露天石灰?guī)r礦山高邊坡巖體穩(wěn)定性綜合分析

謝歡歡,夏江黔,廖德武,蘭中孝,顧曉紅

(貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

石灰?guī)r礦是貴州分布最廣的一種非金屬礦產(chǎn)資源,其布露面積占各類巖石總面積的60%以上,其開采方式主要為露天開采。因該類礦山巖體具有節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性脆弱、表層覆蓋植被稀疏等特性,在強(qiáng)降水過程中容易發(fā)生滑坡、崩塌和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,礦山存在安全隱患大[1-2]。2022年3月國家礦山安全監(jiān)督局關(guān)于印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)非煤礦山安全生產(chǎn)工作的指導(dǎo)意見》的通知(礦安[2022]4號(hào))提出,需對(duì)現(xiàn)狀高度100 m及以上的采礦邊坡進(jìn)行年度穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。有針對(duì)性的對(duì)石灰?guī)r礦山高邊坡穩(wěn)定性科學(xué)合理評(píng)價(jià),是保障礦區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)的安全有序進(jìn)行,節(jié)約礦產(chǎn)開采成本的關(guān)鍵基礎(chǔ)[3-4]。本文以冊(cè)亨縣某石灰?guī)r礦高邊坡為例,于不同工況下綜合運(yùn)用多種穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行石灰?guī)r高邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。以期為類似地質(zhì)條件的石灰?guī)r礦的開采利用與穩(wěn)定性分析提供一些借鑒。

1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

邊坡穩(wěn)定性分析從整體上劃分為定性、定量、不確定分析以及模型試驗(yàn)和原位測(cè)試,就目前而言定性分析方法常用工程類比法、圖解法等,定量分析方法常有極限平衡法[5]。

1.1 定性圖解分析

工程中常用巖質(zhì)邊坡定性圖解法為赤平投影法,其假設(shè)邊坡巖體是剛性的,不考慮內(nèi)部塊體之間的應(yīng)變,同時(shí)忽略條件力的作用。采用赤平投影穩(wěn)定性分析時(shí)當(dāng)結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的走向與邊坡走向相反時(shí),邊坡一般較穩(wěn)定,當(dāng)兩者走向相對(duì)一致時(shí),則需通過二者的傾角進(jìn)行進(jìn)一步分析[6-7]。

1.2 定量極限平衡法

工程中常用定量極限平衡法有楔形體法、瑞典條分法、簡(jiǎn)化畢肖普法、簡(jiǎn)布法和傳遞系數(shù)法等[8]。該類方法在分析的過程中主要應(yīng)用靜力平衡的原理來探究滑坡體的抗滑力與下滑力之間的關(guān)系,從而達(dá)到對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析的目的。

(1)楔形體穩(wěn)定計(jì)算局部不穩(wěn)定塊體。采用赤平投影法結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的的潛在不穩(wěn)定塊體,并采用規(guī)范推薦的楔體法對(duì)開挖邊坡上的塊體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

(1)

(2)

式中:Na與Nb分別為作用在潛在不穩(wěn)定塊體不同結(jié)構(gòu)面的有效法向力。

根據(jù)與的計(jì)算關(guān)系判斷楔形體可能滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)面,再由不同安全系數(shù)數(shù)計(jì)算方法得出其穩(wěn)定性數(shù)。

(2)瑞典條分法、簡(jiǎn)化畢肖普法、簡(jiǎn)布法和傳遞系數(shù)法等計(jì)算巖體整體穩(wěn)定性。該類方法將不穩(wěn)定塊體視作剛體并劃分成若干條塊,建立滑體的力矩(力)平衡,按下滑力矩(力)和抗滑力矩(力)之比建立邊坡穩(wěn)定性數(shù)表表達(dá)式:

F=S/T

(3)

式中:S為抗滑力矩(力),T為下滑力矩(力)。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定不同邊坡安全等級(jí),結(jié)合穩(wěn)定系數(shù)判斷邊坡穩(wěn)定性。

極限平衡法需要事先確定可能失去平衡的潛在滑體及滑動(dòng)模式,采用抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。其方法相對(duì)直觀,容易為工程技術(shù)人員掌握,尤其對(duì)于貴州地區(qū)石灰?guī)r等硬質(zhì)巖,且結(jié)構(gòu)面清晰的邊坡,該類方法能較合理的確定邊坡穩(wěn)定性。

