算和評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)原則和方法

各廢石堆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在野外勘查認(rèn)真調(diào)查其變形破壞跡象、堆積體形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、堆積體下伏巖土體結(jié)構(gòu)特征等的基礎(chǔ)上,測(cè)繪各堆積體典型代表性剖面,建立穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型,確定計(jì)算工況,選擇合理的計(jì)算參數(shù)。

根據(jù)野外勘查取得的資料,各廢石堆可能的變形破壞模式主要為兩種：第一種是沿與原始地面的接觸界面發(fā)生滑移變形；第二種是邊坡前緣的局部滑塌變形。

對(duì)第一種變形主要采用不平衡傳遞系數(shù)法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià),對(duì)第二種變形則主要通過(guò)類(lèi)比相似礦山廢石堆積穩(wěn)定休止角的情況進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[2]。

穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式：

(1)

剩余下滑力計(jì)算公式：

Pi=Pi-1ψi-1+Fst·Ti-Ri

其中：Ri=(Wicosαi-Fsinαi)tanφi+CiLi；

Ti=Wisinαi+Fcosαi；

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1；

Wi=γ·si；

F=AWi/g。

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；Fst為滑坡穩(wěn)定性安全系數(shù),取1.05；Wi為第i塊段滑體所受的重力(kN/m)；Ri為作用于第i塊段的抗滑力(kN/m)；Ti為作用于第i塊段的滑動(dòng)分力(kN/m)；Ci為第i塊段土的粘聚力(kPa)；φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角(°)；ψi為第i條塊剩余下滑力傳遞至i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i時(shí))；αi為第i條塊滑面傾角(°)；γ為土體的天然重度(kN/m3)；si為第i塊段斷面積(m2)；Li為第i塊段滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m);F為地震力(kN/m)；A為地震加速度(m/s2)；g為重力加速度(取g=9.81 m/s2)。

3.2 計(jì)算參數(shù)和工況的確定

據(jù)紅山鐵礦的勘查資料,鐵礦石的重度一般為38 kN/m3左右,而圍巖重度一般為30.4 kN/m3左右,但堆積體孔隙度一般較大,綜合取天然重度18.3 kN/m3、飽和容重20.5 kN/m3。

其抗剪強(qiáng)度的確定主要參照鄰近相似礦山實(shí)驗(yàn)成果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值和反算值綜合確定。

根據(jù)上述情況,綜合確定的各堆積體潛在滑移面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值詳見(jiàn)表1。

表1 各廢石堆穩(wěn)定性計(jì)算采用抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of shear strength parameters is used forstability calculation of waste rock piles

3.3 計(jì)算工況的確定

根據(jù)堆積體可能發(fā)生整體失穩(wěn)滑移破壞的可能條件,本次計(jì)算選擇四種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和評(píng)價(jià)：工況Ⅰ為自然工況,工況Ⅱ?yàn)椴糠诛査r,工況Ⅲ為地震工況,工況Ⅳ為部分飽水+地震工況。

3.4 穩(wěn)定性計(jì)算模型的確定

由于各廢石堆成分均為松散的碎塊石堆積,其孔隙度大,屬透水而不含水的地層,而下部原始坡面的殘坡積土屬相對(duì)隔水的地層,降雨入滲易于沿此接觸面徑流,因而該面也是堆積體下部最軟弱的界面和最可能發(fā)生破壞的潛在滑移面,因而各廢石堆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)均以此面為潛在滑移面建立計(jì)算模型(圖1)。

圖1 廢石堆典型滑面穩(wěn)定性計(jì)算條分圖Fig.1 Slice diagram for stability calculation oftypical sliding surface of waste rock heap

3.5 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)計(jì)算參數(shù)、計(jì)算工況和計(jì)算模型,計(jì)算求得各廢石堆穩(wěn)定性系數(shù)，詳見(jiàn)表2。

3.6 廢石堆整體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

如表2,各廢石堆天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.592～3.342,飽水工況下為1.202～2.342,地震工況下為1.511～2.979,飽水+地震工況下為1.141～2.093,可見(jiàn)各礦石堆整體穩(wěn)定性均較好,處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 各廢石堆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of stability calculation results of waste rock piles

