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      某露天煤礦粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性分析及治理

      2015-03-03 13:35:16博,姬莉,吳
      中國(guó)礦業(yè) 2015年1期
      關(guān)鍵詞:穩(wěn)定區(qū)粉質(zhì)滑坡體

      劉 博,姬 莉,吳 姍

      (1.北京商務(wù)中心區(qū)管理委員會(huì),北京100011;2.北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司,北京100621;3.北京礦冶研究總院,北京100160)

      露天礦開(kāi)采是各類(lèi)礦物開(kāi)發(fā)主要的方式之一,全世界固體礦物產(chǎn)量的三分之二采用露天開(kāi)采,在各類(lèi)露天礦山的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采過(guò)程中,邊坡巖體安全穩(wěn)定性是制約著礦山經(jīng)濟(jì)效益最主要的影響因素[1]。提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的一條有效途徑是提高邊坡角,提高邊坡角可以增加礦石開(kāi)采量、減少剝離量和降低開(kāi)采成本,但是提高邊坡角后,就會(huì)影響邊坡巖體的穩(wěn)定性,使邊坡發(fā)生變形和破壞,甚至滑坡,嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)[2-3]。

      我國(guó)已對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究,并在邊坡穩(wěn)定性分析與研究、滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及邊坡的工程治理技術(shù)等方面都取得了很大進(jìn)展,在己形成的獨(dú)立的學(xué)科體系的邊坡工程領(lǐng)域取得了豐碩成果[4-5]。本文通過(guò)對(duì)某露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究,揭示其滑坡成因,對(duì)露天礦采場(chǎng)最終邊坡穩(wěn)定性做出了客觀評(píng)價(jià),達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)、治理邊坡的作用。

      1 工程概況

      1.1 工程地質(zhì)概況

      本區(qū)整體上為一北東高、南西低的單斜構(gòu)造,地層基本走向?yàn)镹W、SE向,傾向S45°W,地層傾角在2~7°之間,大部分范圍不大于5°。由于地層傾角近于水平,表現(xiàn)出泛褶曲現(xiàn)象,即微小的波狀起伏使地層發(fā)生明顯的走向變化,表現(xiàn)為等高線大幅度的彎曲。

      礦田東西長(zhǎng)4.42~5.47km,南北寬6.53~10.3km,總勘探面積48.73km2。根據(jù)鉆探揭露的地層,勘察區(qū)地層主要為新生界第四系、第三系以及晚古生界二疊系下石盒子組、山西組及石炭系太原組地層。覆蓋層主要由素填土、沖洪積物、粉質(zhì)黏土等構(gòu)成,基巖主要由砂巖巖組、泥巖等構(gòu)成,通過(guò)鉆孔勘查可知,粉質(zhì)黏土厚度較厚且變化明顯,最薄區(qū)域幾近尖滅,而最厚區(qū)域粉質(zhì)黏土層厚度近100m。

      1.2 采區(qū)邊坡破壞模式

      露天礦自基建施工以來(lái),先后發(fā)生過(guò)數(shù)次與粉質(zhì)黏土有關(guān)的滑坡(塌方),以2010年5月下旬發(fā)生的滑坡為例,東北幫邊坡開(kāi)挖至1360平臺(tái),該區(qū)域南側(cè)邊坡發(fā)生滑坡,滑坡后緣位于1380平臺(tái),滑坡總高度約25m,涉及1360、1380兩個(gè)臺(tái)階,后緣張裂縫距1380平臺(tái)眉線最大距離約20m,最大裂縫寬度達(dá)50cm?;缕矫娣植夹螒B(tài)近似扇形,滑向?yàn)镹ESW。通過(guò)三維激光掃描儀得到的3D點(diǎn)云圖可知,滑坡前緣跨度約為167m,滑坡體沿滑移方向總長(zhǎng)度約96m?;庐a(chǎn)生的主要原因包括:①滑坡前緣滑面為粉質(zhì)黏土與全風(fēng)化泥巖接觸面,且泥巖產(chǎn)狀傾向坡內(nèi),傾角約6.5°;②地下水的不利影響;③滑體為粉質(zhì)黏土,抗剪強(qiáng)度較低,邊坡開(kāi)挖過(guò)程中,坡度較陡,破壞原有平衡狀態(tài),致使邊幫塌滑。綜上所述滑坡類(lèi)型為重力推移式滑坡。

      2 邊坡巖土力學(xué)試驗(yàn)

