四川巴中谭家山石灰岩露天矿边坡安全隐患及处置对策

2021-04-16柯秋壁周小平

中国矿业 2021年4期

柯秋壁，周小平

(1.安徽海螺水泥股份有限公司，安徽芜湖 241000；2.巴中海螺水泥有限责任公司，四川巴中 636600)

顺层陡倾露天矿高边坡是我国西南地区典型的石灰石矿山边坡类型之一，由于岩层层面倾向与坡向一致，爆破开挖过程中，常常发生顺层滑塌[1]，因此，其稳定性评价及边坡维护成为了工程中的难点。常来山等[2]利用FLAC2D软件，对鞍千矿业许东沟采场顺层层理进行了数值模拟，结果表明顺层层理大大降低了边坡稳定性，为滑坡提供了地质结构条件；张波等[3]以某大型露天采场西帮边坡为对象，基于极限平衡法和FLAC3D数值模拟，研究了受软弱结构面控制的高陡边坡整体和局部的稳定性，并提出了防护建议；杨冠东[4]通过数值模拟分析了白音华露天矿受断层控制的顺层层状边坡稳定性及边坡破坏模式。

上述研究都是针对实际工程，研究成果对工程实践有很好的指导意义。本文针对四川省巴中市南江县谭家山石灰岩矿顺层高陡露天矿边坡，结合勘察资料，综合考虑各种不利因素，采用工程地质分析方法，对边坡可能的破坏模式进行分析，指出矿区边坡可能存在的安全隐患，并给出针对性的措施建议，以提高矿区安全管理水平。

1 工程概况

巴中谭家山水泥用石灰岩矿矿区分为东矿区和西矿区，以戴家河沟为界，两矿区分别位于河沟两侧。鉴于矿山资源储量分布的特点，规划将东矿区和西矿区分为两期开采，从矿体的赋存深度及剥离量大小看，西矿区基建剥离量较大，初期投资较多，因此，将东矿区作为第一期开采。东矿区服务年限为16 a，现正处于开采阶段，设计边坡高度约300 m，其中上部燧石灰段边坡高度约250 m，沿顺层面采用自上而下的开采原则，工作台阶坡角为70°，高度为15 m，安全平台宽度为4 m，清扫平台宽度为6 m，最终整体边坡角41.9°。

2 工程地质条件及边坡可能失稳模式分析

2.1 工程地质条件

矿区位于汉王山复式向斜北翼，地层呈陡倾顺层单斜产出，产状为倾向326°～349°、倾角44°～74°，由下到上逐渐变缓。矿区主要的地质构造为三部分。①褶皱：该向斜规模较大，总长55 km，东西走向，核部为三叠系，两翼依次出现三叠系以下地层，向斜宽阔不对称，南翼比北翼缓，北翼70°左右，局部倒转。②断层：在资源储量估算范围内，有一条脆性逆断层(林家河口逆断层，简称F1)存在，对矿体形态及完整性有一定影响。③节理裂隙：矿区的节理裂隙在地形陡峻处较常见，节理较发育，经溶蚀扩大作用，多有夹缝土充填；各组节理面平整，多闭合，裂隙最大间隙宽0.6 cm，延伸长3～5 m，个别大于10 m；山体顶部卸荷裂隙发育。

矿区地层结构主要为志留系中统罗惹群组，二叠系下统栖霞组、茅口组，二叠系上统吴家坪组以及少量第四系(Q4)。矿体赋存于栖霞组、茅口组地层中，主要成分为浅灰～深灰色中层～块状灰岩，厚度为97.39～246.09 m，强度较高。矿体以吴家坪组燧石灰岩为底板，夹少量灰色中厚层灰岩，厚度大于173.0 m，强度较低，易破碎。矿区地层及边坡剖面示意图见图1。

矿区地形有利于大气降水自然排泄，矿区中部有条戴家河流经，最终汇入南江河，枯水期水流量较小为0.2 L/s，丰水期流量较大为0.8 L/s。由于在资源量估算范围内存在规模不等的地下溶洞，节理裂隙有溶蚀加大现象，因此认为含矿层属于岩溶裂隙透水层。

2.2 边坡可能破坏模式分析

2.2.1 整体分析

由图1可知，当终了边坡形成后，在高程为1 100 m的位置处为矿体石灰岩初露段，在软硬岩交界处，可能发生破坏的情况主要有两种：①软硬岩接触面是滑坡发生破坏的潜在滑移面[5]，边坡可能存在沿着不利结构面与软硬岩接触面的组合面发生的整体式前缘滑移(图2)；②边坡底部矿体石灰岩强度较高，但上部燧石灰岩强度较低，边坡可能存在发生沿矿体石灰岩初露段附近剪出的整体式后缘滑坡(图3)。