地震狀態(tài)；工況Ⅳ為部分飽水+地震狀態(tài)。

同時(shí),對(duì)比各廢石堆穩(wěn)定系數(shù)可見(jiàn),以3#廢石堆穩(wěn)定性最差,5#廢石堆上部堆積體次之,規(guī)模最大的1#廢石堆穩(wěn)定性再次,而5#廢石堆下部的堆積體穩(wěn)定性最好。通過(guò)這些穩(wěn)定性對(duì)比,在以后礦山生產(chǎn)中,切忌對(duì)這些穩(wěn)定性相對(duì)較差的堆積體進(jìn)行坡腳開(kāi)挖等破壞活動(dòng),否則可能引發(fā)其發(fā)生整體滑移破壞。

基于上述對(duì)各廢石堆穩(wěn)定性的基本認(rèn)識(shí),其礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程中主要應(yīng)采取以保護(hù)為主的措施。

3.7 前緣填方邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

廢石堆前緣填方邊坡的穩(wěn)定性與邊坡的高度和坡度有關(guān),在一定高度條件下,當(dāng)坡度小于廢石堆穩(wěn)定休止角時(shí),可認(rèn)為其基本穩(wěn)定,否則就可能出現(xiàn)不同程度的滑塌變形。邊坡穩(wěn)定休止角主要與邊坡高度、廢石堆的成分、顆粒粒徑和形態(tài)特征等有關(guān)。

1#廢石堆規(guī)模最大,邊坡高度也最大,這是不利于邊坡穩(wěn)定的因素。廢石堆物質(zhì)成分復(fù)雜,含有露天開(kāi)采剝離的表土和礦體頂?shù)装鍘r石、礦體內(nèi)夾石等,因含有一定的土質(zhì)成分,具有一定的內(nèi)聚力,坡體上局部覆蓋有粘性土夾碎塊石并恢復(fù)了一定的植被,這些因素對(duì)邊坡的穩(wěn)定有利。邊坡坡度一般36°～38°,在自然狀態(tài)下基本接近穩(wěn)定休止角,因而是基本穩(wěn)定的,但從目前該邊坡在降雨沖刷及地震作用下仍有局部滑塌等現(xiàn)象分析,在不利條件下其穩(wěn)定休止角可能更小。

2#～4#廢石堆規(guī)模均較小,邊坡高度不大,且堆積體組成成分復(fù)雜,顆粒粒徑懸殊,碎塊石多呈棱角狀,對(duì)邊坡的穩(wěn)定有利。但物質(zhì)成分幾乎以碎塊石為主,所含粘性土成分很少,堆積體內(nèi)聚力接近于0,為邊坡穩(wěn)定的不利因素。邊坡坡度一般35°～37°,在自然狀態(tài)下基本接近穩(wěn)定休止角,因而是基本穩(wěn)定的,但從目前該邊坡在降雨沖刷及地震作用下仍有局部滑塌等現(xiàn)象分析,在不利條件下其穩(wěn)定休止角可能更小。

5#廢石堆規(guī)模也較大,邊坡高度也較大,且堆積體成分為選廠粗選礦石產(chǎn)生的廢石,組成成分及顆粒大小都較為均勻,這些因素都不利于邊坡的穩(wěn)定,因而其穩(wěn)定休止角相對(duì)較小。該邊坡坡度一般30°,但下部堆積體坡度達(dá)到43°,因而上部堆積體邊坡在自然狀態(tài)下基本接近穩(wěn)定休止角,因而是基本穩(wěn)定的,但從目前該邊坡在降雨沖刷及地震作用下仍有局部滑塌等現(xiàn)象分析,在不利條件下其穩(wěn)定休止角可能更小,而下部堆積體邊坡坡度大于穩(wěn)定休止角,雖其高度很小,但不利條件下邊坡坡面發(fā)生滑塌的可能性仍較大。

綜合上述分析,廢石堆在自然工況下處于基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài),在降雨和地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。各邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)情況詳見(jiàn)表3。

表3 各廢石堆前緣邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一覽表Table 3 List of slope stability evaluation at the front edge of waste rock piles

