某石灰石礦邊坡穩定性影響因素分析與防治建議

尚迎軍

(蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004)

某石灰石礦邊坡穩定性影響因素分析與防治建議

尚迎軍

(蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司, 江蘇蘇州市 215004)

露天礦邊坡穩定性是制約礦山安全生產的重要因素,為保障某石灰石礦山的正常生產,對影響該礦露天邊坡穩定性的因素進行了歸類,并指出邊坡失穩破壞是多種因素共同作用的結果;根據邊坡失穩的不同誘因給出了相應的防治建議。

石灰石露天礦;邊坡穩定性;影響因素;防治措施

0 引 言

邊坡穩定性一直是制約露天礦安全生產的重要因素,在露天礦的生產歷史中,露天礦山邊坡不斷發生各類失穩或滑坡事件,如金川露天礦滑坡、撫順西露天礦滑坡、大冶鐵礦滑坡、安家嶺露天礦滑坡、勝利露天礦滑坡、小龍潭露天礦滑坡、平莊西露天礦滑坡、白銀露天礦滑坡、鹽池河磷礦山崩、哈密三道嶺露天礦滑坡、前河露天礦滑坡、紅旗嶺露天礦滑坡、日本影森石灰石露天礦滑坡等重大事故[1],給礦山企業的安全生產和生活造成了巨大的威脅和損失。因此,保證露天礦邊坡穩定是礦山安全開采的關鍵,具有非常重要的意義。

本文以某石灰石礦為工程背景,對影響該露天礦邊坡穩定性的因素進行了歸類,進而根據邊坡失穩的不同誘因給出相應的防治建議,對保證露天礦的安全生產具有一定的理論和現實意義。

1 礦山概況

某石灰石露天礦位于低山丘陵區內,巖層走向為北東-南西,東翼比西翼略陡,西翼傾角20°～40°,東翼傾角30°～50°,局部達75°～80°,產狀較穩定,變化有規律性。該礦區的礦體及圍巖均以碳酸巖為主,次為泥巖、鈣質泥巖,屬堅硬、半堅硬巖石。礦區內斷層分布少,展布規模小。影響礦山開采的地質構造主要為溶蝕構造和裂隙構造,地表溶蝕寬度0.5～0.8 m。

該區屬亞熱帶溫濕季風氣候,四季分明,年平均降水量965.5 mm,多集中在4～9月,約占全年降雨量的75%,且多暴雨。礦區內無常年性地表徑流,區內巖溶有一定發育,地下水類型主要為巖溶裂隙水、溶洞水。不少巖溶孔洞、泉點連通形成地下管道或地下暗河。

2 露天礦邊坡破壞型式

露天礦邊坡失穩主要表現為崩塌和滑坡2種形式。崩塌一般發生在高陡邊坡的坡肩位置,發生較為突然,運動快速。滑坡是邊坡巖土體沿貫通的剪切面發生滑移的現象,是由于某一滑移面上的剪應力超過該面上的抗剪強度所致,規模較大,可分為平面滑動、楔形滑動和圓弧滑動3種類型。崩塌與滑坡的示意如圖1和圖2所示。

圖1 崩塌示意

3 露天礦邊坡穩定性的影響因素

一般情況下,露天礦邊坡的失穩破壞并不是單一因素影響的結果,而是由多種因素共同影響所致,影響該石灰石礦邊坡穩定性的因素主要如下。

(1)邊坡結構參數。露天礦邊坡的結構參數包括平臺寬度、臺階高度、臺階坡面角、坡高、最終邊坡角等。在一定的地質條件下,邊坡的穩定性主要取決于邊坡的結構參數,是影響邊坡穩定性的內在因素。平臺寬度影響邊坡角的大小和邊坡的穩定,平臺最小寬度必須保證運輸和安全的需要[2]。當邊坡角一定時,邊坡越高,穩定性越差;當邊坡高度一定時,邊坡角越大,穩定性越差。

(2)巖石的物理力學性質。巖石的物理力學性質主要包括密度、空隙性、吸水性、軟化性和抗凍性等,這些性質主要取決于所含的造巖礦物,巖石性質的差異是影響邊坡穩定性的重要因素。主要表現為:邊坡的破壞與巖石的礦物成分、親水特性和抗風化能力有關,親水性強且抗風化能力差的巖石組成的邊坡較易破壞,如二疊系煤系巖組和古老的泥質變質巖系都是易滑地層巖組;巖組特征對邊坡的變形破壞有直接影響,堅硬完整的塊狀或厚層狀巖組可以形成相當高的陡立邊坡,而軟弱地層中形成的邊坡一般坡度較緩;在干燥狀態下一些邊坡是穩定的,但一旦遇到水的浸泡,邊坡巖石的強度便大為降低,出現失穩破壞,這充分說明了巖石性質對邊坡的變形破壞有直接影響。

