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歪头山铁矿上盘排土场稳定性研究
2013-09-05
歪头山铁矿上盘排土场稳定性研究。
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L、歪头山铁矿区自然条件和排土场现状

    本钢歪头山铁矿位于本溪市溪湖区歪头山镇。矿区属长白山系,东南高西北低,海拔标高一般在300~400m。歪头山矿区现有上盘和下盘两个排土场,上盘排土场位于露天采场的西南部,排弃标高230、255、275和290m 4个水平。其中230m水平已排至最终界。自然地形为南部高,北部低。地形地貌为沟谷、坡地,自然坡度50~100,上陡下缓,地面植被发育,属于高台阶多段覆盖式排土场。最危险的剖面应为纵向沟谷方向,该排土场下部正对下部农田和村庄,并且在排土场的平台布设有多条生产铁路和公路,排土场的稳定性直接关系到人身、财产以及矿山生产的安全。

2、影响排土场稳定性的因素

    歪头山铁矿上盘排土场位于一自然坡地,已使用多年,也曾发生过局部滑坡。随着排土场的进一步加高直至终了状态时,其稳定性是至关重要的。因此,根据对歪头山铁矿上盘排土场的调查分析,影响稳定性的因素主要有:

    ——地基土性质及其坡度。地基土的性质是影响排土场稳定性的关键因素,软弱的地基土通常导致排土场整体及大面积的滑动,同时地基土的坡度也是导致排土场滑坡的主导因素。

    ——排弃物料的力学性质。排土场滑坡的3种形式中,内部滑坡主要受排弃物料的力学性质的影响,其影响排土场自身稳定性,主要表现为岩石对水的敏感程度。易水解、易风化的岩石容易引起排土场的破坏,排弃物料的力学参数见表1。

    ——排土工艺。采用不同的排土方式和设备,使排土场堆置的高度不一,废石压密的程度不同,设备的大小、重量不同排土场所受的外载也不同。不同的排土工艺,使不同岩性的岩石的土场空间分布也不一样。

    ——大气及水文地质条件。水对排土场边坡稳定性的影响主要表现在水对岩石的作用,使岩石强度降低;边坡中高含水层构成滑坡体的潜在滑面。

——地震与露天采场爆破。在不同区域内发生地震的概率不同,震级也不同,对排土场废石形成的自然坡面的稳定性影响也不同;采场爆破引起附近岩石震动,是影响排土场稳定性的因素之一。

3、排土场稳定性计算分析

3.1计算剖面选取

歪头山铁矿上盘排土场最大的潜在破坏威胁主要来自整体失稳和最底部边坡的失稳破坏,因此在综合分析了其特征后选取排土场北侧沟谷作为主计算剖面。有关研究表明,金属矿山生产状态下排土场的最大边坡角可达400以上,一般稳定边坡角在360~380,设计时较安全地按1:1.5(34。)选取排土场边坡角。

3.2排土场边坡破坏模式及安全系数限值选取

3.2.1排土场的变形破坏形式

    排土场主要用于排弃露天采场破碎围岩,围岩岩性较为单一、均匀。其排土场边坡的滑动破坏模式主要为:

    ——沉降压缩变形。由于岩石自重的作用,排土场逐渐压实和沉降的过程,即沉降压缩变形,这一沉降过程要连续多年,其沉降压缩率波动于10%~20%的范围内。沉降系数和压缩率是反映废石沉降程度的物理量。这种变形速度慢、幅度不大、破坏性小,对生产没有太大的影响。

    ——滑坡:1)排土场内部滑坡。地基岩层稳固,由于物料的岩石力学性质、排土工艺及外界条件如外载荷、雨水等导致的排土场失稳现象,其滑动面出露在排土场的不同高度处,详见图1;2)沿地基接触面的滑坡。滑坡沿着地基土的软弱接触带产生,虽然水平地基也会出现这类滑坡,但多数在倾斜地基条件下发生,特别当废石堆置在倾角较陡的山坡上时很容易滑坡,详见图2;3)软弱地基底鼓引起的滑坡。由于地基中软弱岩层受排土场压力的作用面发生破坏,地基中出现岩层滑移和底鼓等现象,从而导致排土场滑坡,详见图3。

——泥石流。总发生在沟谷中或地面上的一种饱含大量泥砂、石块和巨砾的固-液两相流体,它是各种自然应力和人为因素综合作用的结果,给自然环境和人们生产活动带来巨大的破坏和灾害。

3.2.2排土场的变形破坏特征

    根据对歪头山上盘排土场勘察、物料粒度的测量、现场调查分析,可以看出:

    ——排土场在形成过程中,所用的物料和排土工艺都受设计控制,所以在排土场内部不会产生人为的软弱面;

    ——通过对歪头山上盘排土场的自然地形特征和物料的分析,本区不具备产生泥石流的条件;

