某露天石灰石礦邊坡穩(wěn)定分析與治理方案研究

鄧德亮　陳福民　樊偉　任云龍

【摘? 要】本文對某石灰石礦開采邊坡的破壞條件進行分析，利用巖土力學分析軟件建立采場邊坡剖面三維數(shù)值模型。根據(jù)邊坡地層分布情況采用模型進行分析計算，并求得邊坡在自然工況、爆破工況、地震工況下的安全穩(wěn)定性系數(shù)，優(yōu)化最終邊坡角及邊坡治理方案，提高礦產(chǎn)資源的開采利用率經(jīng)濟效益。

【關(guān)鍵詞】石灰石礦;邊坡治理;穩(wěn)定性分析

1.0前言

石灰石是鋼鐵生產(chǎn)的重要輔助原料基地之一，該石灰石礦已開采近34年。采用露天開采，公路開拓。礦山經(jīng)過幾十年的生產(chǎn)，受開采成本、資源條件、開采空間、用戶需求等因素的影響，露天采場邊坡臺階并段較多，產(chǎn)生高陡邊坡現(xiàn)象。

雖然礦山已處于末期開采階段，但采場高陡邊坡面積較廣，存在安全隱患，影響礦山今后安全生產(chǎn)，為保證礦山的安全生產(chǎn)需對采場高陡邊坡進行治理。

2.0礦山地質(zhì)

該礦區(qū)出露地層有寒武系、奧陶系和第四系，其中以寒武系地層為主，奧陶系分布在礦區(qū)的西南部，平行不整合在寒武系地層之上。第四系主要分布在溝谷中，不整合覆蓋在寒武系、奧陶奧陶系地層之上。

區(qū)內(nèi)有北東向斷裂構(gòu)造。但礦界內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，在礦界外的北西側(cè)見到F1、F2兩條北東向的斷層。其中F1斷層：走向N40°E，傾向NW，傾角70°±，斷裂寬2～4米，走向長達500m左右。水平斷距80m。屬壓扭性質(zhì)的斷層。礦體走向310°～330°，傾向SW，傾角30°～36°，礦體走向長1100m，傾向延深240～600m，由四層礦體組成，從地表向深部礦體厚度有變薄趨勢。

本礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較簡單，巖溶不甚發(fā)育，巖層以厚層狀構(gòu)造為主，巖石強度大，穩(wěn)定性好，不易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題，工程地質(zhì)條件屬簡單類型。

3.0礦山現(xiàn)狀

礦山于1987年開始開采，至今開采34年，其中1992～1999年間停采。目前200m水平水平以上已經(jīng)靠界，70m至200m各水平工作平臺已形成，階段高度10m，生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a。采場的最高生產(chǎn)水平為190m水平，最低生產(chǎn)水平為70m。隨著幾十年開采的進行，采場局部產(chǎn)生了并段高陡邊坡，高陡邊坡共有三個區(qū)域，分別位于采場的西幫60m～160m水平、采場的東北幫勘探線800線～1000線之間的60m～200m水平、采場的東南端幫60m～200m水平。

4.0邊坡現(xiàn)狀及存在的問題

礦山采用露天開采，公路開拓。目前200m水平以上已經(jīng)靠界，70m至200m各水平工作平臺已形成，階段高度10m，生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a。采場的最高生產(chǎn)水平為190m水平，最低生產(chǎn)水平為60m。采場長約900m，寬約550m，露天采場底部長約660m，寬約300m，采場200m至240m水平靠界后的平均邊坡角38°。

目前，采場多并段現(xiàn)象嚴重，高陡邊坡面積較廣，存在安全隱患急需治理。主要有三個區(qū)域，具體的部位及特征如下。

區(qū)域（一）：位于采場的西幫100m～160m水平，形成總高約70m的邊坡，頂部標高170m，底部標高100m。高陡邊坡區(qū)位于標高170m至100m之間。上部有約1m厚的第四系沖、坡積地層，再以下主要為崮山組灰?guī)r厚度約22m～30m，下部為張夏組鮞狀灰?guī)r地層

區(qū)域（二）：位于采場的東北幫，勘探線800線～1000線之間的80m～200m水平，邊坡垂向高差120m，東西長度約200m，邊坡角約45°。上部主要紫色鮞狀灰?guī)r，下部為灰色竹葉狀灰?guī)r。

區(qū)域（三）：位于采場的東南端幫120m～200m水平，邊坡垂向高差80m，東西長度約250m，邊坡角約58°。巖層主要為灰?guī)r，與區(qū)域（一）相同。

目前，以上三個高陡邊坡區(qū)域邊坡無變形，清掃及安全平臺由于上部臺階擴幫作業(yè)堆積了浮碴已不復(fù)存在，給采場下部生產(chǎn)和設(shè)備人員安全造成威脅。其中區(qū)域二為本次治理重點部位是本次穩(wěn)定分析與治理方案研究主要內(nèi)容。

5.0邊坡隱患重點區(qū)域治理方案

5.1工程地質(zhì)條件

礦體上盤圍巖為鮞狀灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r，由微晶方解石和少量鐵質(zhì)、泥質(zhì)組成。微密塊狀構(gòu)造，質(zhì)地堅硬，抗風化，不易破碎。礦體的下盤圍巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r和頁巖，易風化，易形成山崖陡峭的負地形。

