四川巴中譚家山石灰?guī)r露天礦邊坡安全隱患及處置對(duì)策

柯秋壁，周小平

(1.安徽海螺水泥股份有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.巴中海螺水泥有限責(zé)任公司，四川 巴中 636600)

順層陡傾露天礦高邊坡是我國(guó)西南地區(qū)典型的石灰石礦山邊坡類型之一，由于巖層層面傾向與坡向一致，爆破開挖過程中，常常發(fā)生順層滑塌[1]，因此，其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及邊坡維護(hù)成為了工程中的難點(diǎn)。常來山等[2]利用FLAC2D軟件，對(duì)鞍千礦業(yè)許東溝采場(chǎng)順層層理進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明順層層理大大降低了邊坡穩(wěn)定性，為滑坡提供了地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件；張波等[3]以某大型露天采場(chǎng)西幫邊坡為對(duì)象，基于極限平衡法和FLAC3D數(shù)值模擬，研究了受軟弱結(jié)構(gòu)面控制的高陡邊坡整體和局部的穩(wěn)定性，并提出了防護(hù)建議；楊冠東[4]通過數(shù)值模擬分析了白音華露天礦受斷層控制的順層層狀邊坡穩(wěn)定性及邊坡破壞模式。

上述研究都是針對(duì)實(shí)際工程，研究成果對(duì)工程實(shí)踐有很好的指導(dǎo)意義。本文針對(duì)四川省巴中市南江縣譚家山石灰?guī)r礦順層高陡露天礦邊坡，結(jié)合勘察資料，綜合考慮各種不利因素，采用工程地質(zhì)分析方法，對(duì)邊坡可能的破壞模式進(jìn)行分析，指出礦區(qū)邊坡可能存在的安全隱患，并給出針對(duì)性的措施建議，以提高礦區(qū)安全管理水平。

1 工程概況

巴中譚家山水泥用石灰?guī)r礦礦區(qū)分為東礦區(qū)和西礦區(qū)，以戴家河溝為界，兩礦區(qū)分別位于河溝兩側(cè)。鑒于礦山資源儲(chǔ)量分布的特點(diǎn)，規(guī)劃將東礦區(qū)和西礦區(qū)分為兩期開采，從礦體的賦存深度及剝離量大小看，西礦區(qū)基建剝離量較大，初期投資較多，因此，將東礦區(qū)作為第一期開采。 東礦區(qū)服務(wù)年限為16 a，現(xiàn)正處于開采階段，設(shè)計(jì)邊坡高度約300 m，其中上部燧石灰段邊坡高度約250 m，沿順層面采用自上而下的開采原則，工作臺(tái)階坡角為70°，高度為15 m，安全平臺(tái)寬度為4 m，清掃平臺(tái)寬度為6 m，最終整體邊坡角41.9°。

2 工程地質(zhì)條件及邊坡可能失穩(wěn)模式分析

2.1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)位于漢王山復(fù)式向斜北翼，地層呈陡傾順層單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為傾向326°～349°、傾角44°～74°，由下到上逐漸變緩。礦區(qū)主要的地質(zhì)構(gòu)造為三部分。①褶皺：該向斜規(guī)模較大，總長(zhǎng)55 km，東西走向，核部為三疊系，兩翼依次出現(xiàn)三疊系以下地層，向斜寬闊不對(duì)稱，南翼比北翼緩，北翼70°左右，局部倒轉(zhuǎn)。②斷層：在資源儲(chǔ)量估算范圍內(nèi)，有一條脆性逆斷層(林家河口逆斷層，簡(jiǎn)稱F1)存在，對(duì)礦體形態(tài)及完整性有一定影響。③節(jié)理裂隙：礦區(qū)的節(jié)理裂隙在地形陡峻處較常見，節(jié)理較發(fā)育，經(jīng)溶蝕擴(kuò)大作用，多有夾縫土充填；各組節(jié)理面平整，多閉合，裂隙最大間隙寬0.6 cm，延伸長(zhǎng)3～5 m，個(gè)別大于10 m；山體頂部卸荷裂隙發(fā)育。

礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)主要為志留系中統(tǒng)羅惹群組，二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組，二疊系上統(tǒng)吳家坪組以及少量第四系(Q4)。礦體賦存于棲霞組、茅口組地層中，主要成分為淺灰～深灰色中層～塊狀灰?guī)r，厚度為97.39～246.09 m，強(qiáng)度較高。礦體以吳家坪組燧石灰?guī)r為底板，夾少量灰色中厚層灰?guī)r，厚度大于173.0 m，強(qiáng)度較低，易破碎。礦區(qū)地層及邊坡剖面示意圖見圖1。

礦區(qū)地形有利于大氣降水自然排泄，礦區(qū)中部有條戴家河流經(jīng)，最終匯入南江河，枯水期水流量較小為0.2 L/s，豐水期流量較大為0.8 L/s。由于在資源量估算范圍內(nèi)存在規(guī)模不等的地下溶洞，節(jié)理裂隙有溶蝕加大現(xiàn)象，因此認(rèn)為含礦層屬于巖溶裂隙透水層。