      通過(guò)勘探鉆孔、探井和探槽取樣,并進(jìn)行了室內(nèi)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。土力學(xué)試驗(yàn)包括:土物理性質(zhì)(密度、含水率、比重、顆分等)、界限含水率、直接剪切試驗(yàn)(天然直剪、飽和直剪)、反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、土三軸壓縮試驗(yàn)、土滲透試驗(yàn)、土的濕陷性、土的膨脹性等。巖石力學(xué)試驗(yàn)包括:巖石密度、吸水率、巖石顆粒密度(比重)、孔隙率、巖石單軸壓縮(天然、飽和)、巖石變角??辜粼囼?yàn)及變形。根據(jù)鉆探工藝及取樣方法,所取土樣質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)及II級(jí)。

      圖1 東北幫滑坡3D點(diǎn)云圖(三維激光掃描)

      根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[6]和《港口工程地基規(guī)范》(JTJ250-98)[7],同時(shí)參考前期勘察報(bào)告及施工場(chǎng)地周邊相似工程地質(zhì)條件下巖土體的經(jīng)驗(yàn)值,選出全區(qū)土層天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)建議值。各地層物理力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

      表1 各地層參數(shù)建議值

      3 邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析

      3.1 首采區(qū)分區(qū)及剖面的選取

      目前工程界在邊坡穩(wěn)定性分析中常用的方法仍然是傳統(tǒng)的極限平衡法,如瑞典條分法、Janbu法、Bishop法、摩根斯頓一普賴(lài)斯法等[8]。本文運(yùn)用slide軟件的極限平衡法,將露天邊坡劃分為6個(gè)區(qū)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。其中東北幫兩個(gè)滑坡體合并作為一個(gè)滑坡區(qū),選取A-A、B-B、H-H剖面,此外,按照空間位置將整個(gè)首采區(qū)邊坡劃分成5個(gè)區(qū),見(jiàn)圖2。

      3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

      3.2.1 滑坡區(qū)穩(wěn)定性分析

      針對(duì)礦區(qū)易發(fā)生滑坡的區(qū)域,選取西段滑坡處A-A、B-B兩條計(jì)算剖面以及東段滑坡處勘察揭露的H-H工程地質(zhì)剖面,計(jì)算剖面中,如剖面深度超過(guò)本次勘探深度(進(jìn)入基巖深度20m),巖體類(lèi)別參照圍巖分布情況及以往地質(zhì)勘查報(bào)告確定,見(jiàn)圖3、圖4。通過(guò)極限平衡力學(xué)分析,A-A剖面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,三個(gè)剖面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。滑坡區(qū)平均安全系數(shù)為0.66~0.80,屬于不穩(wěn)定區(qū)域,需加以治理。

      根據(jù)工程地質(zhì)勘察和穩(wěn)定性分析結(jié)果,發(fā)生滑坡的原因主要包括:原設(shè)計(jì)邊坡坡度較陡,礦區(qū)普遍發(fā)育的粉質(zhì)黏土層地域性強(qiáng),物理力學(xué)性質(zhì)特殊,在區(qū)域構(gòu)造營(yíng)力的作用下粉質(zhì)黏土地層豎向裂隙發(fā)育,從而其豎向滲透系數(shù)大于水平向滲透系數(shù),地下水容易在此處聚集。

      圖2 首采區(qū)穩(wěn)定性分析分區(qū)圖

      圖3 A-A,B-B剖面位置圖

      3.2.2 各分區(qū)穩(wěn)定性分析

      分別選取多個(gè)剖面計(jì)算各分區(qū)安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中I區(qū)、II區(qū)、V區(qū)安全系數(shù)均大于1.2,邊坡穩(wěn)定,III區(qū)、IV區(qū)安全系數(shù)介于1.10~1.20之間,邊坡基本穩(wěn)定。III區(qū)、IV區(qū)地層巖性、傾角變化較大,在降雨等外部條件的影響下,極易發(fā)生滑坡,應(yīng)加以治理。

      圖4 A-A剖面圖

      圖5 A-A剖面計(jì)算危險(xiǎn)滑面(圓弧)圖

      表2 滑坡區(qū)計(jì)算結(jié)果

      表3 各分區(qū)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

      根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范,將首采區(qū)邊坡分成穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)三類(lèi)區(qū)域,見(jiàn)圖6。邊坡穩(wěn)定區(qū)主要集中在非基建期南端幫、非基建期西端幫以及基建期南端幫部分區(qū)域,邊坡基本穩(wěn)定區(qū)主要集中在北幫和東北幫部分區(qū)域。

