露天礦排土場穩定性分析及滑坡防治措施

李文虔,陳敏,寇向宇

(1.中國鋁業股份有限公司貴州分公司, 貴州 貴陽 550014 2.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012)

0 引言

排土場是礦山生產的重要安全設施,其穩定性是保證礦山安全、連續生產的必要條件。排土場穩定性的破壞會帶來巨大的社會和經濟損失。遵義某鋁礦排土場堆積量大,如果堆放料滑坡,會給礦山帶來較大的經濟損失,造成環境的破壞。因此,研究排土場的穩定性影響因素及滑坡防治措施是該礦山面臨的緊迫問題。

1 礦區概況及排土場工程地質

遵義某鋁礦礦區位于大婁山山脈南西段,礦區場地屬高原淺切割剝蝕低山丘陵地,年平均氣溫15.2℃,年平均降雨量1087 mm,平均年蒸發量1034.6 mm,年平均相對濕度80%。該礦排土場位于露天采礦場的北端,場區地形南高北低,壩址以北溝谷地形逐漸開闊,現有農田村舍;整個場地向北傾斜,場區標高界于883～970 m之間,排土場容積195萬m3。場區無常流水,主要由主溝及四條沖溝組成,主溝坡度7.3%,沖溝內無泉水出露,場區植被主要由灌木林組成,排土區域原地形平均坡度20.76°。

工程地質測繪、鉆探及槽探工作揭露結果表明,排土場區內鋁土質巖及灰巖是構成壩基及場區的主要穩定基巖,場區除沖溝外,無其他不良地質現象,所有鉆孔、探槽均未見地下水。

從露天采礦場開采出露地層和地質勘探揭露的巖層來看,排土場堆料為易風化灰色白云巖(風化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質黏土巖(或鋁質巖)、砂質黏土巖和灰巖。

2 排土場穩定性影響因素分析

2.1 地基巖性及坡度的影響

該排土場地基巖性由上至下分布為:黏土層、灰巖,其中黏土層地基厚2～6 m。鉆探及槽探揭露結果表明,排土場基底地層從上至下依次為:第四系人工堆積人工土、第四系植物層、第四系坡洪積黏性土和塊石、第四系坡殘積黏土、二疊系鋁土質巖及寒武系灰巖。排土區域原地形平均坡度20.76°,有灌木林植被。場區內鋁土質巖及灰巖是構成壩基及場區的主要穩定基巖。黏土層和攔截壩地基巖石的物理力學性質見表1。

表1 排土場地基物理力學參數

根據文獻研究可知,排土場滑坡按滑動面的位置、形狀及原因主要可分為兩類,一類是沿堆放料與地基方向的坡面滑動,另一類是沿地基巖層平面方向滑動。

在排土場堆放早期,主要應對壓力進行控制,避免地基破壞,當堆放物逐漸增加,負荷增大后,孔隙減小,水分排出,地基的承載能力達到峰值,可能出現剪切變形導致滑坡;而當排土場坡度不斷變陡時,可能導致沿基底面發生滑坡。

通過對排土場的基底巖層組成、邊坡角及地基的負載等影響因素進行評估,從工程地質勘察的揭露情況來看,該鋁礦排土場基底屬于軟巖地基,軟巖地基在排土場排棄物料壓力作用下壓縮沉降,同時,基底地形坡度為19.4°～23.5°,大于排棄土料的內摩擦角17°,因此易產生沿基底接觸面的滑坡。

2.2 堆料黏土和軟巖的影響

排土場內排棄的散體物料中約70%～80%為第四系表土、易風化灰色白云巖(風化后為黃色黏土、碎塊)、水云母黏土巖、鋁質黏土巖(或鋁質巖)、砂質黏土巖。排土場堆積土料室內土工試驗結果表明,該堆料屬黏性礫質土,這類土料特點為擊實干密度小,總強度低,滲透系數小,屬高壓縮性土。對混合土料進行了剪切試驗,得出黏結力為20～25 k Pa,內摩擦角為17°。

根據前述的試驗分析可知,排土場堆料的黏結力與粒徑成反比,內摩擦角與粒徑成正比。試驗取樣的組成中,顆粒直徑小于0.074 mm的土料占試樣的58.6%,大于20 mm的土料占28.1%,由此可知細顆粒的堆放料和軟性黏土的占比高,能大大增強排土場的穩定性。

排土場內部滑坡多數與堆置土料的力學性質有關。勘探揭露的巖層資料顯示,堆放料多數是表土、黏土巖及易風化的白云巖,堆料經過了從初期堆放到逐步加多的過程,壓力不斷增大,沉降變形也逐步加大,產生張裂隙,并且隨著裂隙的發育,最后引起排土場的邊坡失衡、開裂和滑坡。張裂隙的存在及其發育是造成排土場不穩定的因素。

2.3 降水的影響

雨季降水會對排土場穩定性造成極大的影響,大量的降水使堆放物的黏結力大大降低,試驗表明,在水分飽和的狀態下,土料的滲透性差,壓縮性大,剪切強度低,穩定狀態迅速惡化,易造成排土場的內部滑坡。同時,由于場區植被為灌木林,因此,排土場基底以軟土為主,當遇到雨水的浸潤時,水分達到飽和,剪切力大幅降低,造成排土場滑坡。

