露天矿现开采阶段高边坡稳定性分析及治理_李建华.pdf

露天矿现开采阶段高边坡稳定性分析及治理李建华(新疆金宝矿业有限责任公司 新疆 富蕴县 8 3 6 1 0 0)作者简介李建华(1 9 8 7年),男,云南临沧人,工程师,从事采矿工程,资源勘查,矿山安全,矿业管理等工作。摘 要 露天铁矿现开采阶段高边坡稳定是露天矿山安全开采的基本前提。露天矿边坡稳定性问题没有得到充分重视,就很可能会出现生产安全重大风险。基于此,本文以某露天铁矿现开采1 9 7 2 m以上高边坡作为研究对象,通过数值模拟与极限平衡计算,分析高边坡稳定性,进而提出有效的边坡失稳治理措施。关键词 露天矿;现开采阶段;高边坡;稳定性分析 随着矿山开采规模扩大和开采成本控制,露天矿开采边坡越来越陡、爆破规模不断扩大,给露天矿高边坡的稳定性带来不利影响,而威胁露天矿山安全生产的主要风险因素就是边坡失稳。在多年的生产过程中,露天矿边坡失稳的可能性不断增加,本着消除边坡安全隐患的目的,需要全面客观地分析露天矿高边坡的稳定性,精准预测潜在边坡失稳滑移区域和过程。主动应对安全隐患,及时改变开采作业计划,采取有效的治理措施,防患于未然。因此,从经济性和安全性的角度来看,研究露天矿现开采阶段高边坡的稳定性非常必要。1.矿区概况某露天铁矿创立于2 0 0 2年7月,到目前为止已开采到大约1 9 7 2 m高程,形成的边坡位于采场东侧,最大高度为1 2 4 m。矿区内主要地质构造为穿流层状、条带构造、辉长岩,节理发育,矿床形成后的构造主要以断层、页岩裂隙带和碎屑为代表,分布很广,结构比较复杂。矿区发育的主要岩体为白云岩、页岩,矿体具有顶宽底窄的特点,采场坑底趋于收缩。为有效保障矿区生产安全,需要评估现开采阶段最高边坡的稳定性,并制定相应的处治方案。开采至1 5 2 5 m以上时边坡在后续开采过程中水平方向位移呈现明显增长趋势,稳定性处于持续降低的状态。因此,在制定处理方案时不但要考虑开采现阶段的边坡稳定性,还要考虑后续开采过程中的边坡稳定性发展情况,使后续开采过程中边坡能够保持长期稳定。2.计算方法选择在各种边坡稳定性分析方法中,极限平衡法是最重要、最有效的计算分析法,是一种简单实用的方法,被广泛应用于边坡稳定性的分析计算,是计算圆弧滑动面安全系数的最佳方法。该方法假设条块之间的相互作用力相等,即忽略条块之间的剪力,仅考虑其垂直平衡和到圆心的力矩平衡。从国内算例计算结果可以看出,圆弧滑动面的安全系数采用简单极限平衡法计算得到的结果和严格条分法的结果误差只有3%左右,准确性较高。因此,本文采用极限平衡法对该露天铁矿现开采阶段1 9 7 2 m以上高边坡稳定性进行计算。3.计算剖面选择剖面的选择是分析露天铁矿高边坡稳定性的首要环节,计算剖面选择是否合理直接关系到露天矿现开采阶段高边坡稳定性分析结果的准确性。结合该露天铁矿现开采阶段1 9 7 2 m以上高边坡地质条件、现场勘察数据,本次分析选择1-1、2-2、3-3、4-4 这四个剖面进行计算分析。(图1)图1 露天矿高边坡稳定性计算剖面4.边坡稳定性计算分析在计算分析该露天铁矿边坡稳定性时采用极限平衡计算法。假设边坡上存在可能滑坡的区域,基于静平衡条件和摩尔库仑阻力标准计算滑动面的滑移概率,从而找到安全系数最低的滑动面,最终通过计180 水文地质、环境地质、工程地质DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.028算分析明确边坡区域最不安全的滑动区域,确定高边坡的安全系数。基于该露天铁矿的地质调查报告以及实际边坡情况,本次计算分析需要考虑大理岩、页岩、辉长岩、白云岩、铁矿体五种岩性,各种岩体的物理力学指标如表1所示。