昆陽磷礦采掘場與排土場邊坡穩定性分析

李天華　李小雙　李耀基　黃　杰　王孟來

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心；2.云南磷化集團有限公司)

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昆陽磷礦采掘場與排土場邊坡穩定性分析

李天華1,2李小雙1,2李耀基1,2黃杰1,2王孟來1,2

(1.國家磷資源開發利用工程技術研究中心；2.云南磷化集團有限公司)

摘要通過理論分析、現場調研、數值計算分析等方法，對昆陽磷礦采掘場與排土場的邊坡穩定性進行了分析。結果表明：①自燃區域采掘場最終幫坡角為38°時，邊坡穩定系數為1.24，端幫最終幫坡角為40°時，邊坡基本穩定，其余部位的最終幫坡角為32°時，邊坡穩定系數為1.25；②露天礦外排土場的排棄高度為60 m，最終幫坡角為22°時，邊坡穩定系數為1.26，內排土場的排棄高度為100 m，最終邊坡角為22°時，邊坡穩定系數為1.28。上述分析成果對于確保昆陽磷礦安全生產有一定的參考價值。

關鍵詞邊坡穩定性采掘場排土場最終幫坡角穩定系數

露天磷礦采掘場、排土場的邊坡穩定性直接關系到礦山生產能否正常進行，對露天磷礦具有重要的經濟與安全意義[1-4]。對此，大量學者[5-10]分別采用了理論研究、現場調研、數值計算、工程類比分析等方法對露天礦山邊坡穩定性進行了研究，成果豐碩。以云南磷化集團有限責任公司(以下簡稱云磷集團)昆陽露天礦為研究對象，對其采掘場、排土場的邊坡穩定性進行分析研究。

1工程概況

昆陽磷礦區開發始于1965年，由云南磷化工礦務局開發建設，下轄2個露天礦，即昆陽磷礦露天礦和昆陽磷礦二礦區露天礦，經過多次擴建和技改，已建成機械化程度較高、開采工藝先進的大型磷礦企業。2012進行了昆陽磷礦露天礦后期技改工程，采用單斗-汽車間斷工藝，將昆陽磷礦二礦區設計生產能力提高至1.0 Mt/a，昆陽磷礦露天礦維持在2.6 Mt/a生產能力，目前全礦設計生產能力達到3.6 Mt/a。現昆陽磷礦露天礦西幫、北幫邊坡部分到界，西幫、西北幫和北幫邊坡出現了一些不穩定現象。在昆陽磷礦露天礦以往的生產過程中，針對該類不穩定現象，對西幫、西北幫和北幫邊坡進行了清幫減載、疏干排水、錨索加固等安全措施，安全投資已超過1.2億元，不僅提高了昆陽磷礦露天礦現狀邊坡的穩定性，而且積累了豐富的安全生產經驗，為礦區五期擴建奠定了堅實的基礎。

2采掘場與排土場邊坡穩定性分析

2.1巖(土)體結構類型及對邊坡的影響

從礦山生產應用的角度分析，以巖體的結構面和結構體特征為依據，將礦區巖體結構劃分為散體結構、碎裂結構、層狀結構和塊狀結構等4類。散體結構易被暴雨淋蝕，尤其禁忌底部浸泡潛蝕，嚴防崩塌、倒塌、滑移，適當安排土層邊坡地表水及層底潛水排疏系統；碎裂結構須加強維護；層狀結構屬較完整，穩定性良好；塊狀結構體是區內各類結構體中巖體完整性和穩定性最佳的。

2.2采場邊坡穩定性評價2.2.1區域穩定性

露天礦區地處地臺的次級構造單元——伊陜單斜的東勝—靖邊區內。區內基底為前震旦系結晶巖系，地史演繹表現為升降運動，地層水平，無巖漿活動、無斷層。近百年來，未發生過大于2.5級的地震，屬無震害區。

2.2.2邊坡類型

根據露采礦層所形成的邊坡工程地質特征，參照《煤、泥炭地質勘查規范》(DZ/T 0215—2002)，可將昆陽磷礦露天邊坡劃分為2類，見表1。

表1　昆陽磷礦露天邊坡類型

“松散軟弱巖類型”為散體結構和風化巖碎裂結構體，“堅硬巖石類型”為層狀結構和塊狀結構體。“一型”表示巖性較單一，不含水或含水但易于疏干；“三型”表示巖體松散或裂隙甚發育，且含水，易發生工程地質問題。西灣露天區的工程地質和水文地質條件按上述標準分類后，邊坡上部為松散軟弱巖類三型，下部為堅硬巖石類一型。

