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露天矿山边坡与排土场滑坡防治分析

2016-05-24 责任编辑:崔玮娜

叶振杰

(葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司富蕴分公司,新疆富蕴,836100)

摘  要:高边坡和排土场是露天矿开采不可避免且将长期存在的重大安全隐患,对矿山生产、矿区环境和周边群众及建筑设施构成巨大威胁。为了保证露天矿山生产和人民生命财产的安全,必须明确露天矿山滑坡泥石流可能发生的位置、风险程度、灾害形式和波及范围,才能对灾害进行人为控制。因此,露天矿山企业应及时对矿山边坡和排土场进行稳定性分析评价,对滑坡和泥石流灾害区域进行调查,对高风险区域进行重点安全监测和预测,掌握不稳定滑流体的各项参数,对其进行加固治理,降低工程风险。

关键词:边坡;排土场;滑坡;安全隐患;分析评价;加固治理

 

引言

露天矿开采是矿产资源开采的一种主要方法,我国露天铁矿石产量约占铁矿石总产量的77%,有色金属占52%左右,化工矿物占70.7%左右,煤矿一直低于4%,而建筑材料则近100%。露天矿边坡是露天矿最主要的结构要素,随着矿山的开挖及开采活动贯穿于矿山服务的始终。露天矿边坡滑坡一直是生产安全中的一个突出问题,我国绝大多数露天矿都曾发生过规模不等的滑坡灾害。据10个大型金属露天矿山的统计,不稳定或具潜在滑坡危险性的边坡约占边坡总长度的20%,个别露天矿甚至高达33%,且随着露天矿向深部的开采,边坡的稳定条件将愈来愈恶化。

露天矿边坡滑坡是指边坡体在较大的范围内沿某一特定的剪切面滑动,一般的滑坡是滑落前在滑体的后缘先出现裂隙,而后缓慢滑动或周期地快慢更迭,最后骤然滑落,从而引起滑坡灾害。滑坡灾害是露天矿山最频繁的地质灾害。1999年7月酒泉钢铁公司黑沟铁矿发生重大滑坡泥石流事故,堵塞酒泉市、嘉峪关市两市唯一的水源北大河,造成直接经济损失4000余万元。2001年江西乐平县山下村采石场滑坡,造成28人死亡。

矿山排土场,也称渣场,是指矿山采矿排弃物集中排放的场所。排土场作为矿山回笼废石的场所,是露天矿开采的基本工序之一,是矿山组织生产不可缺少的一项永久性工程建筑。当排土场受大气降雨或地表水的浸润作用,排土场内堆积材料的稳定状态会迅速恶化,引发滑坡和泥石流等灾害。海南铁矿6号排土场东部于1973年8月连续大雨之后产生几十万立方米的大滑坡,导致排土场停产,厂房多处损毁,损失巨大。葛洲坝易普力新疆爆破工程有限公司自2013年2月依法取得矿山施工总承包三级资质以来,承接了新疆富蕴县宏泰选冶有限责任公司露天铁矿采剥施工任务。该矿自然环境较好,矿带分布复杂,施工面狭窄,年降雨量相对较多,一旦发生边坡、排土场滑坡将造成极其严重的后果。

2露天矿滑坡火害

2.1露天矿山边坡的构成

根据矿床埋藏的地形条件,露天矿分为山坡露天矿和凹陷露天矿,以露天开采境界封闭圈进行划分。封闭圈以上为山坡露天矿,封闭圈以下为凹陷露天矿。露天开采所形成的采坑、台阶和露天沟槽的总合称为采场。

由露天采场的底面和坡面限定的可采空间的边界,称为露天开采境界。露天开采时,把开采境内的矿岩划分为一定厚度的水平分层,自上而下逐层开采。台阶是露天开采的基本构成要素,是独立剥离和采矿作业的单元,台阶的命名通常是以该台阶的下部平盘(装运设备站立平盘)的标高来表示,台阶构成要素如图l所示。

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露天矿的最终边坡角是边坡稳定的重要参数,直接影响着矿山的生产能力和安全水平,在露天矿山设计和生产中具有十分重要的意义。露天矿边坡角大小必须满足边坡稳定的要求,但是随着采场开采深度的增加和边坡角的减缓,剥离量将急剧增加,导致开采成本增高,而边坡角过大,进行陡帮开采虽然可以提高采剥比,降低生产成本,但是可能导致严重的滑坡事故,造成重大人员伤亡和经济损失。因此,综合考虑经济与安全因素,合理选取边坡角,在保证边坡安全的条件下低成本开采是露天开采的最基本原则。表1和表2给出了按边坡稳定性进行岩石分类和露天采场边坡角概率值、台阶坡面角参考值。

