七寶山金礦排土場穩定性分析

孟中華，郝立輝，鄒 平，劉正宇，李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012； 2.五礦有色金屬股份有限公司，北京 100044； 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 前 言

七寶山金礦排土場自1993年至今，未在該排土場進行過排放。該排土場面積約8.4×104m2，排土場最高標高為+201 m，有+166，+195 m兩個臺階。其東側和北側高度達40 m，南側和西側的高度為20 m。沿東側+150 m標高起設有運輸道至坡頂，東側下為堯頭河，西南側靠近七寶山露天坑。為了進一步了解排土場的穩定情況和其對西南側露天采坑邊坡的影響，需要對該排土場的穩定性進行研究分析。

1 區域地質條件

1.1 地形地貌

區域地形東高西低、南高北低，山丘連綿，沖溝發育，多呈樹枝狀。區域內最高處七寶山海拔高程+275.5 m，最低處濰河河床海拔高程+105.80 m。丘陵高程一般為+160～+200 m，大部分基巖裸露，為風化剝蝕低山丘陵地貌形態。

1.2 區地層

礦區內出露的地層主要為白堊系，次為第四系。白堊系由青山群組成。青山群為一系列陸相火山噴出巖，巖性為安山質火山巖及碎屑沉積巖。青山群地層走向北東50°，傾向北西，傾角10°～30°。

1.3 構造特征

區內構造以斷裂為主，規模較大的有七寶山北北東向隱伏斷裂(F2)、杏山峪NE向斷裂(F3)和杏山峪NW向斷裂(F4)，規模較小的次級斷層以NE和NW向為主。

1.4 地表水系

區內河流主要為泉河的支流堯頭河和長老莊河。兩河分別位于礦區東、西兩側，屬季節性河流。堯頭河發源于礦區南部丘陵區，全長9 km，流域面積22 km2，由南向北經礦區東部向北注入礦區東北2 km處的墻夼水庫，平時流量小，旱季干涸；長老莊河發源于礦區西南部丘陵區，由南向北經礦區西部向北徑流，在礦區北部向東匯入堯頭河，平時干涸，只在汛期短時有水。

2 散體物理力學性質試驗及參數的確定

排土場散體巖土物理力學性質試驗包括現場試驗和室內試驗兩種，現場試驗包括散體巖土的容重、含水量、塊度組成、自然安息角等參數的測試；室內實驗主要是對粒徑<5 cm的散體巖土進行大型直剪試驗。綜合實驗結果從而求得排土場散體巖土的強度參數c、φ值。

2.1 排土場散體成分

(1) 土體。礦區第四系為沖洪積、坡洪積物。沖洪積粉質粘土、砂礫主要分布于露天采場東南河谷兩側；坡洪積紅色粘土夾鐵質角礫巖主要分布于山坡中下部，厚度一般小于1 m且部分被基巖露頭阻隔，分布不連續。

(2) 巖體。礦山開采剝離的安山玢巖、閃長玢巖、角礫巖巖塊，其中安山玢巖為堅硬巖，閃長玢巖堅硬-較堅硬巖，角礫巖較堅硬巖。

2.2 排土場巖土塊度分布的試驗方法

(1) 制定七寶山金礦排土場巖土塊度分布規律的研究方案如圖1所示。

圖1 排土場巖土塊度分布規律研究方案

(2) 采用有篩分法和直接量測法確定七寶山排土場巖土塊度分布。對現場挖掘的標準坑內采集的試樣進行初分，其粒徑尺寸較大(≥200 mm)的巖塊直接量測其尺寸；粒徑尺寸較小(<200 mm)的巖塊運至實驗室，由一套孔徑不同的篩子進行篩分，并稱量每一級的篩余量，計算出各級篩余量或各粒級組的含量。測得的散體巖土塊度分布如圖2所示。

圖2 現場P-3樣坑散體巖土顆粒大小分配

(3) 排土場自然安息角測量。采用平直寬木板(寬約30 cm，長約300 cm)和羅盤對七寶山金礦排土場邊坡自然安息角進行測量，共測量的邊坡自然安息角數據32個，其中排土場東側邊坡上部10個，排土場東側邊坡下部16個，排土場西南側邊坡6個。經計算，該排土場自然安息角為37°。

2.3 直剪試驗

采用中科院武漢巖土力學研究所自行研制的應變控制式大型室內、現場兩用直剪裝置(壓力傳感器量程、精度為200 kN/0.02 kN，位移傳感器量程、精度為100 mm/0.0002 mm)對七寶山排土場粒徑小于5 cm的散體巖土樣品(取樣量775 kg)進行室內實驗。試驗時，分別按200，400，600 kPa和800 kPa四級荷載進行直剪試驗，部分試驗剪切位移-剪應力關系、峰值剪應力與正應力曲線如圖3、圖4所示。

2.4 排土場散體巖土測試數據分析及參數的確定

2.4.1 計算c、φ值

根據排土場塊度分布的實測資料和實驗室剪切試驗結果(c及φ)，計算出內摩擦角和粘結力隨排土場不同高度的變化。即已知細顆粒巖土的剪切結果(c及φ)和細粒級在不同層位上的分布規律，再按顆粒組成對c和φ的相關曲線分析計算不同級配物料(細粒級和大塊各占的比例)的c和φ。根據細粒級巖石的抗剪試驗的粘結力c，計算某位置處混合粒級的粘結力ci：

chi=cMhi×aMhi

(1)

式中，chi為坡頂值hi處混合粒級巖石的粘結力；cMhi為hi處細粒級巖石的粘結力；aMhi為hi處細粒級占的比例。

同理，已知細粒級的內摩擦角可以計算混合粒級巖石的內摩擦角φk：

tanφhi=tanφk-(tanφk-tanφMhi)aMhi

(2)

