露天石灰巖礦山高邊坡巖體穩定性綜合分析

謝歡歡,夏江黔,廖德武,蘭中孝,顧曉紅

(貴州地礦基礎工程有限公司,貴州 貴陽 550081)

0 引言

石灰巖礦是貴州分布最廣的一種非金屬礦產資源,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理裂隙發育、巖性脆弱、表層覆蓋植被稀疏等特性,在強降水過程中容易發生滑坡、崩塌和地面塌陷等地質災害,礦山存在安全隱患大[1-2]。2022年3月國家礦山安全監督局關于印發《關于加強非煤礦山安全生產工作的指導意見》的通知(礦安[2022]4號)提出,需對現狀高度100 m及以上的采礦邊坡進行年度穩定性分析評價。有針對性的對石灰巖礦山高邊坡穩定性科學合理評價,是保障礦區生產活動的安全有序進行,節約礦產開采成本的關鍵基礎[3-4]。本文以冊亨縣某石灰巖礦高邊坡為例,于不同工況下綜合運用多種穩定性分析方法進行石灰巖高邊坡穩定性分析評價。以期為類似地質條件的石灰巖礦的開采利用與穩定性分析提供一些借鑒。

1 巖質邊坡穩定性評價方法

邊坡穩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和原位測試,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

工程中常用巖質邊坡定性圖解法為赤平投影法,其假設邊坡巖體是剛性的,不考慮內部塊體之間的應變,同時忽略條件力的作用。采用赤平投影穩定性分析時當結構面或結構面交線的走向與邊坡走向相反時,邊坡一般較穩定,當兩者走向相對一致時,則需通過二者的傾角進行進一步分析[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、簡化畢肖普法、簡布法和傳遞系數法等[8]。該類方法在分析的過程中主要應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系,從而達到對邊坡穩定性進行分析的目的。

(1)楔形體穩定計算局部不穩定塊體。采用赤平投影法結構面構成的的潛在不穩定塊體,并采用規范推薦的楔體法對開挖邊坡上的塊體進行抗滑穩定計算。

(1)

(2)

式中:Na與Nb分別為作用在潛在不穩定塊體不同結構面的有效法向力。

根據與的計算關系判斷楔形體可能滑動的結構面,再由不同安全系數數計算方法得出其穩定性數。

(2)瑞典條分法、簡化畢肖普法、簡布法和傳遞系數法等計算巖體整體穩定性。該類方法將不穩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)之比建立邊坡穩定性數表表達式:

F=S/T

(3)

式中:S為抗滑力矩(力),T為下滑力矩(力)。

根據規范規定不同邊坡安全等級,結合穩定系數判斷邊坡穩定性。

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模式,采用抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩定性。其方法相對直觀,容易為工程技術人員掌握,尤其對于貴州地區石灰巖等硬質巖,且結構面清晰的邊坡,該類方法能較合理的確定邊坡穩定性。

2 案例分析

2.1 工程概況

貴州省冊亨縣某露天石灰石礦山礦權開采深度+992.0～675.0 m,露天開采,開拓方式為中深孔爆破,臺階式開采,機械裝車,汽車運輸,礦權開采面積0.451 8 km2。礦區內現開挖形成平面投影面積約0.1 km2,采深東側形成高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。邊坡現狀見圖1。

圖1 采場東側開礦現場照片

2.2 石灰巖高邊坡形態及巖性

根據現場地質調查,東側邊坡長約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。邊坡按臺階式開采,形成各階邊坡高10～16 m,平臺寬12～23 m。

邊坡巖性為二疊系上統吳家坪+長興組(P3w+c)灰巖為含礦層位,該層含少量黑色燧石結核,抗風化能力強。

2.3 結構面特征

對場區選取代表性點進行結構面調統計,層面優勢(平均)產狀為137°∠34°。按照5度一組對節理傾向、傾角進行統計分析,繪制玫瑰花圖如圖2、圖3,得出第一組節理(J1)優勢產狀為286°∠56°,第二組節理(J2)優勢產狀為253°∠80°,第三組節理(J3)優勢產狀為325°∠57°,層面和節理面特征見表2,圖4、圖5。

表2 結構面特征統計表

圖2 節理傾向玫瑰花圖

圖3 節理傾角玫瑰花圖

圖4 巖體結構面照片

圖5 J1節理面正面照片

3 邊坡穩定性分析

3.1 計算參數的選取

選取礦區內典型的區域進行巖石取樣,并進行室內試驗。室內測試結果結合工程經驗,按《非煤露天礦邊坡工程技術規范》GB51016-2014[9]附錄C.1.2綜合取值為:巖體內摩擦角取標準值φ取31°(實測巖石內摩擦角0.8折減),重度27 kN/m2(實測),粘聚力取250 kPa(經驗);結構面內摩擦角φ取20°(經驗),粘聚力取55 kPa(經驗);層面內摩擦角φ取27°(經驗),粘聚力取90 kPa(經驗)。

