露天礦排土場穩(wěn)定性分析及滑坡防治措施

李文虔,陳敏,寇向宇

(1.中國鋁業(yè)股份有限公司貴州分公司, 貴州 貴陽 550014 2.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引言

排土場是礦山生產(chǎn)的重要安全設施,其穩(wěn)定性是保證礦山安全、連續(xù)生產(chǎn)的必要條件。排土場穩(wěn)定性的破壞會帶來巨大的社會和經(jīng)濟損失。遵義某鋁礦排土場堆積量大,如果堆放料滑坡,會給礦山帶來較大的經(jīng)濟損失,造成環(huán)境的破壞。因此,研究排土場的穩(wěn)定性影響因素及滑坡防治措施是該礦山面臨的緊迫問題。

1 礦區(qū)概況及排土場工程地質(zhì)

遵義某鋁礦礦區(qū)位于大婁山山脈南西段,礦區(qū)場地屬高原淺切割剝蝕低山丘陵地,年平均氣溫15.2℃,年平均降雨量1087 mm,平均年蒸發(fā)量1034.6 mm,年平均相對濕度80%。該礦排土場位于露天采礦場的北端,場區(qū)地形南高北低,壩址以北溝谷地形逐漸開闊,現(xiàn)有農(nóng)田村舍;整個場地向北傾斜,場區(qū)標高界于883～970 m之間,排土場容積195萬m3。場區(qū)無常流水,主要由主溝及四條沖溝組成,主溝坡度7.3%,沖溝內(nèi)無泉水出露,場區(qū)植被主要由灌木林組成,排土區(qū)域原地形平均坡度20.76°。

工程地質(zhì)測繪、鉆探及槽探工作揭露結果表明,排土場區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)巖及灰?guī)r是構成壩基及場區(qū)的主要穩(wěn)定基巖,場區(qū)除沖溝外,無其他不良地質(zhì)現(xiàn)象,所有鉆孔、探槽均未見地下水。

從露天采礦場開采出露地層和地質(zhì)勘探揭露的巖層來看,排土場堆料為易風化灰色白云巖(風化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質(zhì)黏土巖(或鋁質(zhì)巖)、砂質(zhì)黏土巖和灰?guī)r。

2 排土場穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 地基巖性及坡度的影響

該排土場地基巖性由上至下分布為:黏土層、灰?guī)r,其中黏土層地基厚2～6 m。鉆探及槽探揭露結果表明,排土場基底地層從上至下依次為:第四系人工堆積人工土、第四系植物層、第四系坡洪積黏性土和塊石、第四系坡殘積黏土、二疊系鋁土質(zhì)巖及寒武系灰?guī)r。排土區(qū)域原地形平均坡度20.76°,有灌木林植被。場區(qū)內(nèi)鋁土質(zhì)巖及灰?guī)r是構成壩基及場區(qū)的主要穩(wěn)定基巖。黏土層和攔截壩地基巖石的物理力學性質(zhì)見表1。

表1 排土場地基物理力學參數(shù)

根據(jù)文獻研究可知,排土場滑坡按滑動面的位置、形狀及原因主要可分為兩類,一類是沿堆放料與地基方向的坡面滑動,另一類是沿地基巖層平面方向滑動。

在排土場堆放早期,主要應對壓力進行控制,避免地基破壞,當堆放物逐漸增加,負荷增大后,孔隙減小,水分排出,地基的承載能力達到峰值,可能出現(xiàn)剪切變形導致滑坡;而當排土場坡度不斷變陡時,可能導致沿基底面發(fā)生滑坡。

通過對排土場的基底巖層組成、邊坡角及地基的負載等影響因素進行評估,從工程地質(zhì)勘察的揭露情況來看,該鋁礦排土場基底屬于軟巖地基,軟巖地基在排土場排棄物料壓力作用下壓縮沉降,同時,基底地形坡度為19.4°～23.5°,大于排棄土料的內(nèi)摩擦角17°,因此易產(chǎn)生沿基底接觸面的滑坡。

