張國(guó)艷 曹 紅

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦冶分公司)

金堆城排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

張國(guó)艷 曹 紅

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司礦冶分公司)

爆破震動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)波通過巖土介質(zhì)傳播，降低堆積體巖體的黏聚力，造成巖石破裂，巖體變形或位移，導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡局部或整體破壞，降低排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，給礦山生產(chǎn)帶來安全隱患。采用Geo-studio巖土分析軟件，從靜力和動(dòng)力兩個(gè)方面對(duì)金堆城排土場(chǎng)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，以確保礦山安全生產(chǎn)。

爆破震動(dòng) 排土場(chǎng) 安全狀態(tài)

金堆城露天礦現(xiàn)有北溝、甘江溝、南牛坡、馬路溝4個(gè)排土場(chǎng)，周邊人口較密集，任意一個(gè)排土場(chǎng)的邊坡發(fā)生滑坡、垮塌等事故，必將造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，影響露天礦生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，邊坡穩(wěn)定性是露天礦生產(chǎn)中必須考慮的問題。

在露天礦生產(chǎn)期間，爆破震動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)波通過巖土介質(zhì)的傳播，會(huì)造成巖石破裂，巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙發(fā)生變形或位移，導(dǎo)致排土場(chǎng)邊坡的局部或整體破壞，給礦山生產(chǎn)帶來安全威脅；降雨會(huì)降低堆積體和巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，弱化交界層面和巖體強(qiáng)度，當(dāng)雨季來臨降水量增加時(shí)，排土場(chǎng)的穩(wěn)定性必然會(huì)降低。因此，研究排土場(chǎng)在降雨和爆破震動(dòng)作用下的安全穩(wěn)定性迫在眉睫。

1 礦區(qū)自然條件

(1)自然地理。礦區(qū)位于東秦嶺山系的南緣，區(qū)內(nèi)總地勢(shì)北高南低，西高東低。區(qū)內(nèi)海拔最高點(diǎn)為西北分水嶺，為2 077～2 030 m，最低點(diǎn)為東川河，1 148.9 m，相對(duì)高差達(dá)900 m。

(2)氣候條件。礦區(qū)屬亞熱帶與大陸性濕潤(rùn)氣候過渡帶，具有高山氣候特征。區(qū)內(nèi)氣候四季分明，夏季悶熱，冬季寒冷，早晚溫差較大。年平均氣溫8.8 ℃，7月最高，平均20.2 ℃，1月最低，平均-2.7 ℃。歷年最大平均降水量發(fā)生在8月份，為164.8 mm，7—9月份降水量占全年的51.38%，且多以暴雨為主，最小平均降水量為12月和1月，為9.2 mm。

2 排土場(chǎng)現(xiàn)狀

2.1 排土場(chǎng)與爆區(qū)空間位置

4個(gè)排土場(chǎng)分布于露天礦采礦場(chǎng)的周邊，北溝排土場(chǎng)、甘江溝排土場(chǎng)、南牛坡排土場(chǎng)毗鄰北露天采場(chǎng)，馬路溝排土場(chǎng)緊鄰南露天采場(chǎng)。排土場(chǎng)與采礦場(chǎng)最近距離約300 m，最遠(yuǎn)距離約1 000 m。排土場(chǎng)與爆區(qū)的距離主要隨爆區(qū)在采場(chǎng)中的移動(dòng)而變化，排土場(chǎng)與礦區(qū)空間位置如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)與采場(chǎng)位置關(guān)系

排土場(chǎng)堆積范圍內(nèi)除少量的人工堆積碎石(局部礦渣)外，主要為第四系地層以及元古界震旦系高山河群和熊耳群地層。堆積范圍內(nèi)未見滑坡、泥石流、地裂縫等不良地質(zhì)現(xiàn)象，自然斜坡整體穩(wěn)定性較好。

2.2 采場(chǎng)生產(chǎn)爆破參數(shù)

