露天石灰岩矿山高边坡岩体稳定性综合分析

2023-10-13谢欢欢夏江黔廖德武兰中孝顾晓红

地下水 2023年5期

谢欢欢,夏江黔,廖德武,兰中孝,顾晓红

(贵州地矿基础工程有限公司,贵州贵阳 550081)

0 引言

石灰岩矿是贵州分布最广的一种非金属矿产资源,其布露面积占各类岩石总面积的60%以上,其开采方式主要为露天开采。因该类矿山岩体具有节理裂隙发育、岩性脆弱、表层覆盖植被稀疏等特性,在强降水过程中容易发生滑坡、崩塌和地面塌陷等地质灾害,矿山存在安全隐患大[1-2]。2022年3月国家矿山安全监督局关于印发《关于加强非煤矿山安全生产工作的指导意见》的通知(矿安[2022]4号)提出,需对现状高度100 m及以上的采矿边坡进行年度稳定性分析评价。有针对性的对石灰岩矿山高边坡稳定性科学合理评价,是保障矿区生产活动的安全有序进行,节约矿产开采成本的关键基础[3-4]。本文以册亨县某石灰岩矿高边坡为例,于不同工况下综合运用多种稳定性分析方法进行石灰岩高边坡稳定性分析评价。以期为类似地质条件的石灰岩矿的开采利用与稳定性分析提供一些借鉴。

1 岩质边坡稳定性评价方法

边坡稳定性分析从整体上划分为定性、定量、不确定分析以及模型试验和原位测试,就目前而言定性分析方法常用工程类比法、图解法等,定量分析方法常有极限平衡法[5]。

1.1 定性图解分析

工程中常用岩质边坡定性图解法为赤平投影法,其假设边坡岩体是刚性的,不考虑内部块体之间的应变,同时忽略条件力的作用。采用赤平投影稳定性分析时当结构面或结构面交线的走向与边坡走向相反时,边坡一般较稳定,当两者走向相对一致时,则需通过二者的倾角进行进一步分析[6-7]。

1.2 定量极限平衡法

工程中常用定量极限平衡法有楔形体法、瑞典条分法、简化毕肖普法、简布法和传递系数法等[8]。该类方法在分析的过程中主要应用静力平衡的原理来探究滑坡体的抗滑力与下滑力之间的关系,从而达到对边坡稳定性进行分析的目的。

(1)楔形体稳定计算局部不稳定块体。采用赤平投影法结构面构成的的潜在不稳定块体,并采用规范推荐的楔体法对开挖边坡上的块体进行抗滑稳定计算。

(1)

(2)

式中:Na与Nb分别为作用在潜在不稳定块体不同结构面的有效法向力。

根据与的计算关系判断楔形体可能滑动的结构面,再由不同安全系数数计算方法得出其稳定性数。

(2)瑞典条分法、简化毕肖普法、简布法和传递系数法等计算岩体整体稳定性。该类方法将不稳定块体视作刚体并划分成若干条块,建立滑体的力矩(力)平衡,按下滑力矩(力)和抗滑力矩(力)之比建立边坡稳定性数表表达式:

F=S/T

(3)

式中:S为抗滑力矩(力),T为下滑力矩(力)。

根据规范规定不同边坡安全等级,结合稳定系数判断边坡稳定性。

极限平衡法需要事先确定可能失去平衡的潜在滑体及滑动模式,采用抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。其方法相对直观,容易为工程技术人员掌握,尤其对于贵州地区石灰岩等硬质岩,且结构面清晰的边坡,该类方法能较合理的确定边坡稳定性。

2 案例分析

2.1 工程概况

贵州省册亨县某露天石灰石矿山矿权开采深度+992.0～675.0 m,露天开采,开拓方式为中深孔爆破,台阶式开采,机械装车,汽车运输,矿权开采面积0.451 8 km2。矿区内现开挖形成平面投影面积约0.1 km2,采深东侧形成高17～121 m采矿边坡。边坡基岩大部分裸露地表,第四系覆盖极少,平均覆盖厚不足1m,地表植被主要为灌木、杂树分布。边坡现状见图1。

图1 采场东侧开矿现场照片

2.2 石灰岩高边坡形态及岩性

根据现场地质调查,东侧边坡长约78～300 m,高度17～121 m,坡面方向250°～274°,主要为274°,坡度30°～56°,逆向坡。边坡按台阶式开采,形成各阶边坡高10～16 m,平台宽12～23 m。