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2.2露天边坡工程的破坏规律

2.2.1  边坡的破坏类型

岩质边坡的破坏方式可分为滑坡、崩塌和滑塌等几种类型。

(1)滑坡。滑坡是指岩土体在重力作用下,沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。滑坡通常以深层破坏形式出现,其滑动面往往深入坡体内部,甚至延伸到坡脚以下。当滑动面通过塑性较强的土体时,滑速一般比较缓慢;当滑动面通过脆性较强的岩石或者滑面本身具有一定的抗剪强度时,可以积聚较大的下滑势能,滑动具有突发性。根据滑面的形状,其滑坡形式可分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动。平面剪切滑动的特点是块体沿着平面滑移,可进一步分为简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多滑块滑动(倾倒滑动)几种破坏模式,如图2所示,旋转剪切滑动的滑面通常成弧状,岩土体沿此弧形成滑面滑移,如图3所示。

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当岩体发生滑动破坏时,按照受力状态、发生时间、与层面的关系、滑体规模、滑体厚度和滑动速度可以将滑坡划分为不同类型,见表3。其中特大型、巨厚层、高速滑坡具有强大的破坏力,其形成的条件是:边坡具有相当大的高差(>100m),具有相当大的体积(>106m3),具有较陡的滑面坡度(>20°),具有较大的峰残强度差(比值大于2),具有较高的滑坡剪出口,并且滑坡前方有开阔地形。

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(2)崩塌。崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下。在崩塌过程中,岩体无明显滑移面,同时下落的岩块或未经阻挡而落于坡角处,或于斜坡上滚落、滑移、碰撞,最后堆积于坡角处,如图4所示。岩坡的崩塌常发生于既高又陡的边坡前缘地段,具有逐次后退、规模逐渐减小的趋势。裂隙水的冻结而产生的楔开效应、裂隙水的静水压力、植物根须膨胀压力以及地震、雷击等动力荷载等,都会诱发崩塌破坏。

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(3)滑塌。松散岩土的坡角β大于它的内摩擦角Ф时,表层蠕动使它沿着剪切带表现为顺坡滑移、滚动与坐塌,从而重新达到稳定坡角的破坏过程,称为滑塌或称为崩滑,如图5所示。滑塌部分与未滑塌部分的分界,通常在断面上成直线。滑塌是一种松散岩体或岩土混合体的浅层破坏形式,与风化应力、地表水、人工开挖坡角及振动等作用密切相关。

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2.2.2边坡滑坡的影响因素

露天矿山边坡的变形、失稳,从根本上说是边坡自身求得稳定状态的自然调整过程,而边坡趋于稳定的作用因素在大的方面与自然因素和人类活动因素有关。

2.2.2.1  自然因素

 (1)岩层岩性。岩石的物理力学性质及矿物成分、结构与构造,对整体岩层而言,是确定边坡的主要因素之一。相间成层的岩层,其厚度、产状及在边坡内所处的部位不同,稳定性亦不一样。

(2)岩体结构。岩体结构面是在地质发展过程中,在岩体内形成具有一定方向、一定规模、一定形态和不同特性的地质分割面,统称为软弱结构面,它具有一定的厚度,常由松散、松软或软弱的物质组成,这些组成物质的密度、强度等物理力学属性较之相邻岩块则差得多。在地下水作用下往往出现崩解、软化、泥化甚至液化的现象,有的还具有溶解和膨胀的特性,具有这样软弱泥化结构面的存在,就给边坡岩体失稳创造了有利的条件。

(3)风化程度。岩层的风化程度愈深,则岩层的稳定性愈低,要求的边坡坡度愈缓。例如花岗岩在风化极严重时,其矿物颗粒间失去连接,成为松散的砂粒,则边坡的稳定值近似于砂土所要求的数值。