采場(chǎng)臺(tái)階高12 m，臺(tái)階坡面角為69°。爆破采用7 m×9 m的孔排距，垂直孔。鄰空自由面底盤抵抗線為9 m，單孔最大藥量為430 kg，采用混裝乳化炸藥，堵塞長(zhǎng)度為5.5～6.5 m，炮孔直徑為250 mm。爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)采用逐孔起爆技術(shù)，使用Orica非電高精度導(dǎo)爆管雷管，孔間延期時(shí)間為25 ms，排間為65 ms或100 ms。

2.3 排土場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

排土場(chǎng)設(shè)計(jì)總?cè)莘e為9 304萬(wàn)m3，各臺(tái)階高度為30 m，臺(tái)階坡面角北露天為35°，南露天為36°。其中馬路溝排土場(chǎng)邊坡和北溝排土場(chǎng)的南側(cè)邊坡已經(jīng)修筑了人工護(hù)坡并綠化。馬路溝排土場(chǎng)位于南露天采場(chǎng)南側(cè)，地形線呈“倒八字”形，具有運(yùn)距短、地荒蕪、基底坡度小、搬遷戶數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)。各排土場(chǎng)堆置參數(shù)見表1。

表1 露天礦各排土場(chǎng)堆置參數(shù)

馬路溝排土場(chǎng)面積約455 517.3 m2，主要地貌類型為：沖洪積形成的溝谷地貌和以基巖為主的侵蝕斜坡地段。前者多呈V字形溝谷，上游呈手指狀的4個(gè)支溝統(tǒng)一匯集在一起成馬路溝；溝寬一般20～50 m，寬處100～180 m，U型展布并形成溝谷臺(tái)地。溝谷總體呈葫蘆型里大口小的形態(tài)?；鶐r斜坡廣泛出露于溝谷兩側(cè)，坡度較陡，坡比多在1∶2以上。斜坡坡面除個(gè)別地段基巖裸露外，大多植被茂盛。

3 排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 排土場(chǎng)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

目前馬路溝排土場(chǎng)已排至1 300 m平臺(tái)。按照國(guó)家《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50421—2007)，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)宜取1.15～1.3，且根據(jù)保護(hù)對(duì)象等級(jí)而定。當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后使村鎮(zhèn)或集中居民區(qū)遭受嚴(yán)重災(zāi)害時(shí)，取1.3；當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后沒造成人員傷亡或造成經(jīng)濟(jì)損失不大的次要建筑物時(shí)，取1.2；當(dāng)被保護(hù)對(duì)象為失事后損失輕微時(shí)，取1.15。

為了解排土場(chǎng)邊坡在暴雨和爆破震動(dòng)作用下的邊坡變形特征，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在靜力條件下采用極限平衡法[1]，以自重、自重+暴雨2種工況來評(píng)價(jià)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性；在動(dòng)力條件下采用Geo-studio軟件進(jìn)行邊坡動(dòng)力有限元分析[2]，以自重+爆破震動(dòng)、自重+暴雨+爆破震動(dòng)2種工況來評(píng)價(jià)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

3.2 排土場(chǎng)各材料物理取值

馬路溝排土場(chǎng)材料組成主要有排水壩、堆渣、碎石土、基巖。依據(jù)地勘報(bào)告、初步設(shè)計(jì)資料，分析試算后確定各種材料的物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 排土場(chǎng)各材料物理參數(shù)計(jì)算取值

3.3 排土場(chǎng)靜力穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

采用Geo-studio巖土分析軟件其中的SLOPE/W模塊進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析[3]，運(yùn)用QUAKE/W模塊進(jìn)行爆破震動(dòng)動(dòng)態(tài)分析[4]。

3.3.1 自重工況

在該工況下，排土場(chǎng)處于自然靜力狀態(tài)，其穩(wěn)定性主要受上覆巖土自重的影響。軟件中，采用出口和入口的方式定義滑面，在SLOPE/W模塊中建立排土場(chǎng)二維模型，通過給各區(qū)域材料賦予參數(shù)后，采用極限平衡法計(jì)算出排土場(chǎng)在自然狀態(tài)下的危險(xiǎn)滑面及安全系數(shù)。分別運(yùn)用軟件中的Ordinary法、Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法計(jì)算安全系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 自然狀態(tài)下排土場(chǎng)安全系數(shù)