式中，φk為大塊巖石的內摩擦角，等于其自然安息角；φMhi為hi處細粒級巖石內摩擦角。

根據散體巖土現場測試結果和<5 cm粒徑室內直剪試驗的成果，并按式(1)、式(2)計算混合粒級散體巖土的物理力學參數，如表1所示。

圖3 位移-剪應力關系曲線

圖4 直剪峰值剪應力與正應力關系

2.4.2 排土場巖土體物理力學參數確定

參考上述散體的力學參數試驗研究成果，以及前期邊坡穩定性研究的成果，并采取工程類比的方式，確定該排土場巖土體力學參數,如表2所示。

3 排土場穩定性極限平衡分析

考慮七寶山金礦角巖與南坑排土場邊坡潛在滑面的形狀問題，采用的極限平衡法分析方法,主要包括：基于滑面是圓弧形狀的簡化Bishop(畢曉普)法、基于滑面是任意形狀的摩根斯坦-普賴斯法(Morgen-Prince)方法。

表1 排土場混合粒級散體巖土物理力學參數計算

表2 排土場邊坡巖土體物理力學參數

3.1 滑動模式與滑面的確定

(1) 滑動模式。排土場物料來源于受隱爆角礫巖筒控制的礦巖，主要是安山玢巖、閃長巖、閃長玢巖及角礫巖等，所以排土場內部廢石的潛滑面為圓弧型滑面或其它光滑曲面；排土場地基表層為第四系碎石土層，強度低，地形坡度較陡，加之排土場為高邊坡，散體巖土厚度大,所以排土場存在沿基底接觸面滑坡的可能；排土場地基含有較軟弱的地層或弱面時，由于軟弱層強度或承載能力較低，在排土場散體巖石載荷或雨水等因素作用下易產生地基沉降和差異沉降，地基底鼓和滑動，從而產生沿軟弱地基的滑坡。

(2) 滑面。在一定的強度指標和滑動模式下，實際發生破壞的滑動面必定為安全系數最小的潛在滑動面，因此，采用極限平衡法研究邊坡的穩定性時，潛在滑面的確定是關鍵。本次分析采用加拿大的巖土工程軟件，由程序按給定的滑動模式自動搜索確定出潛在滑動面。

3.2 分析剖面及選取力學參數

(1) 確定分析剖面。分別在93排土場邊坡內不同的方向切取7條有代表性的剖面進行邊坡穩定性分析，分別為沿不同方向的1，2，3，4剖面及A0，A1，A2剖面，如圖5所示。

(2) 地震的影響。七寶山金銅礦所屬地區抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL386-2007)，對于垂直設計地震加速度參數可以采用水平設計地震加速度參數的1/3，則地震影響系數。

(3) 地下水的作用。排土場位于當地的侵蝕基準面以上，僅考慮降雨的影響。

(4) 排土場邊坡體受力分析方案。自然工況：自重狀況；校核地震工況：自重+地震狀況；校核降雨工況：按飽水強度。

(5) 許用安全系數的選取。依照《有色金屬礦山排土場設計規范》(GB 50421-2007)，結合排土場邊坡的工程地質水文地質條件、場地工程地質勘察成果和排土場服務年限，確定的許用安全系數[K]為：正常工況—自重[K]=1.15～1.20；校核工況—地震或降雨[K]=1.10～1.05；若分析剖面計算所得的安全系數K>[K]時，邊坡穩定；若1

圖5 排土場現分析剖面

3.3 極限平衡分析的計算結果

因為簡化Bishop法分析圓弧型滑動時精度高且計算速度快，最能反映邊坡穩定性的實際狀態，故此次將Bishop法作為邊坡圓弧型滑動時分析計算的主要方法；非圓弧型滑動時，將Morgenstern-Price法作為邊坡穩定性分析計算的方法。計算結果見表3及圖6。

表3 排土場邊坡穩定性的安全系數計算結果

分析結果表明：

(1) 自然工況Ⅰ下，排土場邊坡的安全系數滿足許用安全系數的要求，排土場邊坡是穩定的；

(2) 在地震與降雨的校核工況下，各剖面除2-2剖面稍低外，其他剖面的的安全系數滿足許用安全系數的要求，排土場邊坡是穩定的；

(3) 2-2′剖面的排土場邊坡中間所留的平臺寬度偏小，致使邊坡的安全系數偏低，適當條件下應加寬平臺的寬度達10～15 m；

(4) A0，A1，A2剖面各工況條件下的安全系數滿足許用安全系數的要求，邊坡是穩定的。

4 結 論

(1) 通過散體巖土的現場與室內試驗、邊坡自然安息角的測量以及與前人研究成果的對比分析，確定了排土場巖土體的物理力學參數，并應用于排土場邊坡穩定性分析中；

(2) 確定了排土場邊坡的滑動模式可能為圓弧型滑動或沿廢石與地基的接觸面滑動；

(3) 采用極限平衡分析方法對三種受力工況情況下的排土場現狀邊坡進行了穩定性分析，結果表明：各剖面的的安全系數滿足許用安全系數的要求，目前現狀排土場邊坡是穩定；

(4) 2-2′剖面的排土場邊坡中間所留的平臺寬度偏小，致使邊坡的安全系數偏低，適當條件下應加寬平臺的寬度達10～15 m；為確保礦山的安全開采，需對露天坑側排土場邊坡加強支擋，消除排土場邊坡崩塌滾石對露天坑安全生產的威脅。