自重及地震工況條件下露天采石場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

陳 貴

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

邊坡的穩(wěn)定度通常用安全穩(wěn)定系數(shù)來(lái)衡量與評(píng)價(jià),是指邊坡在不受人類(lèi)作業(yè)干擾及擾動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定度,屬于邊坡自身性質(zhì),不會(huì)隨人的主觀能動(dòng)性而變化[1]。安全系數(shù)是一個(gè)數(shù)值,是根據(jù)人的需求對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析后得到的一個(gè)可供參考及決策的系數(shù),對(duì)安全生產(chǎn)及管理具有指導(dǎo)性意義?，F(xiàn)代化建設(shè)中,很多行業(yè)將石材作為基礎(chǔ)材料(如縱橫交錯(cuò)的高速公路及鐵路、鋼筋水泥澆筑的高樓大廈、各種冶金工業(yè)的原材料等),需要將礦石從巖體中挖出再進(jìn)行加工利用[2-3]。由于需求量不斷加大,很多礦山企業(yè)不顧生產(chǎn)規(guī)律,肆意開(kāi)挖,對(duì)礦山的整體生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致邊坡又高又陡,存在滑坡及垮塌風(fēng)險(xiǎn)及隱患[4],故需對(duì)利用露天開(kāi)采方法作業(yè)的采石場(chǎng)進(jìn)行合理分析,評(píng)估其邊坡安全狀況,及時(shí)整改存在的風(fēng)險(xiǎn)及隱患,提出預(yù)防滑坡及垮塌措施,保障礦山的安全生產(chǎn)[5]。

新疆某灰?guī)r采石場(chǎng)開(kāi)采礦種主要用于建筑石材用料,根據(jù)該礦山有用礦體的埋藏條件及深度、礦區(qū)地形條件及《采礦許可證》設(shè)定的開(kāi)采方式等定為露天開(kāi)采方式。從地表開(kāi)始,逐個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖,開(kāi)采到礦坑底部,將礦體采出。礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)采用雙刀切石機(jī)聯(lián)合金剛石串珠繩鋸切割開(kāi)采工藝,荒料加工成條石、塊石,邊角余料經(jīng)破碎后通過(guò)公路汽車(chē)運(yùn)輸將礦石運(yùn)輸至加工廠加工。礦區(qū)位于背斜北東翼,區(qū)域地貌呈長(zhǎng)垣狀單斜山地貌,沿北西-南東向分布。礦區(qū)位于順向斜坡一側(cè)頂部,南西側(cè)較高,北東相對(duì)較低,區(qū)內(nèi)海拔最高點(diǎn)位于礦區(qū)西南部的一座凸起的山頂,海拔為1421.1 m。區(qū)內(nèi)海拔最低點(diǎn)位于礦山北部的一條凹陷的溝壑中,海拔為1284.3 m。兩個(gè)地點(diǎn)的高差值為140 m,由于部分區(qū)域位于地表封閉圈以外,開(kāi)采形成終了臺(tái)階后,終了邊坡高度不是140 m,而是97 m。

臺(tái)階高度主要與鏟裝設(shè)備、礦巖性質(zhì)有關(guān),根據(jù)該礦開(kāi)采方式及產(chǎn)品方案,荒料加工成條石及塊石,設(shè)計(jì)生產(chǎn)臺(tái)階高度為10 m,靠幫后并段為12 m。臺(tái)階坡面角主要與礦巖力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。礦區(qū)邊坡主要由半堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬灰?guī)r及淺部表土及風(fēng)化層組成,根據(jù)該礦礦巖力學(xué)性質(zhì),西南幫沿礦層底板開(kāi)采,清掃平臺(tái)及N剖面線(xiàn)東北段臺(tái)階坡面角取70°,其余上部風(fēng)化層臺(tái)階坡面角取60°。在端幫和非工作幫的位置設(shè)置安全平臺(tái)和清掃平臺(tái),可以攔截上部臺(tái)階滾石,根據(jù)邊坡穩(wěn)定性需求及清掃設(shè)備規(guī)格及采場(chǎng)邊坡分布情況設(shè)計(jì)在西南幫+536 m水平及+500 m水平留設(shè)2個(gè)清掃平臺(tái),寬度8 m。N剖面線(xiàn)東北段2個(gè)臺(tái)階之間設(shè)置1個(gè)安全平臺(tái),寬度4 m。采場(chǎng)最終邊坡主要由半堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬灰?guī)r組成,根據(jù)礦層賦存條件及邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算,礦體沿礦層底板開(kāi)采,工作幫最終邊坡角22°,其余邊坡高度0～24 m的區(qū)域最終邊坡角60°。

1 極射赤平投影邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 極射赤平投影原理

赤平投影主要表示表面與線(xiàn)之間的空間方向及它們之間的角距離關(guān)系及運(yùn)動(dòng)軌跡。這些空間元素被轉(zhuǎn)換成平面,通過(guò)中心水平面交叉得到圓形截面,此方法可直接清晰地在赤平面上反映傾斜平面結(jié)構(gòu)在平面投影的空間組合關(guān)系,以此確定不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的空間位置、分布及比例。這種定量的幾何圖形顯示方式廣泛應(yīng)用于我國(guó)工程地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域。在地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜、不容易確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下,赤平投影法可以起到重要的作用。該方法簡(jiǎn)單直觀,可對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行有效分析,為后續(xù)工程提供參考[6]。