2 案例分析

2.1 工程概況

貴州省冊(cè)亨縣某露天石灰石礦山礦權(quán)開采深度+992.0～675.0 m,露天開采,開拓方式為中深孔爆破,臺(tái)階式開采,機(jī)械裝車,汽車運(yùn)輸,礦權(quán)開采面積0.451 8 km2。礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)開挖形成平面投影面積約0.1 km2,采深東側(cè)形成高17～121 m采礦邊坡。邊坡基巖大部分裸露地表,第四系覆蓋極少,平均覆蓋厚不足1m,地表植被主要為灌木、雜樹分布。邊坡現(xiàn)狀見圖1。

圖1 采場(chǎng)東側(cè)開礦現(xiàn)場(chǎng)照片

2.2 石灰?guī)r高邊坡形態(tài)及巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,東側(cè)邊坡長(zhǎng)約78～300 m,高度17～121 m,坡面方向250°～274°,主要為274°,坡度30°～56°,逆向坡。邊坡按臺(tái)階式開采,形成各階邊坡高10～16 m,平臺(tái)寬12～23 m。

邊坡巖性為二疊系上統(tǒng)吳家坪+長(zhǎng)興組(P3w+c)灰?guī)r為含礦層位,該層含少量黑色燧石結(jié)核,抗風(fēng)化能力強(qiáng)。

2.3 結(jié)構(gòu)面特征

對(duì)場(chǎng)區(qū)選取代表性點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)統(tǒng)計(jì),層面優(yōu)勢(shì)(平均)產(chǎn)狀為137°∠34°。按照5度一組對(duì)節(jié)理傾向、傾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,繪制玫瑰花圖如圖2、圖3,得出第一組節(jié)理(J1)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為286°∠56°,第二組節(jié)理(J2)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為253°∠80°,第三組節(jié)理(J3)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為325°∠57°,層面和節(jié)理面特征見表2,圖4、圖5。

表2 結(jié)構(gòu)面特征統(tǒng)計(jì)表

圖2 節(jié)理傾向玫瑰花圖

圖3 節(jié)理傾角玫瑰花圖

圖4 巖體結(jié)構(gòu)面照片

圖5 J1節(jié)理面正面照片

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算參數(shù)的選取

選取礦區(qū)內(nèi)典型的區(qū)域進(jìn)行巖石取樣,并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)測(cè)試結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),按《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB51016-2014[9]附錄C.1.2綜合取值為:巖體內(nèi)摩擦角取標(biāo)準(zhǔn)值φ取31°(實(shí)測(cè)巖石內(nèi)摩擦角0.8折減),重度27 kN/m2(實(shí)測(cè)),粘聚力取250 kPa(經(jīng)驗(yàn));結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角φ取20°(經(jīng)驗(yàn)),粘聚力取55 kPa(經(jīng)驗(yàn));層面內(nèi)摩擦角φ取27°(經(jīng)驗(yàn)),粘聚力取90 kPa(經(jīng)驗(yàn))。

3.2 典型剖面和工況選取

選取東側(cè)2個(gè)典型地質(zhì)剖面A-A′和剖面B-B′進(jìn)行分析及計(jì)算,剖面簡(jiǎn)圖見圖6、圖7。

圖6 A-A′剖面簡(jiǎn)圖

圖7 B-B′剖面簡(jiǎn)圖

根據(jù)水位地質(zhì)條件分析,地表排水條件好,地下水位埋深低,本評(píng)價(jià)不考慮地下水影響,工況考慮為以下三種:

工況Ⅰ:自重,安全系數(shù)1.2～1.15

工況Ⅱ:自重+爆破振動(dòng),安全系數(shù)1.18～1.13

工況Ⅲ:自重+地震力,安全系數(shù)1.15～1.10

3.3 赤平投影定性分析邊坡穩(wěn)定性

北側(cè)邊坡開挖方向249°,綜合坡角53°。根據(jù)三組裂隙、邊坡坡向、開挖坡度、巖層產(chǎn)狀,采取赤平及射投影法分析巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性,赤平極射投影如圖8。

圖8 東側(cè)邊坡赤平投影圖

一組結(jié)構(gòu)面分析:J1節(jié)理與開挖面夾角為38°,但節(jié)理面傾角56°≥邊坡開挖坡角53°;J2節(jié)理與開挖面夾角為4°,但節(jié)理面傾角80°≥邊坡開挖坡角53°該段邊坡無外傾結(jié)構(gòu)面,邊坡為穩(wěn)定結(jié)構(gòu),沿節(jié)理滑動(dòng)可能性小。