2.2 邊坡可能破壞模式分析

2.2.1 整體分析

由圖1可知，當(dāng)終了邊坡形成后，在高程為1 100 m的位置處為礦體石灰?guī)r初露段，在軟硬巖交界處，可能發(fā)生破壞的情況主要有兩種：①軟硬巖接觸面是滑坡發(fā)生破壞的潛在滑移面[5]，邊坡可能存在沿著不利結(jié)構(gòu)面與軟硬巖接觸面的組合面發(fā)生的整體式前緣滑移(圖2)；②邊坡底部礦體石灰?guī)r強(qiáng)度較高，但上部燧石灰?guī)r強(qiáng)度較低，邊坡可能存在發(fā)生沿礦體石灰?guī)r初露段附近剪出的整體式后緣滑坡(圖3)。

圖1 邊坡剖面示意圖Fig.1 Slope profile diagram

圖2 前緣滑坡Fig.2 Landslide in leading edge

圖3 后緣滑坡Fig.3 Landslide in trailing edge

2.2.2 局部臺(tái)階分析

由于羅惹群組存在于礦山邊坡表層，開挖后隨時(shí)被剝離，第四系(Q4)地層量少且不在資源開采范圍內(nèi)，工作區(qū)段巖體主要為棲霞組、茅口組、吳家坪組?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的棲霞組、茅口組、吳家坪組結(jié)構(gòu)面赤平投影[6]分析結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可知，棲霞組、茅口組中，結(jié)構(gòu)面的傾角和傾向變化很大，面J1～面J5與坡面和層面斜交，構(gòu)成了滑動(dòng)的側(cè)向邊界條件；面J2與坡面和層面傾向和走向斜交，且傾角較陡，邊坡不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生局部平面滑動(dòng)。組合交線BO、CO傾角緩于坡面角，邊坡有沿著BO、CO發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能。由圖5可知，吳家坪組中，面J1與層面和臺(tái)階坡面相交，構(gòu)成了側(cè)向切割面，邊坡可能沿層面發(fā)生順層滑動(dòng)。由于吳家坪組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面較少，因此發(fā)生楔形體的可能性不大。

3 可能出現(xiàn)的邊坡安全隱患

基于以上分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，總結(jié)出礦區(qū)邊坡可能出現(xiàn)的安全隱患如下所述。

1) 由于雨水滲入、爆破振動(dòng)或其他外部因素影響，礦山邊坡下部前緣沿棲霞組、茅口組與吳家坪組交界層面存在發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 由于邊坡上部燧石灰?guī)r強(qiáng)度較低且?guī)r體破碎，邊坡存在發(fā)生沿礦體石灰?guī)r初露段附近剪出的整體式后緣滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

3) 邊坡上部因山體卸荷裂隙發(fā)育，邊坡強(qiáng)度降低，各種外力因素更易深入坡體，因此容易在邊坡上部形成局部滑塌。

4) 隨著礦山開采的逐步進(jìn)行，有可能會(huì)遇到長(zhǎng)大節(jié)理裂隙、軟弱夾層及溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，這些不連續(xù)地質(zhì)構(gòu)造，極易引起邊坡局部失穩(wěn)。結(jié)合前面的赤平投影分析結(jié)果，礦區(qū)臺(tái)階邊坡可能出現(xiàn)的安全隱患主要有單臺(tái)階單面剪切滑動(dòng)、雙面剪切滑動(dòng)和三維楔形體滑動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組合部位較深，并且貫穿坡面時(shí)，很可能發(fā)生組合臺(tái)階雙平面滑動(dòng)破壞(圖6)。

5) 當(dāng)溶洞出現(xiàn)在邊坡不同位置時(shí)(圖7)，可能對(duì)臺(tái)階邊坡帶來不同的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)溶洞淺埋于臺(tái)階下方時(shí)，臺(tái)階可能垮塌，對(duì)臺(tái)階上方的人員、設(shè)備造成安全隱患；當(dāng)溶洞位置內(nèi)移至坡體下方時(shí)，有可能引起坡體的垮塌。

圖4 棲霞組、茅口組赤平投影Fig.4 Stereographic projection of Qixia formationand Moukou formation

圖5 吳家坪組赤平投影圖Fig.5 Stereographic projection of Wujiaping formation

圖6 組合臺(tái)階剪切滑動(dòng)Fig.6 Combined step shear sliding

6) 由于邊坡為順層邊坡，且?guī)r層厚薄不一，爆破作業(yè)很容易損傷坡面淺層層面或坡腳，形成如圖8所示的淺層順層滑動(dòng)。

7) 在邊坡中下部巖層傾角較陡，由于巖層自身的重力作用，或裂隙水的作用，可能出現(xiàn)坡面巖層曲折破壞(圖9)。

以上的基本破壞模式，在同一坡體的發(fā)生、發(fā)展過程中，常常是相互聯(lián)系和相互制約的。在高陡邊坡發(fā)生破壞的過程中，往往先以前緣部分的崩塌為主，并伴隨著滑塌和淺層滑坡，隨時(shí)間推移，再逐漸演變?yōu)樯顚踊隆?/p>

