廣西某高嶺土露天礦最終邊坡穩(wěn)定性分析

李和群 LI He-qun；李學(xué)鋒 LI Xue-feng；宋勇軍 SONG Yong-jun；段善達(dá) DUAN Shan-da；黃旭興 HUANG Xu-xing；楊一豪 YANG Yi-hao；肖武寧 XIAO Wu-ning

（廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

中南地區(qū)高嶺土礦區(qū)查明資源儲(chǔ)量占到全國查明資源儲(chǔ)量的56%，其中廣西壯族自治區(qū)查明資源儲(chǔ)量占全國總查明資源儲(chǔ)量的30%以上[1]。高嶺土礦床類型主要包括風(fēng)化型、沉積型和熱液蝕變型，風(fēng)化型高嶺土礦廣泛分布在中國南方，亞熱帶和熱帶季風(fēng)氣候?yàn)槟笌r的風(fēng)化帶來良好的條件[2]。風(fēng)化型高嶺土礦又分為風(fēng)化殘積型和風(fēng)化淋積型，風(fēng)化殘積亞型礦床數(shù)量和查明資源儲(chǔ)量都最多，占全國高嶺土查明資源儲(chǔ)量的61%[3]。本文工程背景位于廣西藤縣，屬于風(fēng)化型殘積型高嶺土，該類型高嶺土礦山分布廣、數(shù)量多。該礦山開采技術(shù)方案、巖體強(qiáng)度參數(shù)、采場邊坡參數(shù)及最終邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可為其他同類型礦山提供參考。

定性分析和定量分析相結(jié)合，是分析邊坡穩(wěn)定性的主要手段[4]。定性分析，包括圖解法、工程地質(zhì)類比法、地質(zhì)歷史分析法[5]。定量分析中極限平衡法[6]分析邊坡的穩(wěn)定性，把研究滑體切成若干條塊視作剛體，假定服從摩爾—庫倫準(zhǔn)則，對潛在的危險(xiǎn)滑移面建立二維的平衡靜力方程，求出安全系數(shù)。極限平衡法原理簡單，適用性強(qiáng)，精確度滿足工程需求，在實(shí)際工程運(yùn)用廣泛，常用的極限平衡法有Janbu條分法、Bishop條分法等。何旭[7]對露天礦山邊坡進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用赤平投影法對邊坡進(jìn)行定性評價(jià)并且進(jìn)行RMR法分級(jí)；同時(shí)運(yùn)用Phase軟件和Slide軟件對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，做出定量評價(jià)。通過定性和定量評價(jià)，相互印證邊坡的穩(wěn)定性。本文在工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上對邊坡進(jìn)行巖體質(zhì)量評價(jià)，確定巖體強(qiáng)度參數(shù)，基于極限平衡法對最終邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 礦山概況

礦山區(qū)域位于華夏陸塊欽州褶皺系，六萬大山凸起北東端，區(qū)域內(nèi)巖漿巖較為發(fā)育，自華力西期至燕山晚期均有出露。礦段內(nèi)及礦段外分布有晚白堊紀(jì)古祀大山單元霏細(xì)（斑）巖體（K2υπ）。該高嶺土礦山為生產(chǎn)多年的山坡露天礦，采用公路開拓-汽車運(yùn)輸系統(tǒng)，自上而下分臺(tái)階開采，采用中深孔松動(dòng)爆破工藝，機(jī)械二次破碎大塊礦石，挖掘機(jī)鏟裝汽車運(yùn)輸，礦石回采率95%。設(shè)計(jì)確定礦山生產(chǎn)規(guī)模為280萬噸/年，服務(wù)年限約為10.5年。開采前后礦區(qū)工程地質(zhì)條件均屬中等類型，水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度均屬簡單類型。采場設(shè)計(jì)最高標(biāo)高+238m，采場底部最低標(biāo)高+80m，最大開采深度158m。

2 巖體工程地質(zhì)條件分析與質(zhì)量評價(jià)

2.1 巖體工程地質(zhì)條件

高嶺土礦體主要產(chǎn)于霏細(xì)（斑）巖風(fēng)化殼中，原巖為霏細(xì)斑巖或霏細(xì)巖。根據(jù)礦體的風(fēng)化程度將礦體劃分為強(qiáng)風(fēng)化礦體、中風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體三種。巖石抗壓強(qiáng)度等通過室內(nèi)試驗(yàn)確定，其他指標(biāo)通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查獲得。