(4)水文地质。 地下水对边坡稳定的主要影响有:使岩石发生溶解、软化,降低岩体特别是滑面岩体的力学强度;地下水的静水压力降低了滑面上的有效法向应力,从而降低了滑面上的抗滑力;产生渗透压力(动水压力)作用于边坡,使岩层裂隙间的摩擦力减小,其稳定性大为降低;在边坡岩体的孔隙和裂隙内运动着的地下水使土体容重增加,增加了坡体的下滑力,使边坡稳定条件恶化。地表水对边坡的影响主要是冲刷、夹带作用对边坡造成侵蚀形成陡峭山崖或冲洪积层,引发牵引式滑坡。

(5)气候与气象。在渗水性的岩土层中,雨水可下渗浸润岩土体内,加大土、石容重,降低其凝聚力及内摩擦角,使边坡变形。我国大多数滑坡都是以地面大量降雨下渗引起地下水状态的变化为直接诱导因素的。此外,气温、湿度的交替变化,风的吹蚀,雨雪的侵袭、冻融等,可以使边坡岩体发生膨胀、崩解、收缩,改变边坡岩体性质,影响边坡的稳定。

(6)地震。水平地震力与垂直地震力的叠加,形成一种复杂的地震力,这种地震力可以使边坡作水平、垂直和扭转运动,引发滑坡灾害。地震触发滑坡与地震烈度有关。

2.2.2.2  人为因素

影响边坡稳定性的人为因素,主要是在自然边坡上进行露天开挖、地下开采、爆破作业、坡顶堆载、疏干排水、地表灌溉、破坏植被等行为。

(1)坡体开挖形态。露天边坡角设计偏大,或台阶没按设计施工,会显著增加边坡滑坡的风险。发生采动滑坡的坡体几何形态大多有如下特点:从平面形状来看,采动滑坡大多发生在凸形或突出的梁峁坡体上;在竖直剖面上看,采动滑坡或崩塌主滑轴线方向的剖面大多在总体上呈凸形状态,即坡顶比较平缓,坡面外鼓,坡角为陡坎;或坡体的上、下部均成陡坎状,中间有起伏的不规则斜坡或直线斜坡,如图6所示。

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(2)坡体内部或下部开挖扰动。施工对边坡的最大扰动是工程开挖使得岩土体内部应力发生变化,从而导致岩体以位移的形式将积聚的弹性能量释放出来,由此带来了边坡结构的变形破坏现象。尤其是在坡体内部或下部施工,由于地应力的复杂变化,造成的滑坡风险更加难以预测。

(3)工程爆破。大范围的工程爆破对山体有很大破坏作用,瞬时激发的强大地震加速度和冲击能量会导致岩层或土层裂隙的增加,使边坡整体稳定性减弱。

(4)坡顶堆载。在边坡上进行工业活动,将固体废弃物堆放在坡顶,可能导致下滑力增加,当下滑力大于坡体的抗滑力时,会引起边坡失稳。

(5)降水或排水。由于人为的向边坡灌溉、排放废水、堵塞边坡地下水排泄通道或破坏防排水设施,使边坡地下水位平衡遭到破坏,进而破坏边坡岩土体的应力平衡,增加岩层容重,增加滑动带孔隙水压力,增大动水压力和下滑力,减小抗滑力,引发滑坡。

(6)破坏植被。植被可以固定边坡表土,避免水土流失。对边坡上覆植被的破坏,会增大地表水下渗速度,导致下滑力增大,抗滑力减小,诱发滑坡。

2.2.3边坡稳定性分析

国内外对岩质边坡稳定性的分析方法归结起来可以分为两类,即确定性方法与不确定性方法。确定性的方法是边坡稳定性研究的基本方法,是将影响边坡稳定的各种因素都作为确定的量来分析考虑,主要通过边坡失稳的力学机制分析,对边坡的力学平衡状态进行分析,从而评估边坡稳定状况及其可能的发展趋势。

滑坡预警预报时,应首先根据监测曲线准确地判断边坡所处的变形阶段,进一步判定滑坡趋势。当滑坡状态位于加速变形的三个亚阶段时,应及时发布不同等级的滑坡预警信息,并采取针对性的应对策略和措施。现代非线性科学理论认为,滑坡在不同的演化阶段,对外界影响因素的响应是有差别的,愈到发展演化的后期,系统对外界扰动的响应愈强烈。因此,在滑坡预测预警时,一方面要非常重视对斜坡所处变形阶段的判断,同时要注意外界因素对斜坡变形破坏的影响。

