自重及地震工况条件下露天采石场边坡稳定性分析

陈 贵

(新疆中岩恒泰爆破工程有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引言

边坡的稳定度通常用安全稳定系数来衡量与评价,是指边坡在不受人类作业干扰及扰动状态下的稳定度,属于边坡自身性质,不会随人的主观能动性而变化[1]。安全系数是一个数值,是根据人的需求对边坡进行稳定性分析后得到的一个可供参考及决策的系数,对安全生产及管理具有指导性意义。现代化建设中,很多行业将石材作为基础材料(如纵横交错的高速公路及铁路、钢筋水泥浇筑的高楼大厦、各种冶金工业的原材料等),需要将矿石从岩体中挖出再进行加工利用[2-3]。由于需求量不断加大,很多矿山企业不顾生产规律,肆意开挖,对矿山的整体生态环境造成了严重破坏,导致边坡又高又陡,存在滑坡及垮塌风险及隐患[4],故需对利用露天开采方法作业的采石场进行合理分析,评估其边坡安全状况,及时整改存在的风险及隐患,提出预防滑坡及垮塌措施,保障矿山的安全生产[5]。

新疆某灰岩采石场开采矿种主要用于建筑石材用料,根据该矿山有用矿体的埋藏条件及深度、矿区地形条件及《采矿许可证》设定的开采方式等定为露天开采方式。从地表开始,逐个台阶开挖,开采到矿坑底部,将矿体采出。矿山开采设计采用双刀切石机联合金刚石串珠绳锯切割开采工艺,荒料加工成条石、块石,边角余料经破碎后通过公路汽车运输将矿石运输至加工厂加工。矿区位于背斜北东翼,区域地貌呈长垣状单斜山地貌,沿北西-南东向分布。矿区位于顺向斜坡一侧顶部,南西侧较高,北东相对较低,区内海拔最高点位于矿区西南部的一座凸起的山顶,海拔为1421.1 m。区内海拔最低点位于矿山北部的一条凹陷的沟壑中,海拔为1284.3 m。两个地点的高差值为140 m,由于部分区域位于地表封闭圈以外,开采形成终了台阶后,终了边坡高度不是140 m,而是97 m。

台阶高度主要与铲装设备、矿岩性质有关,根据该矿开采方式及产品方案,荒料加工成条石及块石,设计生产台阶高度为10 m,靠帮后并段为12 m。台阶坡面角主要与矿岩力学性质有关。矿区边坡主要由半坚硬-较坚硬灰岩及浅部表土及风化层组成,根据该矿矿岩力学性质,西南帮沿矿层底板开采,清扫平台及N剖面线东北段台阶坡面角取70°,其余上部风化层台阶坡面角取60°。在端帮和非工作帮的位置设置安全平台和清扫平台,可以拦截上部台阶滚石,根据边坡稳定性需求及清扫设备规格及采场边坡分布情况设计在西南帮+536 m水平及+500 m水平留设2个清扫平台,宽度8 m。N剖面线东北段2个台阶之间设置1个安全平台,宽度4 m。采场最终边坡主要由半坚硬-较坚硬灰岩组成,根据矿层赋存条件及边坡稳定性分析计算,矿体沿矿层底板开采,工作帮最终边坡角22°,其余边坡高度0～24 m的区域最终边坡角60°。

1 极射赤平投影边坡稳定性分析方法

1.1 极射赤平投影原理

赤平投影主要表示表面与线之间的空间方向及它们之间的角距离关系及运动轨迹。这些空间元素被转换成平面,通过中心水平面交叉得到圆形截面,此方法可直接清晰地在赤平面上反映倾斜平面结构在平面投影的空间组合关系,以此确定不稳定结构的空间位置、分布及比例。这种定量的几何图形显示方式广泛应用于我国工程地质学领域。在地质条件相对复杂、不容易确定结构参数的前提下,赤平投影法可以起到重要的作用。该方法简单直观,可对复杂问题进行有效分析,为后续工程提供参考[6]。

