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曼家寨露天边坡防渗技术研究及优化
2019-02-18
以曼家寨矿区东帮防渗治理为背景,通过对矿区边坡主要影响因素的分析,结合边坡 岩性物理力学性质差、构造发育汇水面积大等现状特点,有针对地提出“网喷方式防渗治理试验”、 “ (LDPE)土工膜边坡防渗治理试验”,并对试验结果进行优化,得出最大限度保留边坡岩体的原 始强度,按设计坡形特性设计护坡,适应边坡的变形性,通过平台集中排水优化为斜分条辅助竖向 集中排水为主边坡排水系统,才是降低边坡汇水渗透的关键,并通过水平疏干巷道的建设,改变了 构造涌水对边坡涌水危害,快速疏干地表渗透水,降低了边坡地下水位线,提高了边坡稳定性,降低 了边坡维护成本。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 · 采矿工程· 曼家寨露天边坡防渗技术研究及优化 马开川 云南华联锌铟股份有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以曼家寨矿区东帮防渗治理为背景,通过对矿区边坡主要影响因素的分析,结合边坡 岩性物理力学性质差、构造发育汇水面积大等现状特点,有针对地提出“网喷方式防渗治理试验”、 (LDPE)土工膜边坡防渗治理试验”,并对试验结果进行优化,得出最大限度保留边坡岩体的原 “ 始强度,按设计坡形特性设计护坡,适应边坡的变形性,通过平台集中排水优化为斜分条辅助竖向 集中排水为主边坡排水系统,才是降低边坡汇水渗透的关键,并通过水平疏干巷道的建设,改变了 构造涌水对边坡涌水危害,快速疏干地表渗透水,降低了边坡地下水位线,提高了边坡稳定性,降低 了边坡维护成本。 关键词ꢀ 网喷方式防渗ꢀ 土工膜边坡防渗ꢀ 治理试验ꢀ 斜分条排水ꢀ 竖向集中排水ꢀ 疏干平 巷 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 009 Research and Optimization on Seepage Prevention Technology of Manjiazhai Open-pit Slope Ma Kaichuan ( Yunnan Hualian Zinc and Indium Co. ,Ltd. ) Abstractꢀ According to the analysis of the main factors affecting the slope of the mining area, the paper combines the characteristics of the poor lithologic physical and mechanical properties of the slope and the large area of the structure development and water catchment area, and puts forward the " test on the control of seepage prevention by net spray" and the treatment of " (LDPE) geomembrane slope anti seepage control" . According to the optimization of the test results, the improvement measures are put for- ward, and the original strength of the rock slope is preserved to the maximum. According to the design slope characteristics, the slope is designed to adapt to the deformation of the slope. Through the construc- tion of horizontal and dry laneway, the damage of water gushing to the slope is changed, the seepage wa- ter of the ground surface is quickly