      圖6 露天邊坡穩(wěn)定性分區(qū)圖

      4 露天邊坡滑坡區(qū)域治理

      4.1 各區(qū)邊坡角調(diào)整分析

      對(duì)于不穩(wěn)定區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài),極易發(fā)生滑坡,在遵循適度放緩,局部封閉,有效排水的原則下。提出了可行性的調(diào)整建議:松散層邊坡總體坡角由原設(shè)計(jì)的26°調(diào)整為23°,粉土層坡面角保持原設(shè)計(jì),粉質(zhì)黏土層坡面角調(diào)整為34~36°,以及具體的坡面防護(hù)措施和排水措施對(duì)于基本穩(wěn)定區(qū)主要針對(duì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)行調(diào)整,臺(tái)階坡腳調(diào)整為50°,其他層破體采用原設(shè)計(jì)即可。做好邊坡粉質(zhì)黏土層及下伏全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層的封閉、排水工程,重點(diǎn)防護(hù)部位為粉質(zhì)黏土與下伏泥巖層界面附近。

      對(duì)于穩(wěn)定區(qū)采用原基建幫邊坡設(shè)計(jì)參數(shù),其余剖面松散層邊坡的總體坡度建議取值范圍為26~32°。

      4.2 滑坡區(qū)處置方案

      1)滑坡體刷坡。首先對(duì)滑坡體進(jìn)行刷坡,根據(jù)適當(dāng)放緩的原則,刷坡后松散層邊坡總體坡角由原設(shè)計(jì)的26°調(diào)整為23°,粉土層臺(tái)階坡面角保持原設(shè)計(jì)60°,粉質(zhì)黏土層臺(tái)階坡面角調(diào)整為34~36°,采用建議的不穩(wěn)定區(qū)邊坡斷面參數(shù),滑坡散體基本被清除。

      2)滑坡體坡面防護(hù)。根據(jù)局部封閉的原則,刷坡后在粉質(zhì)黏土層及下伏全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層出露坡面進(jìn)行掛土工網(wǎng)、噴射混凝土防護(hù)。

      3)滑坡體排水。根據(jù)有效排水的原則,應(yīng)盡量將滑坡體的坡外來(lái)水、坡面積水以及坡體內(nèi)的水采取截、排水措施排出坡外。

      4)整體施工。鑒于東北幫整體邊坡基本處于臨界狀態(tài),滑坡體的處治工程可與東北幫調(diào)整坡角后的施工一并展開(kāi)。

      5 結(jié) 論

      1)通過(guò)運(yùn)用slide軟件的極限平衡法將首采區(qū)分成穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)三類(lèi)區(qū)域,不穩(wěn)定區(qū)主要集中在東北幫及其它幫局部區(qū)域。在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中,需要通過(guò)邊坡斷面參數(shù)調(diào)整、坡面防護(hù)、坡體坡面排水及加強(qiáng)不穩(wěn)定區(qū)邊坡的變形監(jiān)測(cè)等手段,確保邊坡的穩(wěn)定性。

      2)露天礦區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜,邊坡工程勘察不可能一勞永逸,隨著礦區(qū)的開(kāi)挖,巖體的揭露,應(yīng)不斷地收集工程地質(zhì)和水文地質(zhì)新的信息,及時(shí)對(duì)這些新的信息及時(shí)進(jìn)行研究和分析,不斷補(bǔ)充,完善或修正已取得的研究成果。

      [1] 胡柳青,李夕兵,溫世游.邊坡穩(wěn)定性研究及其發(fā)展趨勢(shì)[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2000,20(5):7-9.

      [2] 齊更生,彭少民.國(guó)內(nèi)外滑坡防治與研究現(xiàn)狀綜述[J].地質(zhì)勘探安全,2000(3):16-19.

      [3] 夏元友,朱瑞賡,李新平.邊坡穩(wěn)定性研究的綜述與展望[J].金屬礦山,1995(12):9-12.

      [4] 彭德紅.淺談邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].上海地質(zhì),2005,3:44-47.

      [5] 劉立平,姜德義,鄭碩才,等.邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進(jìn)展[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,23(2):115-118.

      [6] GB50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

      [7] JTJ250-98.港口工程地基規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1998.

      [8] 陳昌富,楊寧.邊坡穩(wěn)定性分析水平條分法及其進(jìn)化計(jì)算[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2004,31(3):72-75.

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