3 邊坡穩定性系數計算

排土場土料取室內試驗指標,黏土層地基取工程地質報告和勘探地質報告數據,灰巖基礎參照相關指標,見表2。

表2 計算參數

采用公式(1)計算排土場邊坡的穩定性系數,計算結果見表3。當穩定性系數為1時,邊坡巖體處于極限平衡狀態;當穩定性系數大于1時,邊坡巖體穩定;當穩定性系數小于1時,邊坡巖體不穩定。

表3 排土場邊坡穩定性系數計算

式中,F為邊坡穩定性系數;C為內聚力;γ為密度;φf為邊坡角;ru為孔隙壓力比;φ為內摩擦角;H為邊坡高度。

容易產生變形的區域為組合臺階,但是,由表3可知,其穩定性系數為1.76,說明組合臺階的穩定性較好;同時,排土場位于溝谷里,兩側山體為阻擋滑坡的自然屏障。排土場的最終邊坡角為18.43°～22°,堆積高度65 m,地質報告中黏土層基底內摩擦角為18.7°,因此,不清除黏土層也可滿足邊坡穩定性系數大于1.1的要求。

4 排土場滑坡的防治措施

據以上分析,排土場變形破壞,產生滑坡和泥石流的影響因素主要是基底的軟弱巖層、排棄物料中含大量表土和風化巖石,以及地表匯水和雨水的作用。因此,對該排土場應采取綜合的滑坡防治措施。

4.1 覆蓋與壓坡腳式組合臺階排土工藝

該排土場目前采用汽車單臺階排土,這種排土工藝適合堆置堅硬巖石,排土場基底要求不含軟弱巖土。由于排棄的土料為黏性礫質土,排土場基底又有2～6 m的軟弱巖土,堆置高度受到限制,堆積體總量174.7萬m3,為了充分利用排土場溝谷地形的有利條件,應選擇覆蓋與壓坡腳式組合臺階堆置方式,可將先期剝離的大量表土堆置在排土場指定區域,風化巖層堆置在940 m水平排土臺階(采用單臺階排土)的上游,后期剝離的風化巖層則覆蓋在940 m水平上,即960 m排土臺階,而將采礦場下部和深部剝離的堅硬巖石堆置在940 m水平排土臺階的下游和925 m水平排土臺階(壓住940 m水平臺階的坡腳),壓住上部臺階的坡腳,有利于抗滑和穩定坡腳。通過分析邊坡的穩定性,可知組合臺階的安全系數優于單臺階排土,說明覆蓋與壓坡腳式組合臺階排土工藝有利于排土場的穩定性。

4.2 軟巖基底及植被的處理

該排土場整個場區都有灌木林等植被,在排棄土料之前應全部清除場區內的所有植被,這樣有利于邊坡的穩定。

對排土場基底2～6 m的軟弱巖土可以采用以下方法處理:一是控制排土強度和一次堆高,以使基底得到壓實和逐漸分散基底的承載壓力;二是采用爆破法將基底軟巖破碎,增大抗滑能力,在底層形成排水層。

4.3 外截內疏的排水方式

溝谷內排土場的初期應全面考慮水的疏導。建議采用在排土場底部設置巖石泄流體和在排土場溝底上游925 m水平起沿原公路修筑一道排水溝的聯合排水方式。長期的生產實踐表明,在排土場底部構筑巖石泄流體是可行的,有利于排土場基底和排棄土料的穩定,而且最適合于開采結束后廢棄排土場的穩定。巖石利用灰巖,粒徑500～800 mm占60%,800～1000 mm占20%,其余粒徑20%。

對于大面積場外山區匯水,采用在排土場溝底上游925 m水平修建截水溝,將水引致攔截壩外排出,截水溝斷面尺寸為1.0 m×1.5 m。場內匯水是為了不對平臺產生浸蝕和沖刷邊坡,并將平臺修成3°的反坡,使水流向坡跟處的排水溝而流出界外。在排土場下游溝谷收口部位修筑攔截壩。

4.4 采用內部排土工藝

該鋁礦礦體傾角10°～20°,平均厚度7.39 m,由于礦床起伏變化,露天礦采場分為5個相鄰的小采場,按先后提前結束Ⅱ、Ⅰ采場,可利用其采空區作為排土場,實行內部排土工藝,盡可能減少排土場的堆存量,降低排土場的運行壓力,有利于排土場的穩定。

4.5 建立排土場監測站

在礦床開采過程中,應建立排土場監測站,作好邊坡變形、位移監測記錄,對巖土自然壓實特性的位移及位移速度進行監測,并據此研究降雨量、排土場高度和山坡傾角隨時間的變化規律;對排棄的土料進行邊坡、巖性、水文等全面的調查和分析,以指導后續生產。隨時掌握排棄物堆積體狀態變化情況,發現險情及時采取措施處理,防止重大滑坡事故的發生。

5 結語

隨著國家對礦山安全問題日常重視,提出了一系列的安全規范和保障要求。露天礦山排土場的穩定性是影響礦山安全生產的重要因素,本文對某鋁礦排土場穩定性的現狀和影響因素進行了分析,并針對該礦特點從多個方面提出了滑坡的防治措施,在礦山推廣應用后,確保了礦山的持續安全生產,具有良好的經濟效益和社會效益。