drained, the water level line of the slope is reduced, the stability of the slope is improved and the maintenance cost of the slope is reduced. Keywordsꢀ Net spray method for seepage,Geomembrane slope seepage,Control treatment test,Slant strip drainage,Vertical concentrated drainage,Drainage roadway. ꢀ ꢀ 云南华联锌铟股份有限公司位于云南省东南部 采用陡帮条带式开采,随着采剥作业循环的推进,采 场东帮边坡形成终了高边坡。 据采场边坡的变形监 测及预警系统统计分析,目前,该边坡局部区域 总 变形量达 10 m,下沉量最大超过 6 m,东帮边坡的不 断蠕变和位移不仅严重地影响着矿山的正常靠界, 造成下部区域压矿、压路现象,制约了矿山的生产, 更已经严重威胁到矿山的安全生产,本研究在矿山 现有治理方案的基础上,本着着“治坡先治水”的原 的文山壮族苗族自治州马关县都龙镇境内,是一大 型露天矿山。 近年来随着生产规模从 210 万 t 调整 到 360 万 t 采剥作业量的加大, 形成高程为 900 ~ 1 350 m 的边坡,边坡高差达到 450 m,同时采场 ꢀ ꢀ 马开川(1985—),男,工程师,663700 云南省文山州马关县都龙 镇。 3 9 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 则,通过对边坡不良工程地质现象分布区域及影响 范围,结合汛期防洪度汛要求及生产规划,选定试验 范围分别开展了网喷方式防渗治理试验、HDPE 膜 防渗方案试验,并结合边坡工程的防护试验及经 片岩为主,边坡开挖后,片岩在水和空气的作用下, 风化后易破碎,坡面随之出现碎石和滑坡,对边坡稳 定性造成了影响。 采用网喷的防护措施,不仅可以 降低治理成本,更主要的是通过网喷这样的密闭处 理,一是可以避免大气降雨对边坡的破坏和影响,有 效防止水的侵蚀,避免岩土体强度恶化;二是挂网后 可以增强岩土体的强度,减少爆破振动对边坡的影 响。 这对于整体稳定性主要受片岩影响的东部边坡 来说,是较合理、经济、方便的优化处置方案,在综合 分析和论证的基础上,推荐使用工程防护中的网喷 方法对该边坡进行治理。 [ 1-5] 验 ,从边坡的特点、对现有东帮边坡的治理措施 进行优化,寻求到一种技术可行、安全可靠、经济合 理、简单易实施的防渗材料及工艺,对东帮边坡的治 [ 6] 。 理有重要意义 1 ꢀ 试验区域工程地质条件 采场台阶由北向南梯降, 东帮边坡标高 910 ~ 1 380 m,高差达到 410 m,边坡角约 25°,采场主 要揭 露 地 层 为 第 四 系 ( Q)、 寒 武 系 中 统 田 蓬 组 ∈2 t)变质岩系中,以片岩、片麻岩、白云质、大理岩 试验区域位于 1 250 ~ 1 320 m, 平台坡面采用 # ( 4 铁丝网、局部采用勾花网;铁丝网网度 100 mm 为主。 采剥历史上,滑坡、崩塌、蠕滑等边坡失稳的 工程地质问题频发,主要以小型工程滑坡为代表。 采场处于三面分水岭环绕、向南倾低的单面斜坡,汇 ×100 mm;锚钉纵横间距 2 000 mm,采用正方形布 置。 锚钉采用 ϕ25 mm 钢筋,长 500 mm。 网片 2 m ×4 m,相邻网片搭接 200 mm。 喷锚厚度:局部厚度 超过 50 mm;坡顶喷锚宽度 2 m,范围见图 1、图 2。 2 水面积 4. 4 km ,其南端被曼家寨大沟侵蚀切割,成 为矿段地下水、大气降水排泄的唯一通道,构成独立 的地表水汇水单元。 根据矿区工程资料收集和分析,边坡在雨季期 间边坡位移量明显,采场边坡失稳破坏的最主要诱 发因素为降雨入渗:①降雨会引起岩土体含水量的 改变,增加自重,导致下滑力增加;②雨水进入边坡 体后会对岩土体产生软化效应,降低岩土体的强度 参数;③随着降雨的持续改变岩土体的孔隙水压力, 使其基质吸力减少,进而会增大滑动土体的剪应力, 降低岩土体的抗剪强度;④边坡岩行主要以片岩为 主,边坡开挖后受地表水的渗入,片岩发生膨胀和泥 化,雨后随着渗透水流出及矿区日照暴晒,岩性发生 收缩和表面小型滑坡现象。 