①強(qiáng)風(fēng)化霏細(xì)（斑）巖礦體。礦層呈不規(guī)則狀、長條狀，傾向、傾角與地形坡向、坡角基本一致，單工程厚度1.70～12.20m，平均5.41m。主要發(fā)育282°∠61°、213°∠71°兩組剪節(jié)理，節(jié)理密度分別為11條/m、4條/m。結(jié)構(gòu)面平均間距小于6cm，嚴(yán)重風(fēng)化。巖塊飽和抗壓強(qiáng)度一般為6.83～10.32MPa，平均值為8.12MPa，軟化系數(shù)0.1～0.2，容重14.1kN/m3，屬塊狀軟弱巖石；②中風(fēng)化霏細(xì)（斑）巖礦體。礦層呈被子狀分布在整個(gè)礦段內(nèi)，傾向、傾角與地形坡向和坡角基本一致，單工程厚度1.25～35.40m，平均14.17m。主要發(fā)育171°∠65°、263°∠86°兩組剪節(jié)理，節(jié)理密度分別為11條/m、4條/m。結(jié)構(gòu)面平均間距15.4cm，節(jié)理平直微粗糙，連續(xù)無充填，張開度為1~5mm。飽和單軸抗壓強(qiáng)度47.49～62.18MPa，平均值為53.0MPa，容重24.0kN/m3，屬塊狀半堅(jiān)硬巖石；③微風(fēng)化霏細(xì)（斑）巖礦體。礦層呈被子狀分布于整個(gè)礦段中，傾向、傾角與地形坡向、坡度基本一致，單工程厚度4.30～11.00m，平均8.98m。主要發(fā)育210°∠86°、270°∠90°兩組剪節(jié)理，節(jié)理密度分別為3條/m、5條/m。結(jié)構(gòu)面平均間距28.6cm，節(jié)理平直微粗糙，連續(xù)無充填，張開度為1~3mm。飽和單軸抗壓強(qiáng)度86.43～98.26MPa，平均值為92.35MPa，容重24.7kN/m3，屬塊狀堅(jiān)硬巖石。

2.2 巖體質(zhì)量評價(jià)

①RQD分級(jí)。巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）由Deere[8]提出，反應(yīng)巖體被結(jié)構(gòu)面的切割程度，用于巖石的完整性分類。當(dāng)巖芯不可利用或鉆孔未取巖芯時(shí)，可以根據(jù)Palmstrom提出的體積節(jié)理數(shù)Jv與RQD之間的關(guān)系RQD=115-3.3JV去判斷巖體RQD值。體積節(jié)理數(shù)Jv通過現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行估算，當(dāng)結(jié)構(gòu)面均勻分布時(shí)，把實(shí)際測量范圍內(nèi)的幾組節(jié)理面密度相加乘于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K，K=1.15~1.35[9]，本文取值為1.35。RQD分級(jí)結(jié)果如表1所示。

表1 RQD分級(jí)結(jié)果

②RMR分級(jí)。地質(zhì)力學(xué)分類系統(tǒng)（RMR系統(tǒng)）是Bieniawski[10]提出的，RMR系統(tǒng)根據(jù)巖塊抗壓強(qiáng)度、巖體RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理的狀態(tài)和地下水賦存情況五類評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，將各指標(biāo)的評分?jǐn)?shù)值求和減去修正值得到巖體RMR得分值，對巖體進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)。根據(jù)所劃分的巖組，RMR分級(jí)結(jié)果如表2所示。

表2 RMR分級(jí)結(jié)果

3 巖體強(qiáng)度參數(shù)及采場邊坡參數(shù)確定

3.1 巖體強(qiáng)度參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測的巖石力學(xué)參數(shù)，基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則利用RocLab軟件估算巖體參數(shù)。在軟件中輸入GSI、材料常數(shù)mi、擾動(dòng)系數(shù)D和巖石單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行巖體強(qiáng)度折減計(jì)算，參數(shù)根據(jù)計(jì)算公式和查表確定，計(jì)算得到的巖體強(qiáng)度參數(shù)如表3所示。

表3 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算公式[11]，可以確定巖體的干密度、飽和度、孔隙比等參數(shù)，具體參數(shù)如表4所示。

表4 巖體滲透參數(shù)