圖7 溶洞位置示意圖Fig.7 Location of karst cave

圖8 順層滑動(dòng)Fig.8 Bedding sliding

圖9 巖層曲折Fig.9 Rock formation twisting

4 邊坡安全隱患處置對(duì)策

結(jié)合以上可能出現(xiàn)的邊坡安全隱患分析，提出安全隱患處置的總體原則是以預(yù)防為主、治理為輔，定性要準(zhǔn)、治早治小，措施要穩(wěn)、養(yǎng)護(hù)要勤，力求做到防患于未然。具體要求是：嚴(yán)格遵守“從上到下、分水平開采”的采礦方法；加強(qiáng)生產(chǎn)過程地質(zhì)信息反饋，實(shí)行信息化生產(chǎn)和設(shè)計(jì)；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡查，布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警；處置措施合理及時(shí)。

針對(duì)該礦山邊坡可能出現(xiàn)的具體安全隱患形式，提出如下的處置對(duì)策。

1) 針對(duì)邊坡上部燧石灰?guī)r段整體安全風(fēng)險(xiǎn)，主要以邊坡臺(tái)階面防水處理與監(jiān)測(cè)預(yù)警回避為主的應(yīng)對(duì)策略；對(duì)于邊坡下部的沿不利結(jié)構(gòu)面與軟硬巖接觸面組合的整體滑移風(fēng)險(xiǎn)，采用結(jié)合監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行框架錨固處理。

2) 對(duì)于邊坡上部局部坡面破碎容易形成滑塌或滾石的部位，及時(shí)清理危石或削坡減緩上部坡度或掛網(wǎng)噴射混凝土處理，同時(shí)可以根據(jù)需要，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，在吳家坪巖組的邊坡段再增設(shè)一些8 m的接渣平臺(tái)，以防止小型滑塌與滾石的威脅。

3) 為減少臺(tái)階邊坡滑塌破壞，需嚴(yán)格控制爆破，在臨近終了邊坡開挖時(shí)，采取預(yù)裂或光面爆破，減小爆破振動(dòng)對(duì)邊坡坡面及坡腳的影響；當(dāng)坡腳遭受破壞時(shí)，及時(shí)采用碎石與混凝土回填穩(wěn)固坡腳。

4) 對(duì)出現(xiàn)的不利組合的長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面出露面進(jìn)行混凝土注漿封堵，或掛網(wǎng)噴射混凝土處理，防止地表水的下滲劣化作用。對(duì)于出現(xiàn)在臺(tái)階坡面且順坡向產(chǎn)出的長(zhǎng)大不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，在考慮采取以上處理措施的同時(shí)，采用錨桿錨固，錨桿錨固要橫穿結(jié)構(gòu)面，并嵌入基巖一定深度；如遇到淺層破碎帶或軟弱面(與坡面距離小于2 m)，采取開挖剝離破碎帶或者軟弱夾層后再對(duì)下一級(jí)坡實(shí)施錨固措施，以防止一定規(guī)模的雙平面滑動(dòng)破壞，示意圖見圖10。

圖10 長(zhǎng)大不連續(xù)結(jié)構(gòu)面處理方法示意圖Fig.10 Treatment for long discontinuousstructural surface

5) 針對(duì)可能發(fā)生的楔形體破壞，視楔形體規(guī)模大小選擇采用清理楔形體或?qū)πㄐ误w進(jìn)行框架錨桿加固處理(圖11)。對(duì)邊坡中下部可能發(fā)生巖層曲折破壞，同樣采用框架錨桿加固處理。

圖11 錨桿框架加固示意圖Fig.11 Reinforcement of anchor frame

6) 針對(duì)可能出現(xiàn)的溶洞不良地質(zhì)問題，對(duì)小型溶洞進(jìn)行回填處理，對(duì)于較大或情況不明的溶洞，采用物探方法，如地質(zhì)雷達(dá)等，確定地下溶洞的大小、位置、地下水等狀況，分析其對(duì)生產(chǎn)安全及邊坡穩(wěn)定性的影響，再針對(duì)性的提出處置方案。

5 結(jié) 論

1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與工程地質(zhì)分析，指出了四川省譚家山石灰?guī)r露天礦邊坡存在整體與局部失穩(wěn)安全風(fēng)險(xiǎn)，并給出了安全隱患的可能形式。

2) 基于可能出現(xiàn)的邊坡安全隱患分析，提出了“以預(yù)防為主,治理為輔；定性要準(zhǔn)、治早治小，措施要穩(wěn)、養(yǎng)護(hù)要勤，力求做到防患于未然”的安全隱患處置總體原則，并給出了針對(duì)不同形式安全隱患的處置措施。

3) 研究成果可有效指導(dǎo)該礦山邊坡安全管理，對(duì)其他類似礦山有參考借鑒意義。