鉴此,为降低边坡不良 工程地质现象对生产安全的影响,确保边坡防护,本 着治坡先治水的原则,降低大气降水对边坡的扰动, 进一步摸清大气降水对采场边坡稳定性的影响,通 过采用合理的材料、护坡形式、施工工艺等手段,对 已形成的不良工程地质现象提出处理方案,为采场 边坡治理寻求合理有效的防渗工艺,做好露天矿台 阶边坡防渗工作,为矿山开采工作提供一个安全的 工作环境,保证开采工作的稳定性、安全性。 图 1ꢀ 网喷区域剖面(单位:mm) 图 2ꢀ 网喷区域平面设计(单位:mm) 2 . 2ꢀ 试验效果 施工完成 1 ~ 3 月后,边坡排水及位移量减少对 2 ꢀ 滑坡治理试验方案 2 . 1ꢀ 网喷方式防渗治理试验 根据滑坡区范围地形地质条件及滑动范围扩大 边坡维护取到一定的效果;3 月后边坡多处区域区 域发生位移和破坏,已经不能满足边坡维护治理需 要,总体治理效果不佳。 边坡密封性方面:①治理坡 面面积区域过大,喷锚采用一次性喷浆而成,试验区 的特征,结合现场调查情况及边坡稳定性分析情况, 因需考虑矿区现场运输通道、联络道与卸载区域平 台的连接,考虑到曼家寨东帮边坡出露岩性主要以 4 0 ꢀ ꢀ 马开川:曼家寨露天边坡防渗技术研究及优化ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 域位于主断裂附近,结构构造发育,地表水由未喷浆 区域经构造流入后,对喷浆区域造成拉裂,降雨通过 边坡喷浆区域汇聚后经拉裂区域集中渗透如边坡, 造成对边坡集中渗透和涌入;②边坡经削坡减载后, 边坡局部区域岩性风化严重,新开挖台阶存在一定 的蠕变和位移期限,施工工期未做好相关准备,导致 了对边坡的密闭处理不可能实现。 挂网以增加边坡 岩性强度效果不佳:因试验中采用相互连接方式对 边坡进行维护,加之锚钉设计深度长 500 mm,在边 坡渗水后泥化后边坡自然垮落,锚钉深度不够未能 对边坡形成作用力,反因局部滑移区对边坡造成一 个反作用的拉力,造成局部区域变心和悬空状;不利 于后期边坡整改和施工:边坡采用铁丝网、锚钉焊接 而成并进行喷浆处理,对局部边坡的处理工作量大, 后期难于按设计要求整改和维护,对边坡位移区域 应力释放难度大,不利于管理。 图 3ꢀ (LDPE)土工膜边坡防渗设计剖面 图 4ꢀ (LDPE)土工膜边坡防渗平面设计(单位:m) 2 . 3ꢀ (LDPE)土工膜边坡防渗治理试验 LDPE)土工膜为柔韧性材料,全称“高密度聚 ( 乙烯膜”,为环保无毒材料。 具有断裂伸长率的性 能,可以较好阻断、减少雨水对边坡的入渗,且防渗 膜的防渗时间长,防渗效果好等特点,且该工艺施工 方便,施工成本较低,可二次回收利用等特点,能较 好提高边坡的自稳能力及稳定性。 故通过将 HDPE 防渗膜分区铺设在需要进行防渗处理的基面上,基 面须经清理满足铺设要求,将各区域内防渗膜上部 通过铁丝将其固定,在两侧铺设土工格栅并用钢钉 锚固,再依次对防渗膜的下部及边角处进行焊接,上 下两部分防渗膜则焊接在一起,上面铺设素土、砂垫 层或者砼保护层,从而形成一个整体、封闭的防渗体 系,对边坡进行很好的防渗效果。 图 5ꢀ 坡脚防渗大样 2. 4ꢀ 试验效果 试验效果见图 6 ~ 图 8 所示。 图 6ꢀ 局部构造区隆起 2 基面要求。 平整度±50 mm/ m ,基面平整顺直; 压实度 90% 以上,经碾压后方可在其上铺设防渗 膜;纵横坡度宜在 2% 以上,基面垂直深度 25 mm 内 不得有尖棱物体。 HDPE 防渗膜的铺设。 整个坡面由上至下分为 2 层铺设,1 层底部搭接于 2 顶部之上,施工时先完 图 7ꢀ 局部排水沟汇水 成下部的铺设再进行上部区域的铺设;铺设时应从 底部向高位延伸,不要拉得太紧,应留有 1. 5% 的余 幅,以备局部下沉拉伸;相邻 2 幅的纵向接头应相互 错开 1 m 以上。 相关设计见图 3 ~ 图 5。 压膜定型:用砂袋及时将对正、搭齐的 HDPE 防渗膜压住,每个网格纵向采用宽 0. 5 m 的土工格 栅压紧,纵向土工格栅采用 0. 5 ~ 0. 8 m 的钢钉固 定,钢钉间距 2. 0 ~ 2. 5 m 进行防渗膜的锚固。 图 8ꢀ 平台排水沟损坏 试验区受下部台阶的采剥及边坡风化自然垮落 4 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 位移影响,平台排水沟局部出现隆起错断,平台排水 不畅汇水严重形象,使用周期端维护量大。 每月需 对边坡进行重复施工和管理,对于大型露天矿山边 坡管理任务重且效果不明显。 