3矿山排土场灾害

3.1矿山排土场的构成

矿山开采的一个重要特点就是要剥离覆盖在矿床上部及其周围的表土岩石,或掘进废石,运至专设的场地排弃,这种专设的排弃岩石的场地称为排土场(或废石场)。在排土场按一定方式进行堆放岩土的作业称为排土作业,是矿山的主要生产工序之一。

排土场根据排土方法、堆置顺序和运输方式的不同可分为不同类型,见表4。

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根据排土场堆置顺序的不同可分为:单台阶排土场、覆盖式排土场和压坡式排土场,如图7所示。

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单台阶排土场多用汽车排土,地形为坡度较陡的山坡和山谷,适用于堆置坚硬岩石,排土场地基要求不能含软弱土。特点是分散设置、规模小、数量多,利用率高,高度大,沉降量大,线路维护和安全行车较困难,滑坡和泥石流风险高。

覆盖式排土场适用于平缓地形或坡度不大而开阔的山坡地形条件。特点是按一定台阶高度的水平分层自下而上堆置,可多个台阶同时排土,并保持下一台阶的超前安全距离,堆积容量大。覆盖式排土到后期多为重车上坡排土,运行成本高,对基地岩土层的承载能力和第一台阶的稳定性要求较高。一般要求第一台阶不宜超过20~25m,若基底为倾斜的砂质黏土时,第一台阶高度不应大于15m。

压坡式排土场适用于山棱露天矿,在采场外围有比较宽阔、随着坡降延伸较长的山坡、沟谷地形。特点是台阶相对高度不大,上土上排,下土下排,深部坚硬岩石压住上台阶坡脚起到抗滑和稳定作用。

3.2矿山排土场的特点

排土场作为矿山重要的危险设施,其位置选择应遵循以下原则:

(1)排土场应选在山坡、山谷的荒地,少占耕地,不占良田,避免迁移村庄。排土场应保证不致威胁采矿场、工业场地、居民点、铁路、道路、水域、通信和电力设施、桥隧、耕地等的安全,安全距离应在设计中进行规定。内部排土场不得影响矿山正常开采和边坡稳定,排土场坡脚与矿体开采点之间应有一定的安全距离。

(2)在不影响矿床开采和保证边坡稳定的条件下,尽量选择在位于露天采场、井口、硐口附近的开采境界以外,缩短废石运距,避免上坡运输,实行高土高排,低土低排,充分利用空间,扩大排土容积。

(3)排土场选址应根据可靠的工程地质资料,不宜建立在地质条件不良地带。地基不良而影响安全时,应采取加固措施。建设在雨量充沛地区的沟谷型排土场,应采取措施防范泥石流灾害的发生。依山而建的排土场,应将山坡表面植被和第四系软弱层全部清除(单独堆放),削成阶梯状,提高排土场稳定性。

(4)排土场总容积应与露天矿设计的总剥离量相适应,排土场的有效容量:52416010.jpg,式中,Vo为剥离岩土的体积,Ks为岩石碎胀系数,Kc为排土场沉降系数(取1.1~1.2)。矿山为降低排土成本,减缩排土运输距离而设置多个排土场,每个排土场总容积应结合对应采剥区域剥离量匹配。

(5)排土场应布置在居民点的下风带,防止粉尘污染居民区、水源和耕地。

3.3矿山排土场的破坏规律

3.3.1  排土场的破坏类型

排土场滑坡类型可分为三种:场内滑坡、基底接触面滑坡、基底软弱层滑坡,如图8所示。

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(1)排土场内部滑坡。基底岩层稳固,由于岩土物料的性质、排土工艺及其他外界条件(外荷载和雨水等)所导致的滑坡为排土场内滑坡,其滑动面出露位置在边坡的不同高度。当排弃的岩石较破碎,含较多砂土,并具有一定湿度时,随着排土场高度增加,内部岩土体进一步压实、沉降,排土场内部出现孔隙压力的不平衡和应力集中区。孔隙压力降低了潜在滑移面露天矿山边坡与排土场滑坡防治分析上的摩擦阻力,边坡下部的应力集中区产生位移变形或边坡面鼓出,然后牵动上部边坡开裂和滑动。排土场内部滑坡多与物料的力学性质有关。较多的土壤或风化岩石,受大气降雨或地表浸润作用,使排土场内部土体稳定状态恶化。

