露天矿排土场稳定性分析及滑坡防治措施

2023-01-29李文虔陈敏寇向宇

采矿技术 2023年1期

李文虔,陈敏,寇向宇

(1.中国铝业股份有限公司贵州分公司, 贵州贵阳 550014 2.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南长沙 410012)

0 引言

排土场是矿山生产的重要安全设施,其稳定性是保证矿山安全、连续生产的必要条件。排土场稳定性的破坏会带来巨大的社会和经济损失。遵义某铝矿排土场堆积量大,如果堆放料滑坡,会给矿山带来较大的经济损失,造成环境的破坏。因此,研究排土场的稳定性影响因素及滑坡防治措施是该矿山面临的紧迫问题。

1 矿区概况及排土场工程地质

遵义某铝矿矿区位于大娄山山脉南西段,矿区场地属高原浅切割剥蚀低山丘陵地,年平均气温15.2℃,年平均降雨量1087 mm,平均年蒸发量1034.6 mm,年平均相对湿度80%。该矿排土场位于露天采矿场的北端,场区地形南高北低,坝址以北沟谷地形逐渐开阔,现有农田村舍;整个场地向北倾斜,场区标高界于883～970 m之间,排土场容积195万m3。场区无常流水,主要由主沟及四条冲沟组成,主沟坡度7.3%,冲沟内无泉水出露,场区植被主要由灌木林组成,排土区域原地形平均坡度20.76°。

工程地质测绘、钻探及槽探工作揭露结果表明,排土场区内铝土质岩及灰岩是构成坝基及场区的主要稳定基岩,场区除冲沟外,无其他不良地质现象,所有钻孔、探槽均未见地下水。

从露天采矿场开采出露地层和地质勘探揭露的岩层来看,排土场堆料为易风化灰色白云岩(风化后为黄色黏土、碎块)、水云母黏土岩、铝质黏土岩(或铝质岩)、砂质黏土岩和灰岩。

2 排土场稳定性影响因素分析

2.1 地基岩性及坡度的影响

该排土场地基岩性由上至下分布为:黏土层、灰岩,其中黏土层地基厚2～6 m。钻探及槽探揭露结果表明,排土场基底地层从上至下依次为:第四系人工堆积人工土、第四系植物层、第四系坡洪积黏性土和块石、第四系坡残积黏土、二叠系铝土质岩及寒武系灰岩。排土区域原地形平均坡度20.76°,有灌木林植被。场区内铝土质岩及灰岩是构成坝基及场区的主要稳定基岩。黏土层和拦截坝地基岩石的物理力学性质见表1。

表1 排土场地基物理力学参数

根据文献研究可知,排土场滑坡按滑动面的位置、形状及原因主要可分为两类,一类是沿堆放料与地基方向的坡面滑动,另一类是沿地基岩层平面方向滑动。

在排土场堆放早期,主要应对压力进行控制,避免地基破坏,当堆放物逐渐增加,负荷增大后,孔隙减小,水分排出,地基的承载能力达到峰值,可能出现剪切变形导致滑坡;而当排土场坡度不断变陡时,可能导致沿基底面发生滑坡。

通过对排土场的基底岩层组成、边坡角及地基的负载等影响因素进行评估,从工程地质勘察的揭露情况来看,该铝矿排土场基底属于软岩地基,软岩地基在排土场排弃物料压力作用下压缩沉降,同时,基底地形坡度为19.4°～23.5°,大于排弃土料的内摩擦角17°,因此易产生沿基底接触面的滑坡。

2.2 堆料黏土和软岩的影响

排土场内排弃的散体物料中约70%～80%为第四系表土、易风化灰色白云岩(风化后为黄色黏土、碎块)、水云母黏土岩、铝质黏土岩(或铝质岩)、砂质黏土岩。排土场堆积土料室内土工试验结果表明,该堆料属黏性砾质土,这类土料特点为击实干密度小,总强度低,渗透系数小,属高压缩性土。对混合土料进行了剪切试验,得出黏结力为20～25 k Pa,内摩擦角为17°。

根据前述的试验分析可知,排土场堆料的黏结力与粒径成反比,内摩擦角与粒径成正比。试验取样的组成中,颗粒直径小于0.074 mm的土料占试样的58.6%,大于20 mm的土料占28.1%,由此可知细颗粒的堆放料和软性黏土的占比高,能大大增强排土场的稳定性。

排土场内部滑坡多数与堆置土料的力学性质有关。勘探揭露的岩层资料显示,堆放料多数是表土、黏土岩及易风化的白云岩,堆料经过了从初期堆放到逐步加多的过程,压力不断增大,沉降变形也逐步加大,产生张裂隙,并且随着裂隙的发育,最后引起排土场的边坡失衡、开裂和滑坡。张裂隙的存在及其发育是造成排土场不稳定的因素。