上、下盤圍巖與礦體呈平行整合接觸。由礦石抗壓強度可知，礦、巖體質(zhì)地較堅硬，不易破碎。礦山已生產(chǎn)多年，在開采過程中未出現(xiàn)過地質(zhì)災(zāi)害。

5.2高陡邊坡形成原因分析

形成高陡邊坡的因素主要包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等內(nèi)因，礦山開采活動等外因，以及生產(chǎn)組織過程中沒有完全按整改要求進行等主觀原因。

5.2.1地層巖性

礦體上下盤圍巖均為石灰?guī)r，組成礦物為泥晶方解石及少量鐵質(zhì)和泥質(zhì)。其中上盤圍巖為紫色鮞狀灰?guī)r和灰色竹葉狀灰?guī)r，局部夾有薄層紫色頁巖，礦體下盤圍巖為紫色竹葉狀灰?guī)r、薄層狀灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r。上、下盤圍巖與礦體呈整合接觸。

5.2.2地下水

區(qū)內(nèi)各含水層地下水均直接或間接接受大氣降水補給，大氣降水后，一部分水呈地表逕流匯入小溪形成地表水體，另一部分水則通過第四系松散巖類中的孔隙或直接沿基巖風化裂隙、構(gòu)造裂隙下滲，分別形成孔隙水和裂隙水。而孔隙含水層與裂隙含水層在一定程度上并無絕對的隔水層。地下水主要排泄方式為礦山排水。

5.2.3礦山開采因素

采場生產(chǎn)作業(yè)密集，采剝下降速度快，巖石臺階坡面角整改坡度60°左右，爆破實際形成的臺階坡面較陡。隨著露天開采臺階的不斷增多，采坑深度增加，在爆破震動的影響下，安全平臺局部滑塌形成高陡邊坡。但巖體完整程度較完整，巖石質(zhì)量、巖體完整性及穩(wěn)定性較好，礦山已生產(chǎn)多年，未出現(xiàn)過地質(zhì)災(zāi)害，邊坡總體穩(wěn)定性較好。

5.3重點區(qū)域治理方案

根據(jù)區(qū)域高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征和高陡邊坡成因分析的結(jié)果，可采用削坡減載的方式，降低總體坡面角，進一步提高邊坡整體的穩(wěn)定性，同時清除安全平臺上散體巖石，消除因散體巖石的滾落或滑塌產(chǎn)生的安全隱患。

本治理整改主要采用削坡減載降低邊坡角并增加安全清掃平臺的方式治理高陡邊坡。

治理重點區(qū)域位于采場的東北幫，勘探線800線～1000線之間。頂部標高240m，底部標高120m，形成總高約120m的邊坡，邊坡角約為45°。

對80m～240m邊坡進行削坡，從上至下分別形成220m、180m、160m、140m、120m、100m和80m臺階，治理后邊坡角為35°～41°。

5.3.1邊坡治理參數(shù)

（1）階段高度：靠幫后并段20m;

（2）階段最終坡面角度：60°;

（3）平臺寬度：安全平臺8m，清掃平臺10m;兩個安全平臺設(shè)置一個清掃平臺，在160m水平設(shè)置寬度為15m的擋碴平臺;

（4）最終邊坡角：35°～41°;

（5）邊坡垂直高度：180m。

5.3.2高陡邊坡治理后邊坡穩(wěn)定性分析

利用巖土力學分析軟件建立邊坡剖面B2-B2三維數(shù)值模型。

1）計算模型

剖面B2-B2數(shù)值計算模型長×寬×高=320×40m×190m，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，網(wǎng)格以六面體為主，四面體為輔，共劃分10449個節(jié)點，8520個網(wǎng)格。

2）邊界條件

底部采用XYZ方向固定約束，兩側(cè)邊界為X方向固定，坡面及坡體為自由面，施加荷載為巖體自重及其它相應(yīng)的公路機車等效均不荷載。

3）評價條件

（1）研究范圍內(nèi)的巖體為均質(zhì)、各向同性的彈塑性模型，巖體破壞遵循Mohr-Coulomb強度準則;

（2）忽略時間因素的影響;

（3）忽略爆破震動的影響;

（4）未考慮大氣降水和地震工況的影響。

4）計算結(jié)果

根據(jù)邊坡地層分布情況對模型進行分析計算，初始化形變量，形成原始地應(yīng)力場，在該應(yīng)力場的基礎(chǔ)上，輸入相應(yīng)的地層物理特性參數(shù)及邊界條件，通過上述計算，剖面B2-B2的安全系數(shù)為1.70。同樣通過對重點治理區(qū)域的其它5個邊坡剖面進行計算，其安全系數(shù)的結(jié)果分別為1.69、1.76、1.72、1.33、1.43（略）。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）中的要求，礦山治理后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6.0結(jié)論

某石灰石礦邊坡經(jīng)治理后，從穩(wěn)定性分析計算結(jié)果看治理后的邊坡是穩(wěn)定的。其他部位安全性要好于上述剖面情況，說明采場邊坡總體是安全的。該設(shè)計方案實施后可至少回收石灰石礦量60萬噸以上，必將取得更大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。

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