(3)結構面。巖石結構面的發育程度、規模、連通性、產出狀態、充填程度和充填物成分對邊坡的穩定性具有極大的影響。巖體的力學性質不僅受巖石類型控制,更主要的是受結構面的控制,表現出非均質、不連續、各向異性的特征[3],直接影響邊坡巖體的變形、破壞的發生和發展過程。該礦區的主要結構面包括巖層面、裂隙面和松散層界面等,區內巖性單調,巖層呈薄～中厚層狀,原生沉積層面發育,但礦層中無軟弱夾層,不具易崩易滑條件,因此原生沉積層理面不屬于不良結構面。裂隙多為閉合的剪切裂隙,部分為張性,呈“V”形開口,并有充填物,傾角陡,在坡體局部地段形成順傾角的不良結構面,易造成掉快、崩落等現象,在采礦的過程中應嚴加防范。

(4)地表水和地下水。受地表水的滲入和地下水滲流的影響,露天礦的滑坡多發生在雨季或解凍期[4]。水對巖體的作用主要表現為軟化、泥化、沖刷、凈水壓力和動水壓力。主要表現為水對巖體有著明顯的化學、物理作用,能夠侵蝕和溶解巖體,巖體中的可溶成分被溶解后隨地下水流走,產生潛蝕作用,破壞了巖體的結構,使邊坡巖體發生失穩破壞。當地下水和結構面連通時,對邊坡穩定性的影響更大;地下水的滲透對邊坡巖體產生了一定的動水壓力,降低了巖體的有效應力,同時,增加了巖體的含水量,弱化了巖體的強度參數,導致邊坡失穩破壞;水的滲透改變了邊坡內地下水的滲流場分布,同時巖體中滲流與應力強烈作用。這些因素都會對邊坡的穩定性帶來不利的影響。該礦區內無常年性地表徑流,區內巖溶有一定發育,地下水類型主要為巖溶裂隙水、溶洞水。不少巖溶孔洞、泉點連通形成地下管道或地下暗河,對邊坡的穩定性將會產生一定的影響。

(5)氣候。氣候對邊坡的穩定性也有很大的影響,主要表現為降雨對邊坡穩定性的影響。大氣降雨補給了地下水,一方面弱化了巖體的強度參數,使邊坡滑動面的抗滑能力降低;另一方面使邊坡的下滑力增強,二者結合起來極大地降低了邊坡的穩定性。該礦區屬于亞熱帶季風氣候,4～9月降雨較多,且多暴雨,暴雨是本礦區露天開采的主要不利因素,因此,在此期間應加強對邊坡的巡查力度,及時發現問題并采取措施解決。

(6)風化作用。風化作用對邊坡穩定性的影響主要體現為:使巖石劈裂、崩解,增加裂隙的數量和規模,降低了巖石的抗剪強度;增加了巖體的透水性,使地表水更易于侵入地下,地下水更易滲透;當沿裂隙風化時,可使巖體脫落或沿邊坡崩塌、堆積、滑移。巖石風化越深,邊坡的穩定性越差,穩定坡角越小。石灰巖為抗風化能力較強的巖石,區內強風化巖石主要分布在西北側,僅局限于地表巖層,巖石風化殘積形成的黃土分布零星,多充填于地表溶蝕裂隙或洼地,厚度一般為0.5～2 m。因此,風化作用對該礦山邊坡穩定性影響不大,但也應注意對局部風化區的處理。

(7)人類工程活動。邊坡長期經受爆破震動的反復作用。生產爆破作業破壞了邊坡巖體的完整性,新形成的邊坡巖體破壞嚴重,表層巖石破碎,易剝落崩塌,易受風化、地下水滲透等因素的影響,從而降低了邊坡的穩定性。一些人為因素也會導致邊坡的破壞與滑移,比如邊坡維護和管理不到位,作業人員違規操作,超挖坡腳、在邊坡上部堆置廢石及設備,都會降低邊坡的穩定性。另外,露天礦臺階上汽車和挖掘機等大型設備的震動對邊坡的穩定性也有影響,有時會觸發局部臺階的滑動。

