浅谈露天石灰石矿山边坡稳定性分析

浅谈露天石灰石矿山边坡稳定性分析

张绍诚

中国建筑材料工业地质勘查中心云南总队 云南昆明 650118

摘要：随着我国基础建设的大力发展，水泥及砂石料的需求量一路攀升，市场竞争日趋激烈的今天，为实现资源的充分利用，矿山边坡问题日益突出。边坡稳定性不仅影响矿山的自身稳定和安全，而且直接影响开采成本。因此，对边坡稳定性的分析就显得格外重要，它为矿山的安全开采、资源充分利用提供科学的依据。本文以作者负责的云南省丽江古城西南水泥有限公司云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山边坡稳定性分析项目为例，浅谈石灰石矿山边坡稳定性分析方法。

关键词：露天；石灰石；矿山；稳定性；分析

前言

石灰石矿山普遍为露天矿开采，共性的问题是随着深度的加深和开采范围的扩大，加上复杂的工程地质条件、水文地质条件及爆破的影响，必然引起边坡的位移，位移的大小直接反映了边坡的稳定程度。露天矿边坡在其服务年限内的稳定性，-直是矿业生产部门及地质人员最为关心的课题。因为它不仅直接关系到作业人员及设备的安全，同时也影响着生产的顺利进行。为此，对边坡进行破坏模式和边坡稳定性计算分析，确定边坡角的推荐值成为矿山开采工作的首要任务。云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山，许可开采标高介于2500~2916m，高差为416m，为高边坡，边坡的危害等级为Ⅲ级，边坡安全等级为Ⅱ级。稳定性分析采用收集资料、工程地质测绘、工程地质钻探、原位测试、三维地形测量等手段，通过不平衡推力传递系数法校核萨尔玛法得到的边坡稳定系数，按正交试验法进行边坡最优边坡角的选取。

1项目概况

矿山位于丽江古城西南水泥有限公司厂区北侧，地理坐标北纬26°58′02″～26°58′34″、东经100°20′32″～100°21′01″。开采方式为露天开采，采矿方法采用浅孔爆破。依据设计，台阶高度15m，最小工作平盘宽度45m、最小工作线长度90m、台阶坡面角50°、55°、60°、采场内运输平台宽度9.5m、安全平台宽度4.0m，清扫平台宽度6m。

2勘察方法及手段

云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山边坡勘察工作主要采取了如下的勘察方法及勘察手段：

2.1收集资料

搜集和研究了场地区域地质、地震资料及场地已有的工程勘察、设计技术资料。为完成本次勘察工作，搜集和研究1：20万《G-47-11区域地质调查报告》(丽江幅)、1：20万《G-47-11区域水文地质普查报告》(丽江幅)等区域地质资料；收集《金川露天矿边坡稳定性的岩体工程地质力学研究》研究报告作为参考资料。

2.2工程地质测绘

对边坡及周边进行1：1000工程地质测绘，通过工程地质测绘，满足以下要求：

(1) 获取矿山地形地貌特征及其地层、构造、不良地质作用的关系，评估地表水对采场的充水影响，调查附近河流的水文数据及其变化规律，分析采场遭受淹没的可能性；

(2) 研究岩石的岩土工程性质及风化破碎情况，进行岩（土）体的工程地质的岩组划分，确定岩组的分布界线，判定岩组的成因、年代和不同岩组的接触关系；

(3) 测定岩层结构面产状，获取场地内构造形迹，调查节理裂隙，分析地质构造对地形、水文地质条件的影响，确定岩（土）体的结构类型；

(4) 调查地下水的类型、补给来源、径流、排泄条件，与地表水体的关系，地下水位深度及变化幅度，分析勘察场区的水文地质条件与地形、岩性、地质构造之间的关系；

(5) 调查台阶边坡的变形与破坏情况及影响因素；

(6) 调查勘察场区附近与边坡地质条件相似的自然山坡，分析其稳定坡角与山坡高度的关系；

(7) 调查勘察场区内的不良地质现象；

(8) 调查地震与爆破振动震害。

(9) 节理裂隙测线法

对场地内出露的地质露头进行节理裂隙的测线统计，每测线长度30 m，共进行10尺测线法线统计。

2.3工程地质钻探

本次勘察采用XY-2型钻机2台，以绳索取心工艺进行3个钻孔钻探施工，以便查明场地深部的岩性、岩体结构，获取各结构面的深部分布情况，并获取岩样进行相关试验，测量地下水位。

钻探施工操作严格按照相关规范执行，钻孔开孔直径Φ110mm，终孔直径Φ95mm，单回次进尺3m，岩芯采取率一般在98%以上，多数为100%。取出的岩芯均按由上自下，由左向右的顺序摆放，并填写岩芯票。