2.2 堆料黏土和軟巖的影響

排土場內(nèi)排棄的散體物料中約70%～80%為第四系表土、易風化灰色白云巖(風化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質(zhì)黏土巖(或鋁質(zhì)巖)、砂質(zhì)黏土巖。排土場堆積土料室內(nèi)土工試驗結果表明,該堆料屬黏性礫質(zhì)土,這類土料特點為擊實干密度小,總強度低,滲透系數(shù)小,屬高壓縮性土。對混合土料進行了剪切試驗,得出黏結力為20～25 k Pa,內(nèi)摩擦角為17°。

根據(jù)前述的試驗分析可知,排土場堆料的黏結力與粒徑成反比,內(nèi)摩擦角與粒徑成正比。試驗取樣的組成中,顆粒直徑小于0.074 mm的土料占試樣的58.6%,大于20 mm的土料占28.1%,由此可知細顆粒的堆放料和軟性黏土的占比高,能大大增強排土場的穩(wěn)定性。

排土場內(nèi)部滑坡多數(shù)與堆置土料的力學性質(zhì)有關。勘探揭露的巖層資料顯示,堆放料多數(shù)是表土、黏土巖及易風化的白云巖,堆料經(jīng)過了從初期堆放到逐步加多的過程,壓力不斷增大,沉降變形也逐步加大,產(chǎn)生張裂隙,并且隨著裂隙的發(fā)育,最后引起排土場的邊坡失衡、開裂和滑坡。張裂隙的存在及其發(fā)育是造成排土場不穩(wěn)定的因素。

2.3 降水的影響

雨季降水會對排土場穩(wěn)定性造成極大的影響,大量的降水使堆放物的黏結力大大降低,試驗表明,在水分飽和的狀態(tài)下,土料的滲透性差,壓縮性大,剪切強度低,穩(wěn)定狀態(tài)迅速惡化,易造成排土場的內(nèi)部滑坡。同時,由于場區(qū)植被為灌木林,因此,排土場基底以軟土為主,當遇到雨水的浸潤時,水分達到飽和,剪切力大幅降低,造成排土場滑坡。

3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算

排土場土料取室內(nèi)試驗指標,黏土層地基取工程地質(zhì)報告和勘探地質(zhì)報告數(shù)據(jù),灰?guī)r基礎參照相關指標,見表2。

表2 計算參數(shù)

采用公式(1)計算排土場邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),計算結果見表3。當穩(wěn)定性系數(shù)為1時,邊坡巖體處于極限平衡狀態(tài);當穩(wěn)定性系數(shù)大于1時,邊坡巖體穩(wěn)定;當穩(wěn)定性系數(shù)小于1時,邊坡巖體不穩(wěn)定。

表3 排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算

式中,F為邊坡穩(wěn)定性系數(shù);C為內(nèi)聚力;γ為密度;φf為邊坡角;ru為孔隙壓力比;φ為內(nèi)摩擦角;H為邊坡高度。

容易產(chǎn)生變形的區(qū)域為組合臺階,但是,由表3可知,其穩(wěn)定性系數(shù)為1.76,說明組合臺階的穩(wěn)定性較好;同時,排土場位于溝谷里,兩側山體為阻擋滑坡的自然屏障。排土場的最終邊坡角為18.43°～22°,堆積高度65 m,地質(zhì)報告中黏土層基底內(nèi)摩擦角為18.7°,因此,不清除黏土層也可滿足邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.1的要求。

4 排土場滑坡的防治措施

據(jù)以上分析,排土場變形破壞,產(chǎn)生滑坡和泥石流的影響因素主要是基底的軟弱巖層、排棄物料中含大量表土和風化巖石,以及地表匯水和雨水的作用。因此,對該排土場應采取綜合的滑坡防治措施。