1.2 調(diào)查點(diǎn)極射赤平投影分析

巖體構(gòu)造是控制巖體變形及破壞機(jī)制的決定性因素,在各種起源的巖體中,發(fā)達(dá)的構(gòu)造面(膠結(jié)點(diǎn)、斷層面等)是變形最易發(fā)生的部位。該礦山的露頭巖體主要是輕微風(fēng)化的石灰?guī)r,受該地區(qū)多階段的結(jié)構(gòu)作用及風(fēng)化應(yīng)力造成的損傷影響,巖體構(gòu)造面呈現(xiàn)連續(xù)直滑,局部粗糙,剪切阻力弱。該地區(qū)的巖石層與土壤層的空間分布特性明顯,分界線(xiàn)分布相對(duì)穩(wěn)定。巖體呈層狀局部碎裂狀,通過(guò)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面特征分析,揭露兩組主要節(jié)理:節(jié)理組1 m產(chǎn)狀為121°∠67°,節(jié)理面起伏形態(tài)為平直型,主要為閉合干燥狀態(tài),大部分結(jié)構(gòu)面兩壁之間充填有少量泥質(zhì),部分節(jié)理面出現(xiàn)水痕,節(jié)理面平均間距為0.43 m,平均跡長(zhǎng)為8.5 m。節(jié)理組2 m,產(chǎn)狀224°∠58°,結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)為平直型,大部分節(jié)理呈閉合干燥狀態(tài),部分節(jié)理內(nèi)留有水痕,帶有泥質(zhì)充填節(jié)理,其平均間距0.43 m,平均跡長(zhǎng)為10.5 m。繪制調(diào)查點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖與玫瑰圖,如圖1、圖2所示。

圖1 調(diào)查點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖與玫瑰圖分析,巖體層面起伏形態(tài)為波浪型,呈吻合閉合狀態(tài),因此層面的摩擦角可取經(jīng)驗(yàn)值30°,節(jié)理面的摩擦角取值為15°。深部微風(fēng)化灰?guī)r的巖體質(zhì)量較高,節(jié)理裂隙面緊閉無(wú)充填,結(jié)構(gòu)摩擦角取值30°,此分析結(jié)果可為后續(xù)工程穩(wěn)定性分析計(jì)算提供參考。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)該礦山現(xiàn)狀地形平面圖,結(jié)合無(wú)人機(jī)形成的礦區(qū)現(xiàn)狀照片,選取現(xiàn)狀圖中M-M′剖面參與建模計(jì)算,建模采用Slide邊坡分析軟件,利用非圓弧破裂面搜索算法,對(duì)最危險(xiǎn)滑面進(jìn)行搜索,采用M-P法對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,在此基礎(chǔ)上分析邊坡安全性能。

M-P極限平衡分析法是一種考慮巖土條之間相互作用力的非圓弧計(jì)算方法,假定豎向作用力與橫向作用力之間的關(guān)系為巖土條間橫向作用力與縱向作用力的關(guān)系函數(shù),通過(guò)考慮彎矩平衡,迭代計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[7]。該方法對(duì)滑動(dòng)面的形狀、靜力平衡、多余未知數(shù)的選定等都不作要求,與其他極限平衡方法相比,更接近于實(shí)際情況。通過(guò)假定穩(wěn)定性系數(shù),通過(guò)迭代求得相應(yīng)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)。

根據(jù)彎矩平衡求得穩(wěn)定性系數(shù):

(1)

根據(jù)水平力平衡求得穩(wěn)定性系數(shù):

(2)

(3)

根據(jù)以上彎矩及水平力平衡條件,通過(guò)Fs迭代計(jì)算可得出對(duì)應(yīng)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性系數(shù)。

采用M-P極限平衡分析法,在自重及地震兩種工況下對(duì)邊坡剖面的力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 自重條件下穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算云圖

圖4 暴雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算云圖

從該剖面在自重條件下穩(wěn)定性計(jì)算云圖可以看出,位于邊坡底部到頂部區(qū)域(圖中陰影部分)的穩(wěn)定性系數(shù)最低,為2.543。由于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)遠(yuǎn)高于邊坡安全系數(shù),邊坡發(fā)生整體滑移破壞的可能性較小。圖4是剖面在地震作用下的穩(wěn)定性計(jì)算云圖,該工況條件下顯示,位于邊坡頂部+530 m區(qū)域及邊坡底部+490 m區(qū)域(圖中陰影部分)的穩(wěn)定性最低,此處整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.846。兩種工況條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均滿(mǎn)足安全邊坡穩(wěn)定性系數(shù)要求,但是在地震等外部作用下會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性,加劇邊坡失穩(wěn)發(fā)生概率,在后續(xù)回采過(guò)程中要注意礦山爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)論

針對(duì)新疆某灰?guī)r采石場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡,采用極限平衡法對(duì)該礦山現(xiàn)狀進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,該礦山邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài),但是局部坡面在開(kāi)采過(guò)程中可能受采動(dòng)或爆破等綜合作用的影響產(chǎn)生局部垮塌,建議生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)各坡面的監(jiān)測(cè),如發(fā)現(xiàn)異常情況(如巖體變形量突增等)應(yīng)及時(shí)處理,避免造成人身財(cái)產(chǎn)損失。