(2)基底接触面滑坡。当山坡形排土场的基底倾角较陡,排土场与基底接触面之间的剪切强度小于排土场的物料自身抗剪强度时,可能发生沿基底接触面的滑坡。如果基底上有一层腐殖土,或将矿山剥离初期排弃的表土和风化层堆积在排土场底部,将形成基底接触面的软弱层,遇到雨水或地下水的浸润,促使滑坡产生。

(3)基底软弱面滑坡。当排土场坐落在软弱基底上时,由于基底承载能力低而产生滑移,并牵动排土场的滑坡,为基地软弱面滑坡。这类滑坡约占排土场滑坡总数的l/3以上。齐大山铁矿排土场,堆置高度52m,基底为软弱沉积土,沟底渗水土饱和后,在排土场压力下发生滑动,滑坡量3.5万立方米,属基底软弱面滑坡。

3.3.2排土场灾害的影响因素

排土场形成滑坡和泥石流灾害主要取决于以下因素:基底承载能力、排土工艺、岩土物理力学性质、地表水和地下水的影响等。

(1)基底承载能力。排土场稳定性首先要分析基底岩层构造、地形坡度及其承载能力。一般矿山排土场滑坡中,基底不稳引起滑坡的占32%~40%。当基底坡度较陡,接近或大于排土场物料的内摩擦角时,易产生沿基底接触面的滑坡。如果基底为软弱岩层而且力学性质低于排土场物料的力学性质时,则软弱基底在排土场荷载作用下必产生底鼓或滑动,然后导致排土场滑坡。

(2)排土工艺。不同的排土工艺形成不同的排土场台阶其堆置高度、速度、压力大小对于基底土层孔隙压力的消散和固结都密切相关,对上部各台阶的稳定性起重要作用,是发生排土场内滑坡的重要因素。

(3)岩土力学性质。当基底稳定时,坚硬岩石的排土场高度等于其自然安息角条件下可以达到的任意高度,但往往受排土场内物料构成的不均匀性和外部荷载的影响,使得排土高度受到限制。排土场堆置的岩土力学属性受容重、块度组成、黏结力、内摩擦角、含水量及垂直荷载等影响。

(4)地下水与地表水。排土场物料的力学性质与含水量也存在显著关系。排土场中黏土和我国露天矿山排土场滑坡和泥石流有50%是由于雨水和地表水作用引起的。

3.3.3排土场稳定性分析

当排土场堆置到一定高度时,基底达到最大的承载能力。当排土场高度继续增加,基底处于极限状态,然后失去承载能力,产生塑性变形和移动,基底失去承载能力。当排土场基底软弱层厚度大、潜在滑动面穿过软岩层时,基底承载力可按照软岩基底的稳定性进行分析。在倾斜基底上设计排土场的安全系数应高于水平基底上的安全系数。堆置坚硬岩石时一般为30~60m(山坡型排土场高度不限);堆置砂土时为15~20m;堆置松软岩土时为10~20m。多台阶排土场在相邻台阶之间需留设安全平台,其总体稳定性可按照边坡稳定性分析。

经查证,当黏土和易水解风化岩石含量超过40%,台阶高度超过18m时,排土场会出现较为频繁和严重的滑坡,若黏土含量为20%~40%,则滑坡灾害不严重。

评价水对排土场稳定性的影响应重点考虑排土场汇水面积、排水能力和24h最大降雨量等因素。

4对策措施

(1)进行施工组织设计时,对可能发生滑坡区域预留一定的安全距离,且严禁在预留区域内进行采掘施工。

(2)加强监测,通过有效地对滑体实施监测,建立恰当的监测系统,及时分析掌握动态,以保证生产顺利。

(3)完善地表排水泄洪措施。

(4)采取控制爆破技术,在靠近滑体部位爆破时一定采取预裂爆破技术,严格控制和减少最大段药量。

(5)配合监测的同时应加强宏观观测,特别是雨季期间、融雪季节或生产大爆破之后,除加强监测次数外,派专人对滑体进行宏观观测,掌据滑坡动态。

(6)利用科学技术研发边坡位移检测仪器,并实则位移记录(设定警戒位移值)报警。

(7)认真分析岩石性质,合理选择开采方式及设计排土基地。

参考文献

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摘自《中国爆破新进展》