2.4原位测试

(1) 现场直接剪切试验

现场岩体进行2组现场直接剪切试验，分别为1组天然状态和1组浸水饱和状态，获取岩体的抗剪强度指标。

(2) 钻孔波速测试

对一个钻孔采用钻孔波速测试，获取岩体纵波波速。

(3) 岩石回弹测定测试

通过混凝土回弹仪获取各结构面的风化湿润节理面的回弹数(r)和干燥未风化岩石表面的回弹数(R)，为不连续结构面抗剪强度Barton法提供相关参数。

2.5 钻孔注水试验

对1个钻孔5段进行了原位的钻孔注水试验，用来获取场地岩层的渗透系数及评估岩体孔隙水头高度。

2.6 三维地形测量

通过无人机进行摄影测量，进行建立三维地形建模。

2.7 室内测试

(1) 岩石矿物鉴定

进行岩矿鉴定2个，鉴定岩石的矿物成分及岩石名称。

(2) 结构面楔形剪切试验

结构面取样均为150mm边长的立方体。每个结构面分为天然和饱和各取3组试验，每组取5个试块（预留2块为备用试样），矿山按4个主要结构面处理，因此取样数量为4×3×2×5=120块。为防止碰撞产生裂隙和结构面扰动每块试样用防撞摸包装后运输至试验室，获得结构面的抗剪强度参数。

(3) 岩石楔形剪切

对矿区地表样中选取9组天然和9组饱和状态的岩块直接剪切试验，试验每组3个岩块，按照规范岩块尺寸为5×5×5cm大小，试验采用楔形剪切仪进行，，获得岩石的抗剪强度参数。

(4) 岩石单轴抗压强度

对矿区内钻孔岩芯中均匀取样，共进行天然和饱和各9个岩块的单轴抗压强度试验，获取场地岩石的饱和单轴抗压强度。

(5) 岩石三轴试验

对矿区内钻孔岩芯中均匀取样，共进行天然和饱和各3组岩石三轴试验，每组4个岩样，获取岩石的抗剪指标、弹性模量和泊松比。

(6) 岩石劈裂试验

对矿区9个天然和9个饱和状态的钻孔岩芯岩样进行劈裂法试验，获取岩石的抗拉强度。

(7) 岩石波速试验

试样在钻孔岩芯中均匀采取，岩芯为柱状、每个试块取样长度大于15cm，取样后用防撞膜进行包裹。本次总计取样18个（9个天然、9个饱和），总计18个试块，获取岩石的纵波波速。

3稳定性计算

3.1边坡稳定性分析

边坡稳定性分析通过不平衡推力传递系数法校核萨尔玛法，如两者偏差不大，采信萨尔玛法计算结果，并通过萨尔玛法计算得到的边坡稳定系数按正交试验法进行边坡最优边坡角的选取。

3.2 边坡落石分析

采用三维激光扫描获取数据，利用三维空间建立模型。基于三维空间模型，采用三维落石运动模型可对落石进行三维模拟，并得到落石的运动参数包括空间频率，落石速度，落石能量，弹跳高度，运动轨迹，停止区域和碰撞区域。在初始模拟时，落石块体的尺寸、密度、形状、时间频率以及对应的量级需要根据落石历时资料进行确定，运动模型中的物理参数（恢复系数，摩擦系数）则是根据经验确定。根据初始模拟结果，将落石运动轨迹、停止区域和碰撞区域与实测的落石事件进行比较，如果偏差较大，则修改以上参数再次进行模拟，直至模拟结果与实测结果达到一定的匹配程度，这一过程被称为三维反分析法（3D back analysis）。

3.3最优边坡角分析

采用中萨尔玛法得到的总体边坡稳定系数，然后边坡台阶角作为横坐标，不同荷载组合下的稳定性系数作为纵坐标，绘制曲线，根据曲线得出最优边坡角。

4. 结论

(1) 本次勘察采用了多种勘察手段，查明边坡区的工程地质条件和水文地质条件，满足设计阶段要求；

(2) 项目区边坡台阶局部存在楔形滑动，大部分区域台阶处于稳定状态；

(3) 落石灾害在施工区左下方、右下方的平台区域，以及马道和附近斜坡的灾害程度较大。

（4）建议边坡Ⅰ区边坡台阶角55°、最终边坡角为43.94°为最优边坡角进行设计，边坡Ⅱ区边坡台阶角55°、最终边坡角为41.11°为最优边坡角进行设计。

结语

综合云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿山边坡稳定性分析项目表明，石灰石矿山稳定性分析的重点是野外数据的获取，野外数据是否具有代表性直接影响最终边坡稳定性分析结论的可靠性，然后野外数据的获取是一个极为复杂的过程。露天矿边坡稳定性分析工作值得不断摸索与改进，不断创新和发展，使其更好的服务于矿山开采，资源充分合理利用，实现可持续发展。

参考文献

[1]张绍诚. 丽江古城西南水泥有限公司云南永保特种水泥有限责任公司金山分公司石灰石矿边坡稳定性研究报告。中国建筑材料工业地质勘查中心云南总队,2020-P01-1/4.