2.2.3邊坡穩定性理論分析

根據區內巖石的物理力學性質條件，可將露天區邊坡定為松散巖石、堅硬巖石2類。除區域應力場穩定性條件外，決定邊坡穩定性的還有巖石的機械物理力學性質，但更重要的因素是巖體結構面性質及其對水的敏感性。完整的邊坡結構體序列自上而下分別為散體結構、碎裂結構、層狀結構和塊狀結構。露天礦區的永久頂幫(西界永久邊坡)和露采過程中的推進幫(工作幫)和臨時邊坡(非工作幫)，大都為上述完整的結構序列，隨著露采向深部推進，層狀結構和塊狀結構相應逐漸增厚。因此，邊坡的不穩定因素在上部，因而維護和加固的重點為邊坡上部。露天礦區的拉溝底幫(東界永久邊坡)則情況迥異。該邊坡巖體結構序列由散體結構和風化碎裂結構組成，初期采區的15#～17#勘探線的拉溝底幫便為該巖體的結構序列。該邊坡巖體即便存在層狀結構和塊狀結構，也較薄，且風化巖碎裂結構含水，風化裂隙對水的敏感性強，故拉溝底幫的穩定性較差，應合理安排排疏系統并加強邊坡加固維護工作。層狀結構中軟弱夾層的屬性應為一些泥巖和炭質泥炭所具有。該區層狀結構體中的泥巖對水的親合力性狀多屬崩解或碎裂狀態，少有泥化現象。區內巖體為水平疊置，只要實現燒變巖孔洞裂隙潛水對拉溝底幫的滲壓的有效防治，邊坡的滑移和大滑坡便不會發生，原因是泥巖軟弱夾層在巖體自重壓力下，層理會閉塞。值得重視的是高角度縱深張性大裂隙(礦區到處可見)，燒變巖儲水構造會從該裂隙中向礦場滲注水，隨著暴雨來臨，便會發生大的崩塌和小滑坡，故除留設100 m保安煤柱外，還需采取防滲注水的風化碎裂結構保護措施。應當指出，自燃邊界外“自燃殘留礦柱”之上，通常有厚數十厘米的煤灰(局部厚度大于1 m)，即為真正的“軟弱夾層”，故露采時需留設100 m寬度的保安礦柱。因自燃邊界外為燒變巖孔洞裂隙儲水構造，謹防向礦場突水，更應嚴防煤灰飽水后牽動拉溝底幫發生失穩滑移。

2.3采掘場邊坡穩定性分析

根據采場與地層的關系，可將露天礦邊坡穩定情況分為工作幫邊坡、端幫邊坡、非工作幫邊坡等3類。工作幫邊坡走向與巖層層理走向平行，邊坡巖層與邊坡傾向相反，工作幫邊坡高度為露天采坑的最大開采深度；端幫邊坡與層理走向近似垂直，其高度隨著采深的增加而增加；非工作幫邊坡主要由煤層底板構成。露天礦邊坡穩定主要受物料強度、結構面空間位置、強度、層理、斷層及節理等因素的影響。端幫邊坡與巖層層理近似垂直，其穩定性受巖層強度、節理斷層控制，滑坡可能為圓弧滑坡、楔形體滑坡，本研究僅對圓弧滑坡進行計算分析。工作幫邊坡巖層傾向與邊坡傾向相反，巖層中的節理相對散亂，邊坡滑坡模式為圓弧模式。非工作幫邊坡主要由煤層底板及煤層上部的巖層構成，可能發生的滑坡模式為圓弧滑坡和圓弧直線滑坡。根據礦區地質報告，不同巖層的力學性質參數見表2。

表2　巖層物理力學性質參數

圖1　自燃區域邊坡穩定計算結果

圖2　最終幫坡角為32°邊坡穩定計算結果

非工作幫運煤干道基底存在燒變巖，在采掘場一側預留100 m的煤柱，并加強該位置的變形監測，一旦發現異常立應即采取相應的補救措施。采掘場運輸平盤或安全平盤的寬度應根據風化巖石在平盤上的堆積寬度、運輸設備要求以及巖石風化后的自燃安息角確定。對于堅硬巖石應根據大塊巖石在平盤上的滾落距離確定平盤寬度。本研究端幫及非工作幫留設安全平盤和清掃平盤的寬度為3 m，運輸平盤寬度為40 m。