合边坡现在位移区域滑坡特点,边坡滑移区域主要 集中与平台与坡面坡顶线区域,且具有小范围滑动 等特性,故防护中利用土工膜具有可变形特性,将维 护区域按分区分块进行搭接,平台与边坡放渗分开, 分别作为独立的放渗单元,但防护区域出现小范围 滑动时,可对垮落区域围岩进行及时清理。 下段 HDPE 膜铺设优化: 3 ꢀ 边坡防渗方案存在的问题及优化措施 3 . 1ꢀ 边坡治理试验中存在的问题分析 ( 1)未完全考虑边坡具有的动态性和变形性。 ( 1)将 HDPE 膜的上部采用锚钉每间隔 2. 5 m 进行锚固固定,锚钉长适情况而定。 2)HDPE 膜的下部要一直铺到下一台阶的排 水沟位置为止。 因东帮边坡区域,边坡上部平台主要沿 F0 断层分 布,卸载后,采场受应力重新分布,导致平台出现大 量边坡裂隙及小构造,雨季来临,大量的平台汇水通 过构造面渗透至地表以下,同时边坡岩性主要以片 岩为主,在地表水的渗透下,并沿岩性汇集至平台底 部,导致平台下部含水保和,片岩泥化,导致台阶边 坡陶脚和隆起,边坡排水沟道起不到排水作用。 ( ( 3)相邻两幅 HDPE 膜间的连结采用热熔焊接 方式,焊接宽度 250 mm。 ( 4)边坡坡脚处的 HDPE 土工膜每隔一定距离 也采用砂石袋压住。 ( 2)地质条件认识的局限性和阶段性。 采场边 坡脚排水沟段 HDPE 膜铺设方法优化:因铺设 坡面下部平台紧邻 F0 下盘,该区域一直发生沉降变 形,因此,排水沟段 HDPE 膜采用搭接形式,铺设在 下段 HDPE 膜下部。 在开挖好的坡脚排水沟内也 铺设 HDPE 膜,排水沟两侧的 HDPE 膜每隔一定距 离也采用砂石袋压住进行固定。 坡地质资料的认识主要来自于前期找矿和生产勘 探,后期地质资料的认识主要来源于开采揭露进行 地质编录进行,达不到地质边坡稳定性地质基础数 据。 因此,对边坡地质资料的认识有局限性,特别是 边坡工程地质和水文地质资料认识。 因采场采用分 期釆剥,采场边坡随着露天生产勘探的推进,采场找 矿有了新的突破,采场基础地质储量增加,露天境界 为非最终边坡,生产中边坡随着釆剥作业的循环推 进,导致了露天边坡的重复性投资。 HDPE 膜区块设定优化:采用每幅宽度为 4 m 的 1. 5 mm 厚单糙面 HDPE 膜。 4 幅为一区块,区块 内的 HDPE 膜 采 用 热 熔 焊 接, 热 熔 焊 接 宽 度 为 250 mm,相邻区块的 HDPE 膜直接采用搭接形 式,搭接宽度为 250 mm。 ( 3)未充分考虑降雨断裂破碎带对矿床充水及 降雨入渗过程中孔隙水压力影响。 边坡经过卸载 后,排洪沟道虽经过抹面处理,在边坡蠕变的情况 下,将台阶平台进行拉裂并与主要构造面进行联通, 雨雾天,大量的水将沿构造面进行渗透,造成边坡含 水饱和,边坡岩性体重变化导致台阶出现淘脚,加速 边坡位移,其次边坡采用土工膜防护后,将台阶及边 坡大量地表水进行汇集,因位移区域大量构造的存 在导致了地表水的集中注入边坡,促进了边坡的位 移。 3 . 2. 2ꢀ 台阶斜分条集中竖向排水优化 由试验段的平台横向集中排水向坡面斜分条竖 向分段集中排水为主,极大的改善因品台平面边坡 和掏脚引起的排水不畅和地表汇水经平台下渗至围 岩中。 坡面采用土工膜具有不透水性能较好隔断采场 边坡漏水通道,以其较大的抗拉强度和延伸率承受 水压和适应坝体变形,采用分区铺设较好的适应边 坡变形,按间隔 30 m 铺设垂直方向的排水软管,并 建立多条斜分条拦水档对坡面汇水汇聚至主要排水 管线,2 主排水管线间形成 V 形方式固定在采场边 坡上土工膜(如图 9),坡面少部分汇集水经过平台 沉沙池后引入 PVC 管一同排出,平台采用以沉砂池 为中心按平台形成反坡,对剖面进行分段排水汇聚 沉砂池后由主排水管排出采场,各平台汇集水由 PVC 管汇集后最终通过采场主排洪沟道排出采场 外,达到排水受边坡位移而达不到排洪目的,减少了 对现场边坡依赖和水在边坡停留时间,达到平台排 水不受边坡变形影响。 3 . 2ꢀ 边坡治理优化 试验中边坡治理措施主要通过对边坡进行隔绝 和密闭处理,以减少地表水和降雨对边坡影响,但对 于岩性物理力学性质差、构造发育汇水面积大的露 天矿防渗治理都有一定的局限,因此通过查阅相关 [ 4-7] ,提出通过减少保留岩体伤害、最大限度保 资料 留边坡岩体的原始强度,按设计坡形成坡,降低边坡 岩性含水性,对地表水有效截挡和地下水的快速疏 干,减少平台汇水时间才是边坡治理中的关键。 