边坡岩性为二叠系上统吴家坪+长兴组(P3w+c)灰岩为含矿层位,该层含少量黑色燧石结核,抗风化能力强。

2.3 结构面特征

对场区选取代表性点进行结构面调统计,层面优势(平均)产状为137°∠34°。按照5度一组对节理倾向、倾角进行统计分析,绘制玫瑰花图如图2、图3,得出第一组节理(J1)优势产状为286°∠56°,第二组节理(J2)优势产状为253°∠80°,第三组节理(J3)优势产状为325°∠57°,层面和节理面特征见表2,图4、图5。

表2 结构面特征统计表

图2 节理倾向玫瑰花图

图3 节理倾角玫瑰花图

图4 岩体结构面照片

图5 J1节理面正面照片

3 边坡稳定性分析

3.1 计算参数的选取

选取矿区内典型的区域进行岩石取样,并进行室内试验。室内测试结果结合工程经验,按《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016-2014[9]附录C.1.2综合取值为:岩体内摩擦角取标准值φ取31°(实测岩石内摩擦角0.8折减),重度27 kN/m2(实测),粘聚力取250 kPa(经验);结构面内摩擦角φ取20°(经验),粘聚力取55 kPa(经验);层面内摩擦角φ取27°(经验),粘聚力取90 kPa(经验)。

3.2 典型剖面和工况选取

选取东侧2个典型地质剖面A-A′和剖面B-B′进行分析及计算,剖面简图见图6、图7。

图6 A-A′剖面简图

图7 B-B′剖面简图

根据水位地质条件分析,地表排水条件好,地下水位埋深低,本评价不考虑地下水影响,工况考虑为以下三种:

工况Ⅰ:自重,安全系数1.2～1.15

工况Ⅱ:自重+爆破振动,安全系数1.18～1.13

工况Ⅲ:自重+地震力,安全系数1.15～1.10

3.3 赤平投影定性分析边坡稳定性

北侧边坡开挖方向249°,综合坡角53°。根据三组裂隙、边坡坡向、开挖坡度、岩层产状,采取赤平及射投影法分析岩质边坡结构面的稳定性,赤平极射投影如图8。

图8 东侧边坡赤平投影图

一组结构面分析:J1节理与开挖面夹角为38°,但节理面倾角56°≥边坡开挖坡角53°;J2节理与开挖面夹角为4°,但节理面倾角80°≥边坡开挖坡角53°该段边坡无外倾结构面,边坡为稳定结构,沿节理滑动可能性小。

两组结构面组合分析:经赤平投影分析,该侧边坡岩层面和J1节理组合交线位于边坡内侧,边坡可能沿组合交线发生楔形体破坏。

边坡可能破坏模式:(1)层面和J1节理组合交线发生楔形体破坏;(2)边坡为层状岩体,根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB51016-2014附录A.0.3确定边坡为层状岩体边坡,其破坏模式可能为圆弧型。

3.4 楔形体和圆弧滑动法计算边坡稳定性

3.4.1 不同工况荷载计算

1)地震荷载计算

抗震稳定性计算时,各条块的地震惯性力按下式计算,将地震与重力之间建立系数转换:

(4)

式中:Fi为第i条块的水平地震惯性力(kN);α为设计地震加速度(m/s2),边坡高度大,按7°区,取0.1 g;ξ为折减系数,可取0.25;βi为第i条块的动态分布系数,可取1;Wi为第i条块的重量(kN);g为重力加速度(m/s2)。

经计算,将0.025带入理正软件自动计算该工况边坡稳定性。

2)爆破荷载计算

考虑爆破振动力,各条块的水平爆破力可按下列公式计算,将爆破振动力与重力之间建立系数转换[9]:

(5)

(6)

式中:Fi′为第i条块的爆破振动力的水平向等效静力(kN);αi为第i条块爆破振动质点水平向最大加速度(m/s2);βi为第i条块爆破动力系数,取0.1;Wi为第i条块的重量(kN);g为重力加速度(m/s2);f为爆破振动频率(Hz),取10 Hz;Vi为第i条块重心处质点水平向振动速度(m/s);Q为爆破装药量,取最大一段的装药量(kg),根据计算取70.56;Ri为爆破区药量分布的几何中心至观测点或建筑物、防护目标的距离(m),取200 m;K,a为与采场地质条件、岩体性质、爆破条件等有关的系数,由振动检测和测试数据获取,k取50,a取1.3。

3.4.2 楔形体滑动稳定性计算

通过赤平投影分析,东侧边坡可能发生沿J1、层面形成楔形滑动,该段边坡采用楔形滑动稳定性计算,采用理正软件自动计算楔形体稳定性。边坡开挖方向249°,综合坡角53°;A-A′剖面高121 m,B-B′剖面高92 m,计算结果见表3。