3.2 采場邊坡參數(shù)確定

根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件和礦巖物理力學(xué)性質(zhì)，礦石分為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化類型，其硬度普氏系數(shù)為2～8，賦礦圍巖硬度普氏系數(shù)為2～8，綜合考慮開采深度、露天采場服務(wù)年限等因素。本設(shè)計(jì)選定的露天采場邊坡參數(shù)如表5所示。

表5 露天采場邊坡參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 安全系數(shù)選取

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014），對邊坡危害等級(jí)、邊坡工程安全等級(jí)進(jìn)行劃分，邊坡危害等級(jí)為Ⅲ，邊坡工程安全等級(jí)為Ⅲ。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本礦山最低開采標(biāo)高高于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面及地下水位，該采場的爆破作業(yè)屬小型爆破工程，產(chǎn)生的爆破震動(dòng)對邊坡的影響不大，因此，邊坡穩(wěn)定性不計(jì)算地下水、爆破振動(dòng)力的影響，邊坡工程設(shè)計(jì)取正常工況安全系數(shù)為1.15，非正常工況安全系數(shù)為1.10。

4.2 最終邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采場邊坡角較陡，邊坡巖土體結(jié)構(gòu)松散，同時(shí)為指導(dǎo)生產(chǎn)管理，按照礦山初步設(shè)計(jì)情況對最終邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。本文利用Slide軟件對露天采場二采坑坡度較陡的南幫和北幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，為邊坡監(jiān)測以及治理措施提供依據(jù)。Slide軟件的理論基礎(chǔ)是極限平衡法，內(nèi)置多種分析方法，包括瑞典條分法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、M-P法等。本文邊坡穩(wěn)定性分析采用同時(shí)滿足力和力矩平衡的Spencer法和M-P法，此兩種方法也適用于各種滑面類型，巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則采用莫爾庫倫準(zhǔn)則。其最終邊坡邊坡剖面位置選取如圖1所示。通過CAD建立剖面A、B的剖面圖，得到dxf文件導(dǎo)入到Slide中，在前述巖體強(qiáng)度參數(shù)基礎(chǔ)上利用Slide軟件建立邊坡計(jì)算模型并對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，Slide計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖1 剖面線布置圖

計(jì)算所選工況如下：

正常工況：計(jì)算僅自重情況下的現(xiàn)狀的最終邊坡穩(wěn)定性；

暴雨工況：計(jì)算現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡在連續(xù)暴雨一天情況下的穩(wěn)定性，取該地區(qū)歷史最大降雨量為計(jì)算參數(shù)，多年來最大日降雨量為136.7mm；

地震工況：計(jì)算現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡在地震情況下的穩(wěn)定性，地震加速度取歷史最大值，為0.05。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采場南北邊坡最小安全系數(shù)在三種工況下均高于規(guī)定安全系數(shù)，兩種分析方法的計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，最終邊坡狀態(tài)穩(wěn)定。暴雨工況和地震工況下安全系數(shù)均有較大降低，其中暴雨工況下安全系數(shù)最小，采場南部邊坡在暴雨工況下略高于規(guī)定安全系數(shù)。A剖面計(jì)算簡圖見圖2、圖3，B剖面計(jì)算簡圖見圖4、圖5。由圖可知不同方法得出的潛在滑動(dòng)面分布略有不同，但同一種方法下不同工況的潛在滑動(dòng)面基本一致，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均位于強(qiáng)風(fēng)化礦層，該層安全系數(shù)最小。

圖2 A剖面Spence法計(jì)算結(jié)果

圖3 A剖面M-P法計(jì)算結(jié)果

圖4 B剖面Spence法計(jì)算結(jié)果

圖5 B剖面M-P法計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與分析和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行巖體質(zhì)量評價(jià)，并進(jìn)一步確定巖體強(qiáng)度參數(shù)，基于極限平衡法經(jīng)Slide軟件計(jì)算，該高嶺土露天礦初步設(shè)計(jì)中二采坑南部和北部的最終邊坡在正常、暴雨和地震工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，采場邊坡參數(shù)選取可行，可為同類礦山初步設(shè)計(jì)提供參考。由計(jì)算結(jié)果分析可知，邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化層穩(wěn)定性較差，且暴雨對邊坡穩(wěn)定性有較大影響，為保證礦山安全生產(chǎn)，需要加強(qiáng)采場排水設(shè)施建設(shè)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開采，同時(shí)對于高陡邊坡部位進(jìn)行削坡減載，保證邊坡坡度在合理范圍內(nèi)。