表1各种岩体的物理力学指标岩体容重/(k N.m-3)抗压强度/MP a弹性模量/G P a泊松比内聚力/MP a内摩擦角/()大理岩2 8.31 3 4.94 2.70.2 51.04 6页岩2 4.96 2.55 4.80.2 80.13 1辉长岩2 9.81 0 8.77 6.10.2 30.64 1白云岩2 9.52 2 3.64 4.30.2 00.64 1铁矿体3 7.42 3 0.05 9.90.2 00.64 2 由 于 该 露 天 铁 矿 的 侵 蚀 基 准 面 高 程 最 小 为9 8 2 m,矿区与河流的距离为3.5 k m,采场坑内开采标高最低为9 5 0 m,高于河流的最高水位9 3 2 m,地表水不会影响该矿区矿床充水,因此,本次的高边坡稳定性计算分析忽略地下水的影响。根据该露天铁矿地质勘察数据,工程设计抗震烈度为6度,因此计算分析时取地震烈度为6度,基本地震加速度值为0.1 0 g。5.边坡稳定性计算结果安全系数是评价边坡是否稳定的主要指标,合理选择高边坡可承载的安全系数最低值直接决定了边坡稳定性计算分析结果的可靠性,从而直接影响露天铁矿开采安全和经济效益。安全系数越低,边坡稳定性越差,则开采安全性、经济效益也越差。边坡安全系数受采场开采作业情况、开采方式、矿床地质条件等多种因素影响,使得确定边坡安全系数最小值变得非常困难。本次研究根据相关技术规范以及现有的边坡稳定性分析相关研究资料,在确定最小边坡安全系数时重点考虑边坡调查中的基坑深度、初始数据边坡稳定性计算的准确性、计算误差、矿区开采时间、开采规模、几何参数等因素,综合考虑上述因素,确定该露天铁矿现开采阶段1 9 7 2 m以上高边坡稳定的安全系数最低值为1.3。该露天铁矿边坡滑移形式为圆弧型,因此,可以通过以下公式计算各边坡剖面的安全系数:Kf=(Wi(c o si-As i ni)-Nw i-RD i)t a ni+CiLi(Wi(c o si+As i ni)+TD i)其中,孔隙中的水压力为NWi=whi wLic o si,Wi表示第i个条块的重量(k N/m);Ci表示第i个条块的内聚力(k P a);i表示第i个条块的内摩擦角();Li表示第i个条块的滑动面长度(m);i表示第i个条块的滑动面倾角();A表示地震加速度(g);Kf表示边坡安全 系 数。根 据 分 析 计 算 得 到 剖 面1-1、2-2、3-3、4-4 的安全系数,其中剖面1-1 的边坡安全系数为1.6 8 8,剖面2-2 的边坡安全系数为1.5 4 5,剖面3-3 的边坡安全系数为1.4 1 2,剖面4-4 的边坡安全系数为1.1 2 8,由此可见,除了剖面4-4 之外,其他剖面的边坡安全系数均超过最低安全系数1.3,说明该露天铁矿现开采阶段1 9 7 2 m以上高边坡总体上是安全稳定的,但也存在不安全的边坡区域,即位于边坡上部的剖面4-4,该剖面滑移面如图2所示,为基于不同岩体划分的边坡部分。图2 剖面计算结果6.边坡治理措施开挖至1 8 7 5m高程时,边坡剖面1-1、2-2 塑性区明显发育,基于此,为了既能满足目前对边坡稳定性的要求,又能保证边坡的长期稳定性,将1 8 7 5 m高程的边坡稳定性分析结果作为制定1 5 1 4 m以上高边坡处治方案的重要参考,且该露天铁矿矿区工程抗震烈度为6度,可忽略抗震。同时,由于露天矿爆炸性振动频繁,对边坡的负面影响很大,容易出现岩石松散、累积变形和边坡逐渐破坏等问题。因此,在各剖面,尤其是剖面4-4 区域采取肋板式预应力锚索和挂网锚喷。剖面1-1、2-2、3-3 应用带肋预张锚索,锚索间距为3 m3 m,设计锚固力为2 3 5 0k N,锚角2 5,锚索长6 0 m、5 5 m交替布设,锚固长度2 5 m。剖面4-4 采用挂网锚喷,间距3 m3 m,设计锚固力2 3 5 0 k N,锚固角2 5,锚索长2 0 m、1 5 m交替布设。一般情况下,预应力锚索长度一般不超过5 0米,锚固力一 般 为5 0 0 2 5 0 0 k N,最 大 设 计 荷 载 一般不超过3 0 0 0 k N,预应力锚固长度一般为锚索长度的(下转0 9 5页)280许值为:对中、低压缩性土相邻柱基的沉降差0.0 0 2 l,整体倾斜0.0 0 2 5。采用混凝土框架结构,拟采用天然基础或桩基础。