    ——根据岩土工程勘察和对排土场的实际调查,歪头山上盘排土场破坏方式主要是终了状态时的局部高度范围内的内部滑坡和沿地基接触面的滑坡;其次是最下部台阶的表层松散滑落和沿地基接触面的滑坡;

    ——最危险滑面集中在两条沟谷及附近区域。

另外,排土场的沉降变形和以排土场堆积物料内部滑坡在堆积过程中和堆积完毕的一定时期内,也将存在但危害较小。

3.2.3排土场计算安全系数限值的选取

按照边坡工程地质勘察规范规定及边坡稳定性分析安全系数的限值,确定露天采场一般取1.1~1.3,未明确排土场边坡稳定性安全系数限值。安全系数限值的确定应考虑边坡的重要性、危害程度、可靠性、经济条件等方面因素,并借鉴类似矿山的经验。本次分析经综合论证,确定在不计地震力的条件下选取1.25作为排土场边坡稳定性计算分析的安全系数;计地震力的条件下选取1.20。

4、排土场边坡稳定性计算分析

4.1  计算方法及计算原理

排土场边坡的破坏模式通常为圆弧形和近圆弧形破坏为主,本次选择计算圆弧型破坏最常用的 Bishop法和Janbu法。各方法的计算特点见表2。

4.2排土场计算边坡的几何形态

    按照设计,歪头山上盘排土场顶部标高300m,最低沟谷处标高约160m,到最终状态时排土场最大排土高约140m,属于多层覆盖式排土方式。由于受运输线路的影响,排土场的几何形态不单一,阶段高度和平台宽度变化较大,除最下部台阶受地形影响外,一般提出的高度20~30m,平台宽30m。阶段坡面角按1:1.5考虑。

4.3计算方案

    根据岩土工程勘察、物料粒度测量和现场调查结果,本次在自然堆积条件下,考虑重力作用、地下水影响和地震影响的歪头山上盘排土场计算主要选择如下方案:1)总体稳定性计算分析;2)总体稳定性局部破坏计算分析;3)最下部台阶稳定性计算分析(散体内部滑坡);4)最下部台阶稳定性整体破坏计算分析。根据以上方案进行排土场稳定性计算,结果见表3。

4.4计算结果分析

    ——歪头山上盘排土场在最终状态时稳定性良好,考虑各种荷载和外部因素的影响,其安全系数在1.931~2.160之间。潜在的破坏方式表现为滑面过地基接触面和上部沿松散物料的内部滑坡,滑坡区间在300~160m和300~234m之间;

    ——对排土场稳定性影响最大的还是最下部台阶的稳定性。根据实际调查和计算分析也验证了这个观点。根据表3可以看出,最下部台阶在地震和大地下水影响的前提下,局部处于临界稳定状态,其中一种计算方法的最小计算安全系数值为1.174,小于本次研究推荐的在考虑地震影响的前提下的1.20限值。

最下面台阶的稳定性计算安全系数在1.174~1.319之间,安全储备不大,说明最下面的台阶处于一个临界稳定状态,受排土场稳定性影响因素作用易产生小范围的排土场内部滑坡。根据岩土工程勘察资料,本区排土场下部地基土无明显的软弱土层,但排土场沿地基土接触面的滑动是存在的。

5  结语

    歪头山上盘排土场属于覆盖式排土场,最终堆积高度为140m,设计排土场的阶段边坡角为340(1:1.5),平台宽度为30m。由于下部两个排土水平有运输线路,并且已经形成完毕,平台宽度较大,总体边坡角为200~220(300~160m)。下部第一个阶段边坡高度受地形影响变化较大,一般在50~60m之间,边坡角360~400之间。

    根据计算分析和现场调查得出如下结论:

    ——歪头山上盘排土场在最终状态时稳定性良好,在考虑各种荷载和外部因素的条件下,其安全系数均大于推荐的限值;

    ——最下面台阶的稳定性计算安全系数安全储备不大,说明最下面的台阶处于一个临界稳定状态,受排土场稳定性影响因素作用易产生小范围的排土场内部滑坡。根据岩土工程勘察资料,本区排土场下部地基土无明显的软弱土层,但排土场沿地基土接触面的滑动是存在的;

    ——根据现场实际调查结果,歪头山上盘排土场涉及范围广,其最危险滑面主要在垂直排土场北侧的两个沟谷处,其它区域稳定性较好。但如果集中堆排表土或岩性较差的物料,也将会出现小规模的散体内部滑动;

    ——本区无大的集中汇水,排土场内部的地下水渗流主要来自于大气降雨的渗透,又由于本区地形坡度较缓,既便是洪水到来时,也不会产生大的汇流,对排土场的稳定性影响有限。但在沟谷处对最下部台阶的侵蚀破坏影响应引起重视,必要时应采取一定的措施。

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