2.4排土場邊坡穩定性分析

昆陽磷礦露天礦內外排土場的基底巖性有所區別，外排土場基底巖石由第四系及下部基巖構成，由上至下主要由表土、細砂、黏土、粉質黏土、砂巖、泥巖等構成，排土場基底鉆孔范圍內未見地下水。排土場基底較穩定，未發現不良地質作用及地下水影響，適合外排土場場地的選擇。內排土場基底為砂巖和泥巖，其強度相對較高。因此，內外排土場邊坡的滑坡模式不一致，對于外排土場而言，由于基底較軟，滑弧可穿過基底，其滑動模式為圓弧滑坡；內排土場邊坡基底強度較高，滑弧穿過基底相對較難，其滑坡模式為圓弧直線滑坡。排棄物料為煤層頂板以上的砂巖、砂質泥巖、泥巖及第四系層砂、土等混合物料，其內摩擦角為各類物料的均值(26°)，凝聚力為10 kPa，松散系數為1.15時，天然密度為1.90 t/m3。內排土場基底內摩擦角為30°，凝聚力為10 kPa，天然密度為2.52 t/m3；外排土場基底內摩擦角為22°，凝聚力為50 kPa，天然密度為1.75 t/m3。經計算，露天礦外排土場的排棄高度為60 m，邊坡角為22°時，邊坡穩定系數為1.26(圖3)；內排土場的排棄高度為100 m，最終邊坡角為22°時，邊坡穩定系數為1.28(圖4)。

圖3　外排土場邊坡穩定計算結果

圖4　內排土場邊坡穩定計算結果

3結語

露天磷礦邊坡的穩定性與礦山安全生產息息相關，本文研究以昆陽磷礦露天礦為例，采用Bishop、瑞典條分法對其采掘場與排土場的邊坡穩定性進行了分析。本研究是在假定巖石臺階為均質的基礎上得出的邊坡穩定性分析結論，若巖石臺階節理傾向采掘場，且節理交叉形成楔形滑體，則有可能造成局部滑坡。因此在開采時，須密切注意巖石臺階的節理變化，若有節理交叉形成的楔形體，須對該類楔形體進行誘滑處理，處理完畢后，方可進行采礦作業。

參考文獻

[1]劉漢東.邊坡失穩定時預報理論與方法[M].鄭州：黃河水利出版社，1995.

[2]陳梵，章光，王丹丹，等.基于GA-GRNN的露天礦山邊坡穩定性評價[J].現代礦業，2016(1)：196-197.

[3]孫嘉，劉濤.露天礦排土場攔石壩設計及其穩定性驗算[J].現代礦業，2016(3)：195-196.

[4]謝濤，何文，盧春燕.巖質邊坡穩定性監測技術研究進展[J].現代礦業，2016(1)：151-157.

[5]劉春.巖土力學參數數據庫的開發與取值研究[D].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2003.

[6]郭志華.層狀巖體宏觀力學參數的計算機模擬試驗[D].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2004.

[7]李向陽.采空場上覆巖體變形特性研究[D].武漢：武漢大學，2004.

[8]巫德斌.層狀巖體邊坡工程力學參數研究[D].南京：河海大學，2005.

[9]黃潤秋.巖石高邊坡穩定性工程地質分析[M].北京：科學出版社，2012.

[10]段永偉，胡修文，吁燃，等.順層巖質邊坡穩定性極限平衡分析方法比較研究[J].長江科學院院報,2013，30(12)：65-68.

(收稿日期2016-03-28)

Stability Analysis of the Slope of the Mining Field and Waste Field of Kunyang Phosphate Mine

Li tianhua1,2Li Xiaoshuang1,2Li Yaoji1,2Huang Jie1,2Wang Menglai1,2

(1.National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization;2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.,Ltd.)

AbstractThe stability of the mining field and waste dump of Kunyang phosphate mine are analyzed by adopting the scene investigation, theoretical analysis and numerical simulation method. The results show that ①when the eventual slope angle of the mining field of spontaneous combustion zone is 38°, its slope stability coefficient is 1.24;when the eventual end slope angle of spontaneous combustion zone is 40°, the slope is stable in normal conditions;the eventual slope angle of the reset parts of spontaneous combustion zone is 32°,and its slope stability coefficient is 1.25. ②when the open-pit mine abandoned outside height is 60 m ,the eventual slope angle is 22° and slope stability coefficient is 1.26;when the open-pit mine abandoned inside height is 100 m,the eventual slope angle is 22° and slope stability coefficient is 1.28.The above analysis results have some reference for the safety production of Kunyang phosphate mine.

KeywordsSlope stability, Mining field, Waste field, Eventual slope angle, Stability coefficient

李天華(1966—)，男，副總經理，高級工程師,650600 云南省昆明市晉寧縣。