3.8 變形發(fā)展趨勢(shì)及危害性

由穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果可知廢石堆在自然工況下處于基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài),在降雨和地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。長(zhǎng)期暴雨對(duì)廢石堆的穩(wěn)定性影響較大。根據(jù)目前調(diào)查廢石堆處于整體穩(wěn)定狀態(tài),零星的前緣邊坡局部滑塌主要發(fā)生在暴雨與連續(xù)降雨期間,與計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合,廢石堆多順坡分布,前緣臨近溝谷,組成物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,滲透性強(qiáng),表部植被稀少,坡面及其上部周邊無(wú)排水措施,在暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨作用下,水流下滲,軟化土體使其強(qiáng)度降低,重度增加。在前緣坡腳溝谷水流沖刷掏蝕、降雨以及人類(lèi)工程活動(dòng)等不利因素組合疊加影響下,存在發(fā)生較大規(guī)模變形的可能。根據(jù)廢石堆形態(tài)與變形特點(diǎn)分析,將來(lái)變形破壞具有牽引式滑移特點(diǎn),即廢石堆前緣邊坡首先產(chǎn)生局部滑塌,進(jìn)而引發(fā)上部坡體產(chǎn)生大規(guī)模的失穩(wěn)滑動(dòng)變形破壞,將直接對(duì)礦區(qū)公路、房屋、農(nóng)戶、土地等造成嚴(yán)重的危害。

4 防治對(duì)策建議

根據(jù)廢石堆整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與變形發(fā)展趨勢(shì)特點(diǎn)及其危害,為了消除地質(zhì)災(zāi)害隱患,改善礦山環(huán)境(結(jié)合建設(shè)綠色礦山的需求),提出以下防治對(duì)策建議[3]。

(1) 加強(qiáng)行政管理,嚴(yán)禁人為開(kāi)挖各廢石堆坡腳、建房加載、后期二次堆積加載等因素,避免引發(fā)各廢石堆整體失穩(wěn)滑動(dòng)破壞。

(2) 對(duì)松散滑塌體進(jìn)行清理。

(3) 在廢石堆頂部修建截排水溝,減少降雨入滲堆積體,提高其穩(wěn)定性。

(4) 針對(duì)各廢石堆前緣邊坡在降雨和地震作用下發(fā)生局部滑塌的變形和危害,在各廢石堆前緣修建擋土墻進(jìn)行支擋。

(5) 在堆積體平臺(tái)上部進(jìn)行場(chǎng)地平整,覆土綠化,恢復(fù)生態(tài),同時(shí)通過(guò)表層覆蓋粘性土的隔水作用減少降雨入滲堆積體。

5 結(jié)論

(1) 1#～5#廢石堆堆積方量較大,形成了高陡填方邊坡,廢石堆物質(zhì)組成成分復(fù)雜,顆粒分布不均勻,結(jié)構(gòu)較松散。在降雨和地震工況下,前緣邊坡局部滑塌,進(jìn)而引發(fā)上部坡體產(chǎn)生大規(guī)模的失穩(wěn)滑動(dòng)變形破壞,將直接對(duì)礦區(qū)公路、房屋、農(nóng)戶、土地等造成嚴(yán)重的危害。

(2) 根據(jù)目前調(diào)查廢石堆處于整體穩(wěn)定狀態(tài),由穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果可知廢石堆在自然工況下處于基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài),在降雨和地震工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 根據(jù)廢石堆形態(tài)與變形特點(diǎn)分析,將來(lái)變形破壞具有牽引式滑移特點(diǎn),即廢石堆前緣邊坡首先產(chǎn)生局部滑塌,進(jìn)而引發(fā)上部坡體產(chǎn)生大規(guī)模的失穩(wěn)滑動(dòng)變形破壞。

(4) 根據(jù)廢石堆整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與變形發(fā)展趨勢(shì)特點(diǎn)及其危害,建議采取加強(qiáng)行政管理、對(duì)松散滑塌體進(jìn)行清理、修建截排水溝、修建擋土墻、覆土綠化相結(jié)合的防治對(duì)策。