1.2 调查点极射赤平投影分析

岩体构造是控制岩体变形及破坏机制的决定性因素,在各种起源的岩体中,发达的构造面(胶结点、断层面等)是变形最易发生的部位。该矿山的露头岩体主要是轻微风化的石灰岩,受该地区多阶段的结构作用及风化应力造成的损伤影响,岩体构造面呈现连续直滑,局部粗糙,剪切阻力弱。该地区的岩石层与土壤层的空间分布特性明显,分界线分布相对稳定。岩体呈层状局部碎裂状,通过对岩体结构面特征分析,揭露两组主要节理:节理组1 m产状为121°∠67°,节理面起伏形态为平直型,主要为闭合干燥状态,大部分结构面两壁之间充填有少量泥质,部分节理面出现水痕,节理面平均间距为0.43 m,平均迹长为8.5 m。节理组2 m,产状224°∠58°,结构面起伏形态为平直型,大部分节理呈闭合干燥状态,部分节理内留有水痕,带有泥质充填节理,其平均间距0.43 m,平均迹长为10.5 m。绘制调查点岩体结构面赤平投影图与玫瑰图,如图1、图2所示。

图1 调查点岩体结构面赤平投影图

根据岩体结构面赤平投影图与玫瑰图分析,岩体层面起伏形态为波浪型,呈吻合闭合状态,因此层面的摩擦角可取经验值30°,节理面的摩擦角取值为15°。深部微风化灰岩的岩体质量较高,节理裂隙面紧闭无充填,结构摩擦角取值30°,此分析结果可为后续工程稳定性分析计算提供参考。

2 边坡稳定性分析

根据该矿山现状地形平面图,结合无人机形成的矿区现状照片,选取现状图中M-M′剖面参与建模计算,建模采用Slide边坡分析软件,利用非圆弧破裂面搜索算法,对最危险滑面进行搜索,采用M-P法对边坡稳定性系数进行计算,在此基础上分析边坡安全性能。

M-P极限平衡分析法是一种考虑岩土条之间相互作用力的非圆弧计算方法,假定竖向作用力与横向作用力之间的关系为岩土条间横向作用力与纵向作用力的关系函数,通过考虑弯矩平衡,迭代计算边坡稳定性系数[7]。该方法对滑动面的形状、静力平衡、多余未知数的选定等都不作要求,与其他极限平衡方法相比,更接近于实际情况。通过假定稳定性系数,通过迭代求得相应滑动面的稳定性系数。

根据弯矩平衡求得稳定性系数:

(1)

根据水平力平衡求得稳定性系数:

(2)

(3)

根据以上弯矩及水平力平衡条件,通过Fs迭代计算可得出对应滑动面的稳定性系数。

采用M-P极限平衡分析法,在自重及地震两种工况下对边坡剖面的力学稳定性进行分析计算,边坡稳定性系数计算云图分别如图3、图4所示。

图3 自重条件下稳定性系数计算云图

图4 暴雨条件下稳定性系数计算云图

从该剖面在自重条件下稳定性计算云图可以看出,位于边坡底部到顶部区域(图中阴影部分)的稳定性系数最低,为2.543。由于边坡稳定性系数远高于边坡安全系数,边坡发生整体滑移破坏的可能性较小。图4是剖面在地震作用下的稳定性计算云图,该工况条件下显示,位于边坡顶部+530 m区域及边坡底部+490 m区域(图中阴影部分)的稳定性最低,此处整体边坡稳定性系数为1.846。两种工况条件下边坡的稳定性系数均满足安全边坡稳定性系数要求,但是在地震等外部作用下会降低边坡稳定性,加剧边坡失稳发生概率,在后续回采过程中要注意矿山爆破对边坡稳定性的影响。

3 结论

针对新疆某灰岩采石场现状边坡,采用极限平衡法对该矿山现状进行研究,结果显示,该矿山边坡均处于稳定状态,但是局部坡面在开采过程中可能受采动或爆破等综合作用的影响产生局部垮塌,建议生产过程中加强对各坡面的监测,如发现异常情况(如岩体变形量突增等)应及时处理,避免造成人身财产损失。