4 邊坡破壞的防治建議

隨著該石灰石礦不斷向深部開采,邊坡的穩定性也在不斷發展變化之中,為了保證采礦作業的安全,針對以上誘發邊坡破壞的因素,建議采用以下的防治措施進行治理。

(1)加強地質勘察,查明不良地質構造。礦區地質勘察是露天礦進行邊坡穩定性分析的基礎,應對礦區的巖性、水文地質、巖體結構面等進行深入的了解,查明對邊坡穩定性起主要影響的不良地質構造,根據勘察資料做好設計和開采工作。

(2)合理確定邊坡結構參數。根據礦石的賦存條件、邊坡巖石的物理力學性質、開采技術條件和采掘設備,合理確定邊坡的結構參數,保障邊坡的穩定性,維持露天礦山的正常生產。

(3)加強邊坡監測。露天礦邊坡的破壞是一個變化發展的過程,為了避免邊坡破壞對人員和財產的傷害,應加大技術投入,采取必要的手段對邊坡進行變形監測,及時掌握邊坡的變形規律,并針對邊坡的破壞類型采取有效的治理手段。主要監測內容有:地表位移、巖體深層水平位移、地聲、應變、地下水位、孔隙水壓力、降雨量等。

(4)查明水源,排水疏干。水對邊坡的穩定性有很大影響,能夠顯著降低巖體的抗剪強度,危害邊坡的穩定性。因此,需要竭力查明水源。采用挖溝排(截)洪、封閉邊坡地裂縫、修筑防水堤壩、整治河道,控制地表水源;同時,采用地下疏干方法降低地下水位,減小潛在破壞面附近的水壓。一般采用地表排水、水平疏干孔、垂直疏干井、地下疏干坑道等方式進行治理。

(5)合理設置支擋工程。支擋工程可以改善邊坡的力學平衡條件,提高邊坡抗滑力,主要有擋墻、抗滑樁、錨桿(索)和支撐工程等。其中,錨桿(索)已經成為治理巖質邊坡滑坡和崩塌的有效措施,主要通過錨桿(索)上施加的預應力以提高滑動面上的法向應力,進而提高該面的抗滑力,改善剪應力的分布狀況。

(6)嚴格控制爆破震動。為了降低爆破震動對邊坡的影響,對于臨近邊坡的爆破作業采取控制爆破技術,嚴格控制炸藥類型和孔網參數,避免因頻繁的生產爆破導致邊坡巖體及結構面強度降低從而誘發滑坡,影響邊坡的穩定性。

(7)做好邊坡維護與管理工作。在露天礦開采的過程中,應做好邊坡的維護工作,保護坡面免受雨水沖刷,防止或延緩巖石表面的風化、碎裂、剝蝕演變過程。常用的坡面防護方法有植物防護和礦料防護。此外,還應加強礦山的安全生產監督管理與安全教育,加速采礦人才培養,加大礦山安全技術與管理人員的安全培訓力度,建立專門的邊坡維護隊,建立安全規章制度,實行安全生產責任制。

5 結 論

露天礦邊坡穩定性是制約露天礦安全生產的重要因素,邊坡一旦發生失穩破壞,將會造成人員的重大傷亡和財產的巨大損失。本文對某石灰石露天礦邊坡穩定性的影響因素進行了總結與歸類,并給出了一些防治建議。邊坡的變形與破壞是多種誘導因素共同作用的結果,在進行邊坡治理的過程中,應做到具體情況具體分析,針對不同的誘因,采用相應的防治措施預防邊坡失穩事故的發生。

[1]李 聰,姜清輝,周創兵,等.基于實例推理系統的滑坡預警判據研究[J].巖土力學,2011,32(4):1069-1076.

[2]于庭安,戴興國.露天礦邊坡穩定性的安全因素分析[J].礦業安全與環保,2008,35(1):73-76.

[3]尚岳全,王 清,蔣 軍,等.地質工程學[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]唐廷宇,陳福民.影響露天礦邊坡穩定的主要因素及防范措施[J].礦業工程,2008,6(2):14-15.

2012-05-21)

尚迎軍(1979-),男,江蘇蘇州人,助理工程師,主

要從事非金屬礦山開采設計工作,Email:sks1118@126. com。