图1 边坡剖面示意图Fig.1 Slope profile diagram

图2 前缘滑坡Fig.2 Landslide in leading edge

图3 后缘滑坡Fig.3 Landslide in trailing edge

2.2.2 局部台阶分析

由于罗惹群组存在于矿山边坡表层，开挖后随时被剥离，第四系(Q4)地层量少且不在资源开采范围内，工作区段岩体主要为栖霞组、茅口组、吴家坪组。现场统计的栖霞组、茅口组、吴家坪组结构面赤平投影[6]分析结果如图4和图5所示。由图4可知，栖霞组、茅口组中，结构面的倾角和倾向变化很大，面J1～面J5与坡面和层面斜交，构成了滑动的侧向边界条件；面J2与坡面和层面倾向和走向斜交，且倾角较陡，边坡不稳定，可能产生局部平面滑动。组合交线BO、CO倾角缓于坡面角，边坡有沿着BO、CO发生楔形体滑动的可能。由图5可知，吴家坪组中，面J1与层面和台阶坡面相交，构成了侧向切割面，边坡可能沿层面发生顺层滑动。由于吴家坪组优势结构面较少，因此发生楔形体的可能性不大。

3 可能出现的边坡安全隐患

基于以上分析，结合现场勘察结果，总结出矿区边坡可能出现的安全隐患如下所述。

1) 由于雨水渗入、爆破振动或其他外部因素影响，矿山边坡下部前缘沿栖霞组、茅口组与吴家坪组交界层面存在发生滑坡的风险。

2) 由于边坡上部燧石灰岩强度较低且岩体破碎，边坡存在发生沿矿体石灰岩初露段附近剪出的整体式后缘滑坡风险。

3) 边坡上部因山体卸荷裂隙发育，边坡强度降低，各种外力因素更易深入坡体，因此容易在边坡上部形成局部滑塌。

4) 随着矿山开采的逐步进行，有可能会遇到长大节理裂隙、软弱夹层及溶洞等不良地质现象，这些不连续地质构造，极易引起边坡局部失稳。结合前面的赤平投影分析结果，矿区台阶边坡可能出现的安全隐患主要有单台阶单面剪切滑动、双面剪切滑动和三维楔形体滑动。同时，当优势结构面组合部位较深，并且贯穿坡面时，很可能发生组合台阶双平面滑动破坏(图6)。

5) 当溶洞出现在边坡不同位置时(图7)，可能对台阶边坡带来不同的安全风险。当溶洞浅埋于台阶下方时，台阶可能垮塌，对台阶上方的人员、设备造成安全隐患；当溶洞位置内移至坡体下方时，有可能引起坡体的垮塌。

图4 栖霞组、茅口组赤平投影Fig.4 Stereographic projection of Qixia formationand Moukou formation

图5 吴家坪组赤平投影图Fig.5 Stereographic projection of Wujiaping formation

图6 组合台阶剪切滑动Fig.6 Combined step shear sliding

6) 由于边坡为顺层边坡，且岩层厚薄不一，爆破作业很容易损伤坡面浅层层面或坡脚，形成如图8所示的浅层顺层滑动。

7) 在边坡中下部岩层倾角较陡，由于岩层自身的重力作用，或裂隙水的作用，可能出现坡面岩层曲折破坏(图9)。

以上的基本破坏模式，在同一坡体的发生、发展过程中，常常是相互联系和相互制约的。在高陡边坡发生破坏的过程中，往往先以前缘部分的崩塌为主，并伴随着滑塌和浅层滑坡，随时间推移，再逐渐演变为深层滑坡。

图7 溶洞位置示意图Fig.7 Location of karst cave

图8 顺层滑动Fig.8 Bedding sliding

图9 岩层曲折Fig.9 Rock formation twisting

4 边坡安全隐患处置对策

结合以上可能出现的边坡安全隐患分析，提出安全隐患处置的总体原则是以预防为主、治理为辅，定性要准、治早治小，措施要稳、养护要勤，力求做到防患于未然。具体要求是：严格遵守“从上到下、分水平开采”的采矿方法；加强生产过程地质信息反馈，实行信息化生产和设计；加强现场巡查，布设自动化监测系统以实现边坡实时监控与预警；处置措施合理及时。

针对该矿山边坡可能出现的具体安全隐患形式，提出如下的处置对策。

1) 针对边坡上部燧石灰岩段整体安全风险，主要以边坡台阶面防水处理与监测预警回避为主的应对策略；对于边坡下部的沿不利结构面与软硬岩接触面组合的整体滑移风险，采用结合监测，必要时进行框架锚固处理。

2) 对于边坡上部局部坡面破碎容易形成滑塌或滚石的部位，及时清理危石或削坡减缓上部坡度或挂网喷射混凝土处理，同时可以根据需要，在现有基础上，在吴家坪岩组的边坡段再增设一些8 m的接渣平台，以防止小型滑塌与滚石的威胁。

3) 为减少台阶边坡滑塌破坏，需严格控制爆破，在临近终了边坡开挖时，采取预裂或光面爆破，减小爆破振动对边坡坡面及坡脚的影响；当坡脚遭受破坏时，及时采用碎石与混凝土回填稳固坡脚。

4) 对出现的不利组合的长大结构面出露面进行混凝土注浆封堵，或挂网喷射混凝土处理，防止地表水的下渗劣化作用。对于出现在台阶坡面且顺坡向产出的长大不连续结构面，在考虑采取以上处理措施的同时，采用锚杆锚固，锚杆锚固要横穿结构面，并嵌入基岩一定深度；如遇到浅层破碎带或软弱面(与坡面距离小于2 m)，采取开挖剥离破碎带或者软弱夹层后再对下一级坡实施锚固措施，以防止一定规模的双平面滑动破坏，示意图见图10。