为保证勘探工作质量,岩土工程勘察的每一道工序严格遵守 岩土工程勘察规范(G B 5 0 0 2 1-2 0 0 1、2 0 0 9年版)和 岩土工程勘察安全标准(G B 5 0 5 8 5-2 0 1 9)的有关规定和我院的管理规定,把好每道工序质量关,保证勘察工作的安全性和可靠性。5.2采用的勘查技术测量放点:采用G P S-R T K进行勘探孔放点,坐标为海南三亚平面坐标系,高程为国家1 9 8 5高程系,并在点位设置有编号的标志桩,开钻之前核对桩号及其实地位置。钻探施工:安排8台X Y-1型钻机进场钻探,钻进每回次一般不超过2 m,无泵取芯,岩芯采取率粘性土不少于9 0%,砂性土不少于7 0%,完整岩石岩心采取率不少于8 0%,破碎岩石不少于6 5%,并做好每回次的钻探记录。取土样、标准贯入试验和重型圆锥动力触探试验:控制性孔采取土样,做到每层有足够样品控制,主要层的样品不少于6个,并及时密封和送回测试室;每变层进行标准贯入试验,试验采取回转钻进,钻至试验标高以上1 5 c m处,每次标贯均清孔到底,计算无误才进行试验,采用自由落锤法将标贯打入土中1 5 c m后,开始记录每打入1 0 c m的锤击数,累计打入3 0 c m的锤击数为标惯入击数;重型圆锥动力触探试验采取回转钻进,钻至试验标高处,采用自由落锤法将触探器打入土中,记录每打入1 0 c m的锤击数。室内土工试验:采取的土样和岩样由本院土工试验室测试。每个土样测试项目均按 土工试验方法标准(G B/T 5 0 1 2 3-2 0 1 9)进行;每个岩样测试项目均按 工程岩体试验方法标准(G B/T 5 0 2 6 6-2 0 1 3)。水、土的腐蚀性试验:采取水、土腐蚀样由本院土工试验室测试,按规范要求进行测试。6.结论岩土勘察是一项复杂的、技术要求高的工作。随着我国建筑业的发展和岩土工程规模的不断扩大,需要总结实际工作中的各种缺陷,更加重视地质问题。因此,有必要做好地质调查工作,为工程设计提供地质资料,减少地下水对岩土工程的破坏,提高工程质量。参考文献1张韬,王文忠.岩土工程勘察中存在的主要问题及其优化措施J.科技创新与应用,2 0 2 0(1 6):1 1 8-1 1 9.2余福光.探讨岩土工程勘察中常见问题及改进措施J.建材与装饰,2 0 2 0(1 5):1 9 6-1 9 7.3陈亚新.建筑工程项目中岩土工程勘察重要技术探析J.四川建材,2 0 2 0,4 6(3):5 7-5 8.4常成.岩土工程地质勘察过程中的水文地质相关问题研究J.世界有色金属,2 0 2 1(1 2):1 9 6-1 9 7.5周力涛.水文地质问题在地质工程勘察中的作用探讨J.中国金属通报,2 0 2 1(0 5):1 8 4-1 8 5.6王敬.岩土工程水文地质勘察工作质量的提升策略探讨J.工程技术研究,2 0 2 1,6(0 5):1 8 5-1 8 6.(上接0 8 2页)0.30.5倍,且不大于1 0 m,因此本文无论剖面4-4 区域还是剖面1-1、2-2、3-3 的锚固长度与锚固力均满足相关要求。同时,为防止边坡上部硬岩受下部软弱地基水平位移影响发生开裂,可以在开采过程中密切监测边坡位移。根据情况可以通过注浆或锚固来控制岩土内部裂缝的发生。结语综上所述,本次研究采用极限平衡计算法对选取的边坡剖面进行数值模拟计算分析,根据计算分析结果可知,该露天铁矿现开采阶段1 9 7 2 m以上高边坡(最大坡高1 2 4 m)大体稳定,但还需要进行相应的加固处置。由于大斜度露天铁矿高边坡的稳定性随着开采深度的增加而降低,因此,加强高边坡监测十分重要。参考文献1栾婷婷,谢振华,张雪冬.露天矿山高陡边坡稳定性分析及滑坡预警技术J.中国安全生产科学技术,2 0 1 3(4):1 1-1 6.2孙焱焱,郭国.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势J.工业C,2 0 1 5(5 8):P.2 8 4-2 8 4.3张玉海.关于露天煤矿