4.1 覆蓋與壓坡腳式組合臺階排土工藝

該排土場目前采用汽車單臺階排土,這種排土工藝適合堆置堅硬巖石,排土場基底要求不含軟弱巖土。由于排棄的土料為黏性礫質(zhì)土,排土場基底又有2～6 m的軟弱巖土,堆置高度受到限制,堆積體總量174.7萬m3,為了充分利用排土場溝谷地形的有利條件,應選擇覆蓋與壓坡腳式組合臺階堆置方式,可將先期剝離的大量表土堆置在排土場指定區(qū)域,風化巖層堆置在940 m水平排土臺階(采用單臺階排土)的上游,后期剝離的風化巖層則覆蓋在940 m水平上,即960 m排土臺階,而將采礦場下部和深部剝離的堅硬巖石堆置在940 m水平排土臺階的下游和925 m水平排土臺階(壓住940 m水平臺階的坡腳),壓住上部臺階的坡腳,有利于抗滑和穩(wěn)定坡腳。通過分析邊坡的穩(wěn)定性,可知組合臺階的安全系數(shù)優(yōu)于單臺階排土,說明覆蓋與壓坡腳式組合臺階排土工藝有利于排土場的穩(wěn)定性。

4.2 軟巖基底及植被的處理

該排土場整個場區(qū)都有灌木林等植被,在排棄土料之前應全部清除場區(qū)內(nèi)的所有植被,這樣有利于邊坡的穩(wěn)定。

對排土場基底2～6 m的軟弱巖土可以采用以下方法處理:一是控制排土強度和一次堆高,以使基底得到壓實和逐漸分散基底的承載壓力;二是采用爆破法將基底軟巖破碎,增大抗滑能力,在底層形成排水層。

4.3 外截內(nèi)疏的排水方式

溝谷內(nèi)排土場的初期應全面考慮水的疏導。建議采用在排土場底部設置巖石泄流體和在排土場溝底上游925 m水平起沿原公路修筑一道排水溝的聯(lián)合排水方式。長期的生產(chǎn)實踐表明,在排土場底部構筑巖石泄流體是可行的,有利于排土場基底和排棄土料的穩(wěn)定,而且最適合于開采結束后廢棄排土場的穩(wěn)定。巖石利用灰?guī)r,粒徑500～800 mm占60%,800～1000 mm占20%,其余粒徑20%。

對于大面積場外山區(qū)匯水,采用在排土場溝底上游925 m水平修建截水溝,將水引致攔截壩外排出,截水溝斷面尺寸為1.0 m×1.5 m。場內(nèi)匯水是為了不對平臺產(chǎn)生浸蝕和沖刷邊坡,并將平臺修成3°的反坡,使水流向坡跟處的排水溝而流出界外。在排土場下游溝谷收口部位修筑攔截壩。

4.4 采用內(nèi)部排土工藝

該鋁礦礦體傾角10°～20°,平均厚度7.39 m,由于礦床起伏變化,露天礦采場分為5個相鄰的小采場,按先后提前結束Ⅱ、Ⅰ采場,可利用其采空區(qū)作為排土場,實行內(nèi)部排土工藝,盡可能減少排土場的堆存量,降低排土場的運行壓力,有利于排土場的穩(wěn)定。

4.5 建立排土場監(jiān)測站

在礦床開采過程中,應建立排土場監(jiān)測站,作好邊坡變形、位移監(jiān)測記錄,對巖土自然壓實特性的位移及位移速度進行監(jiān)測,并據(jù)此研究降雨量、排土場高度和山坡傾角隨時間的變化規(guī)律;對排棄的土料進行邊坡、巖性、水文等全面的調(diào)查和分析,以指導后續(xù)生產(chǎn)。隨時掌握排棄物堆積體狀態(tài)變化情況,發(fā)現(xiàn)險情及時采取措施處理,防止重大滑坡事故的發(fā)生。

5 結語

隨著國家對礦山安全問題日常重視,提出了一系列的安全規(guī)范和保障要求。露天礦山排土場的穩(wěn)定性是影響礦山安全生產(chǎn)的重要因素,本文對某鋁礦排土場穩(wěn)定性的現(xiàn)狀和影響因素進行了分析,并針對該礦特點從多個方面提出了滑坡的防治措施,在礦山推廣應用后,確保了礦山的持續(xù)安全生產(chǎn),具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。