2.3 降水的影响

雨季降水会对排土场稳定性造成极大的影响,大量的降水使堆放物的黏结力大大降低,试验表明,在水分饱和的状态下,土料的渗透性差,压缩性大,剪切强度低,稳定状态迅速恶化,易造成排土场的内部滑坡。同时,由于场区植被为灌木林,因此,排土场基底以软土为主,当遇到雨水的浸润时,水分达到饱和,剪切力大幅降低,造成排土场滑坡。

3 边坡稳定性系数计算

排土场土料取室内试验指标,黏土层地基取工程地质报告和勘探地质报告数据,灰岩基础参照相关指标,见表2。

表2 计算参数

采用公式(1)计算排土场边坡的稳定性系数,计算结果见表3。当稳定性系数为1时,边坡岩体处于极限平衡状态;当稳定性系数大于1时,边坡岩体稳定;当稳定性系数小于1时,边坡岩体不稳定。

表3 排土场边坡稳定性系数计算

式中,F为边坡稳定性系数;C为内聚力;γ为密度;φf为边坡角;ru为孔隙压力比;φ为内摩擦角;H为边坡高度。

容易产生变形的区域为组合台阶,但是,由表3可知,其稳定性系数为1.76,说明组合台阶的稳定性较好;同时,排土场位于沟谷里,两侧山体为阻挡滑坡的自然屏障。排土场的最终边坡角为18.43°～22°,堆积高度65 m,地质报告中黏土层基底内摩擦角为18.7°,因此,不清除黏土层也可满足边坡稳定性系数大于1.1的要求。

4 排土场滑坡的防治措施

据以上分析,排土场变形破坏,产生滑坡和泥石流的影响因素主要是基底的软弱岩层、排弃物料中含大量表土和风化岩石,以及地表汇水和雨水的作用。因此,对该排土场应采取综合的滑坡防治措施。

4.1 覆盖与压坡脚式组合台阶排土工艺

该排土场目前采用汽车单台阶排土,这种排土工艺适合堆置坚硬岩石,排土场基底要求不含软弱岩土。由于排弃的土料为黏性砾质土,排土场基底又有2～6 m的软弱岩土,堆置高度受到限制,堆积体总量174.7万m3,为了充分利用排土场沟谷地形的有利条件,应选择覆盖与压坡脚式组合台阶堆置方式,可将先期剥离的大量表土堆置在排土场指定区域,风化岩层堆置在940 m水平排土台阶(采用单台阶排土)的上游,后期剥离的风化岩层则覆盖在940 m水平上,即960 m排土台阶,而将采矿场下部和深部剥离的坚硬岩石堆置在940 m水平排土台阶的下游和925 m水平排土台阶(压住940 m水平台阶的坡脚),压住上部台阶的坡脚,有利于抗滑和稳定坡脚。通过分析边坡的稳定性,可知组合台阶的安全系数优于单台阶排土,说明覆盖与压坡脚式组合台阶排土工艺有利于排土场的稳定性。

4.2 软岩基底及植被的处理

该排土场整个场区都有灌木林等植被,在排弃土料之前应全部清除场区内的所有植被,这样有利于边坡的稳定。

对排土场基底2～6 m的软弱岩土可以采用以下方法处理:一是控制排土强度和一次堆高,以使基底得到压实和逐渐分散基底的承载压力;二是采用爆破法将基底软岩破碎,增大抗滑能力,在底层形成排水层。

4.3 外截内疏的排水方式

沟谷内排土场的初期应全面考虑水的疏导。建议采用在排土场底部设置岩石泄流体和在排土场沟底上游925 m水平起沿原公路修筑一道排水沟的联合排水方式。长期的生产实践表明,在排土场底部构筑岩石泄流体是可行的,有利于排土场基底和排弃土料的稳定,而且最适合于开采结束后废弃排土场的稳定。岩石利用灰岩,粒径500～800 mm占60%,800～1000 mm占20%,其余粒径20%。

对于大面积场外山区汇水,采用在排土场沟底上游925 m水平修建截水沟,将水引致拦截坝外排出,截水沟断面尺寸为1.0 m×1.5 m。场内汇水是为了不对平台产生浸蚀和冲刷边坡,并将平台修成3°的反坡,使水流向坡跟处的排水沟而流出界外。在排土场下游沟谷收口部位修筑拦截坝。

4.4 采用内部排土工艺

该铝矿矿体倾角10°～20°,平均厚度7.39 m,由于矿床起伏变化,露天矿采场分为5个相邻的小采场,按先后提前结束Ⅱ、Ⅰ采场,可利用其采空区作为排土场,实行内部排土工艺,尽可能减少排土场的堆存量,降低排土场的运行压力,有利于排土场的稳定。

4.5 建立排土场监测站

在矿床开采过程中,应建立排土场监测站,作好边坡变形、位移监测记录,对岩土自然压实特性的位移及位移速度进行监测,并据此研究降雨量、排土场高度和山坡倾角随时间的变化规律;对排弃的土料进行边坡、岩性、水文等全面的调查和分析,以指导后续生产。随时掌握排弃物堆积体状态变化情况,发现险情及时采取措施处理,防止重大滑坡事故的发生。