3.2 典型剖面和工況選取

選取東側2個典型地質剖面A-A′和剖面B-B′進行分析及計算,剖面簡圖見圖6、圖7。

圖6 A-A′剖面簡圖

圖7 B-B′剖面簡圖

根據水位地質條件分析,地表排水條件好,地下水位埋深低,本評價不考慮地下水影響,工況考慮為以下三種:

工況Ⅰ:自重,安全系數1.2～1.15

工況Ⅱ:自重+爆破振動,安全系數1.18～1.13

工況Ⅲ:自重+地震力,安全系數1.15～1.10

3.3 赤平投影定性分析邊坡穩定性

北側邊坡開挖方向249°,綜合坡角53°。根據三組裂隙、邊坡坡向、開挖坡度、巖層產狀,采取赤平及射投影法分析巖質邊坡結構面的穩定性,赤平極射投影如圖8。

圖8 東側邊坡赤平投影圖

一組結構面分析:J1節理與開挖面夾角為38°,但節理面傾角56°≥邊坡開挖坡角53°;J2節理與開挖面夾角為4°,但節理面傾角80°≥邊坡開挖坡角53°該段邊坡無外傾結構面,邊坡為穩定結構,沿節理滑動可能性小。

兩組結構面組合分析:經赤平投影分析,該側邊坡巖層面和J1節理組合交線位于邊坡內側,邊坡可能沿組合交線發生楔形體破壞。

邊坡可能破壞模式:(1)層面和J1節理組合交線發生楔形體破壞;(2)邊坡為層狀巖體,根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》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 楔形體和圓弧滑動法計算邊坡穩定性

3.4.1 不同工況荷載計算

1)地震荷載計算

抗震穩定性計算時,各條塊的地震慣性力按下式計算,將地震與重力之間建立系數轉換:

(4)

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

經計算,將0.025帶入理正軟件自動計算該工況邊坡穩定性。

2)爆破荷載計算

考慮爆破振動力,各條塊的水平爆破力可按下列公式計算,將爆破振動力與重力之間建立系數轉換[9]:

(5)

(6)

式中:Fi′為第i條塊的爆破振動力的水平向等效靜力(kN);αi為第i條塊爆破振動質點水平向最大加速度(m/s2);βi為第i條塊爆破動力系數,取0.1;Wi為第i條塊的重量(kN);g為重力加速度(m/s2);f為爆破振動頻率(Hz),取10 Hz;Vi為第i條塊重心處質點水平向振動速度(m/s);Q為爆破裝藥量,取最大一段的裝藥量(kg),根據計算取70.56;Ri為爆破區藥量分布的幾何中心至觀測點或建筑物、防護目標的距離(m),取200 m;K,a為與采場地質條件、巖體性質、爆破條件等有關的系數,由振動檢測和測試數據獲取,k取50,a取1.3。

3.4.2 楔形體滑動穩定性計算

通過赤平投影分析,東側邊坡可能發生沿J1、層面形成楔形滑動,該段邊坡采用楔形滑動穩定性計算,采用理正軟件自動計算楔形體穩定性。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,計算結果見表3。

表3 穩定性計算結果表匯總表

3.4.3 圓弧滑動穩定性計算

邊坡為層狀巖體,根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》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。采用理正軟件自動搜索計算,A-A′剖面高121 m,B-B′剖面高92 m。計算結果見表3。

3.5 穩定性評價

整體穩定性:采場邊坡巖體較破碎,節理裂隙發育,邊坡地質結構為層狀巖體邊坡,可能產生圓弧滑動,選取典型剖面A-A’、B-B’計算穩定性系數,可得現狀條件下,各工況邊坡穩定性系數大于安全系數,邊坡處于穩定狀態。

局部穩定性:東側邊坡可能沿節理組合交線發生楔形體破壞,經穩定性計算,現狀條件下各工況處于穩定狀態。

4 結語

通過赤平投影法、楔形體破壞法和圓弧滑動法對邊坡不同工況穩定性進行分析,認為該礦山東側巖質邊坡現狀整體處于穩定狀態。

該場地邊坡存在結構面不利組合,局部區域開挖坡率較陡可能會產生小規模的崩塌。

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