通過表3可知，不同方法所得的安全系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求，排土場(chǎng)在該工況下處于安全狀態(tài)。

3.3.2 自重+暴雨工況

在該工況下，降雨會(huì)使堆渣和碎石土的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，容重增大。依據(jù)金堆城露天礦排土場(chǎng)相關(guān)資料，不同飽和度材料的參數(shù)取值見表4。

在SLOPE/W模塊中，根據(jù)表4的數(shù)據(jù)調(diào)整不同飽和度下堆渣和碎石土的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果見表5。由表5可知，采用不同方法所得的安全系數(shù)均大于1.10，排土場(chǎng)在該工況下處于安全狀態(tài)。

3.4 排土場(chǎng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

生產(chǎn)運(yùn)行階段，排土場(chǎng)受到礦山生產(chǎn)爆破震動(dòng)的影響，采用動(dòng)力有限元方法分析其在爆破震動(dòng)作用下的穩(wěn)定性。

表4 人工堆渣材料參數(shù)隨飽和度變化關(guān)系

表5 不同飽和度下排土場(chǎng)的安全系數(shù)

3.4.1 自重+爆破震動(dòng)工況

通過監(jiān)測(cè)爆破震動(dòng)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，選取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中第1組數(shù)據(jù)的Y向加速度最大，第2組數(shù)據(jù)的Y向頻率最大，第3組數(shù)據(jù)的Y向位移最大，見表6。

采用QUAKE/W模塊進(jìn)行模擬動(dòng)力分析，得出排土場(chǎng)在爆破震動(dòng)后的應(yīng)力分布與在爆破震動(dòng)前的應(yīng)力分布相似。再將模擬結(jié)果導(dǎo)入到SLOPE/W模塊中進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析，得出排土場(chǎng)的安全系數(shù)最小值為1.263 9，最大值為1.264 1，變化幅度較小，可以認(rèn)為爆破對(duì)該排土場(chǎng)穩(wěn)定性影響較小，排土場(chǎng)處于安全狀態(tài)。

表6 用于排土場(chǎng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.4.2 自重+爆破震動(dòng)+暴雨工況

以降雨導(dǎo)致材料飽和度為100%時(shí)計(jì)算排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。將QUAKE/W模塊中分析的動(dòng)力結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W模塊，根據(jù)表2修改堆渣和碎石土的材料參數(shù)進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析。得出排土場(chǎng)安全系數(shù)最小值為1.157 72，最大值為1.157 92，變化幅度較小，因此排土場(chǎng)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)通過Geo-studio巖土分析軟件的SLOPE/W模塊，分析評(píng)價(jià)了排土場(chǎng)在靜力條件下的穩(wěn)定性，得出在靜力條件下排土場(chǎng)的安全系數(shù)大于1.15，處于安全狀態(tài)。

(2)利用QUAKE/W模塊，分析評(píng)價(jià)了爆破震動(dòng)條件下排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，得出排土場(chǎng)的安全系數(shù)為1.15～1.2，處于安全狀態(tài)。

分析結(jié)果表明，目前排土場(chǎng)是安全的。但在礦山運(yùn)營(yíng)過程中仍需對(duì)各排土場(chǎng)的爆破震動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施，避免在暴雨(或長(zhǎng)時(shí)間降雨)和爆破震動(dòng)的共同作用下，使排土場(chǎng)穩(wěn)定性接近臨界狀態(tài)，給礦山生產(chǎn)帶來危害，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

[1] 黃傳志.土體極限分析理論與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社，2007.

[2] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].2版.北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

[3] JohnKrahn. Stability Modeling with SLOPE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

[4] JohnKrahn. Dynamic Modeling with QUAKE/W[R].Canada: GEO-SLOPE/W, International Ltd, 2004.

2014-11-06)

張國(guó)艷(1982—)，女，工程師，714102 陜西省渭南市華縣金堆城鎮(zhèn)。