兩組結(jié)構(gòu)面組合分析:經(jīng)赤平投影分析,該側(cè)邊坡巖層面和J1節(jié)理組合交線位于邊坡內(nèi)側(cè),邊坡可能沿組合交線發(fā)生楔形體破壞。

邊坡可能破壞模式:(1)層面和J1節(jié)理組合交線發(fā)生楔形體破壞;(2)邊坡為層狀巖體,根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB51016-2014附錄A.0.3確定邊坡為層狀巖體邊坡,其破壞模式可能為圓弧型。

3.4 楔形體和圓弧滑動(dòng)法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性

3.4.1 不同工況荷載計(jì)算

1)地震荷載計(jì)算

抗震穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),各條塊的地震慣性力按下式計(jì)算,將地震與重力之間建立系數(shù)轉(zhuǎn)換:

(4)

式中:Fi為第i條塊的水平地震慣性力(kN);α為設(shè)計(jì)地震加速度(m/s2),邊坡高度大,按7°區(qū),取0.1 g;ξ為折減系數(shù),可取0.25;βi為第i條塊的動(dòng)態(tài)分布系數(shù),可取1;Wi為第i條塊的重量(kN);g為重力加速度(m/s2)。

經(jīng)計(jì)算,將0.025帶入理正軟件自動(dòng)計(jì)算該工況邊坡穩(wěn)定性。

2)爆破荷載計(jì)算

考慮爆破振動(dòng)力,各條塊的水平爆破力可按下列公式計(jì)算,將爆破振動(dòng)力與重力之間建立系數(shù)轉(zhuǎn)換[9]:

(5)

(6)

式中:Fi′為第i條塊的爆破振動(dòng)力的水平向等效靜力(kN);αi為第i條塊爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)水平向最大加速度(m/s2);βi為第i條塊爆破動(dòng)力系數(shù),取0.1;Wi為第i條塊的重量(kN);g為重力加速度(m/s2);f為爆破振動(dòng)頻率(Hz),取10 Hz;Vi為第i條塊重心處質(zhì)點(diǎn)水平向振動(dòng)速度(m/s);Q為爆破裝藥量,取最大一段的裝藥量(kg),根據(jù)計(jì)算取70.56;Ri為爆破區(qū)藥量分布的幾何中心至觀測(cè)點(diǎn)或建筑物、防護(hù)目標(biāo)的距離(m),取200 m;K,a為與采場(chǎng)地質(zhì)條件、巖體性質(zhì)、爆破條件等有關(guān)的系數(shù),由振動(dòng)檢測(cè)和測(cè)試數(shù)據(jù)獲取,k取50,a取1.3。

3.4.2 楔形體滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

通過赤平投影分析,東側(cè)邊坡可能發(fā)生沿J1、層面形成楔形滑動(dòng),該段邊坡采用楔形滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算,采用理正軟件自動(dòng)計(jì)算楔形體穩(wěn)定性。邊坡開挖方向249°,綜合坡角53°;A-A′剖面高121 m,B-B′剖面高92 m,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表匯總表

3.4.3 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡為層狀巖體,根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB51016-2014附錄A.0.3確定邊坡為層狀巖體邊坡,其破壞模式可能為圓弧型。采用理正軟件自動(dòng)搜索計(jì)算,A-A′剖面高121 m,B-B′剖面高92 m。計(jì)算結(jié)果見表3。

3.5 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

整體穩(wěn)定性:采場(chǎng)邊坡巖體較破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為層狀巖體邊坡,可能產(chǎn)生圓弧滑動(dòng),選取典型剖面A-A’、B-B’計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù),可得現(xiàn)狀條件下,各工況邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于安全系數(shù),邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

局部穩(wěn)定性:東側(cè)邊坡可能沿節(jié)理組合交線發(fā)生楔形體破壞,經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算,現(xiàn)狀條件下各工況處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過赤平投影法、楔形體破壞法和圓弧滑動(dòng)法對(duì)邊坡不同工況穩(wěn)定性進(jìn)行分析,認(rèn)為該礦山東側(cè)巖質(zhì)邊坡現(xiàn)狀整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

該場(chǎng)地邊坡存在結(jié)構(gòu)面不利組合,局部區(qū)域開挖坡率較陡可能會(huì)產(chǎn)生小規(guī)模的崩塌。

坡率相近條件下,邊坡高度較大者邊坡穩(wěn)定性較差,爆破工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較地震工況影響大。