3 . 2. 1ꢀ 边坡穿“宽衣” 依据边坡岩性、构造特征让边坡穿“宽衣”。 结 4 2 ꢀ ꢀ 马开川:曼家寨露天边坡防渗技术研究及优化ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 9ꢀ 边坡 V 形排水 3 . 2. 3ꢀ 查清边坡情况 边 坡 治 理 和 清 扫 和 维 护 费 用, 降 低 500 ~ 600 万元/ a。 同时为边坡易风化、易破碎岩性边坡 放渗治理提供了一定技术措施和手段。 查清边坡工程地质、水文地质,设计水平疏干巷 道。 因边坡结构构造发育、水文地质复杂,在水位地 质及边坡构造不清的条件下,平巷疏干系统在富含 水性差的片岩岩层中,难以达到降低治理段边坡岩 体中地下水位和水压力,消除由于坡面出水造成的 潜蚀、软化和膨胀破坏,提高边坡稳定性。 4 ꢀ 结ꢀ 语 ( 1)露天境界易风化、变形量大区域边坡治理, 易采用环保科变形材料进行维护,放渗治理方案中 需对防渗材料区域科变形量的控制。 水平疏干巷道参数。 结合边坡岩性和边坡现 状,为保证出渣方便和泄水孔穿孔施工,高差间隔 ( 2)对变形量大的边坡区域,以坡面斜分条结 合竖向排水方式对边坡放渗有利,很好地降低了边 坡维护管理费用,降低维护成本。 5 0 m 施 工 1 条 疏 干 隧 道 ( 见 图 10、 图 11 ), 宽 . 6 m,高 4 m,拱墙高度 2. 5 m,纵向坡度 5% ,掘进 总长度保证穿过断层破碎带 10 m。 4 ( 3)结合主构造特点,通过井巷工程对构造区 的贯穿,将涌水构造通道作为巷道排水通道,极大降 低量边坡含水水层水位线高度,利于边坡稳定系数 的提高。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 刘子春,韩ꢀ 猛. 扎尼河露天矿边坡治理措施与效果[J]. 煤炭 科学技术,2017,45(S1):174-176. 2]ꢀ 田大明,李ꢀ 林,王智能. 深部接续开采高边坡治理研究与实 践———以晋宁磷矿东采区为例[J]. 化工矿物与加工,2017,46 图 10ꢀ 边坡疏干平巷剖面(单位:m) ( 2):39-42. [ [ [ 3]ꢀ 王ꢀ 浩,王晓东,泮ꢀ 俊. 超高路堑边坡治理工程案例研究Ⅰ: 边坡失稳机制模拟分析[ J]. 岩石力学与工程学报,2017,36 ( 4):899-909. 4]ꢀ 王ꢀ 浩,王晓东,泮ꢀ 俊. 超高路堑边坡治理工程案例研究Ⅱ: 治理对策及其过程控制[ J]. 岩石力学与工程学报,2017,36 ( 5):1152-1161. 5]ꢀ DING JIATAO,WANG YANG,YANG MINGHUI ,et al. Walking stabilization control for humanoid robots on unknown slope based on walking sequences adjustment[J]. Journal of Intelligent & Ro- botic Systems,2018,90:3-4. 图 11ꢀ 疏干平巷段面 [ [ 6]ꢀ HU YINGGUO,LIU MEISHAN,WU XINXIA,et al. Damage-vibra- tion couple control of rock mass blasting for high rock slopes[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 3 . 3ꢀ 防渗治理优化结果 经地表防渗方案优化与地下水井巷联合治理, 2 018,103:137-144. 成功将主构造渗水通道变成下排水主要通道,通过 试验区域水文地质孔观察,边坡水位呈现 30 m 下 降,减小边坡地表水的边坡岩性影响,较好地将边坡 稳定系数由 1. 09 提高至 1. 25,极大地降低了矿区 7] ꢀ KHAN TOWHID OSMAN. Soils on Steep Slopes [ M]. Berlin: Springer International Publishing,2018. ( 收稿日期 2018-11-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 4 3
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