本鋼南芬露天礦2#排土場
邊坡穩(wěn)定性研究及治理措施
王 磊¹ 郭 宇²
摘要：本溪南芬鐵礦年產(chǎn)鐵礦石1000萬噸/年，其剝離下來的廢石多達(dá)2500萬噸/年，而2#排土場是該礦最大的廢石堆料場，它的安全穩(wěn)定對(duì)礦山正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。
通過多項(xiàng)野外及室內(nèi)試驗(yàn)，在分析已有資料基礎(chǔ)上，對(duì)排土場的穩(wěn)定性給出了綜合評(píng)價(jià)，并就其隱患提出了可行的預(yù)防措施，為國家節(jié)省了大筆資金。對(duì)于排土場日后的安全運(yùn)行起到了保證作用。
關(guān)鍵詞：篩分法、直接量測(cè)法、現(xiàn)場剪切試驗(yàn)、巖土粘聚力C擦Ф
巖石的單軸抗壓試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)、彈性模量、天然密度排土場內(nèi)部滑坡、沿地基軟弱層滑坡、沿地基接觸面滑坡、泥石流
一、序 言
本鋼南芬鐵礦是本溪鋼鐵公司的重點(diǎn)資源礦，作為露天礦它的一個(gè)重要特點(diǎn)就是必須剝離覆蓋在礦體上部及其周圍的巖石，并運(yùn)至一定地點(diǎn)排棄。2#排土場即是剝離下來的廢棄巖石長年堆放形成的，排土場的安全穩(wěn)定對(duì)礦山生產(chǎn)能否正常運(yùn)行起著十分重要作用。
南芬礦征地邊界線緊依下游村莊，該排土場所排放的土石方受降雨沖刷影響，有泥石和含砂洪水自谷底河床流淌。2002年夏季由于連降暴雨，在馮家東溝上游產(chǎn)生稀性泥石流，致使河道淤積，河床改道，淹沒部分農(nóng)田。上述情況隨著排土場土方的不斷排放會(huì)逐步加深，甚至?xí)�影響下游居民的生命和�?cái)產(chǎn)安全。因此對(duì)此邊坡進(jìn)行研究分析并進(jìn)行有效的治理是十分必要的。
工程技術(shù)人員通過多次現(xiàn)場踏勘以及搜集分析已有資料，擬訂了南芬礦2#排土場邊坡穩(wěn)定性研究方案。2003年5、6兩月，在馮家東溝進(jìn)行了篩分、剪切、容重等大量野外試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了巖石抗壓、抗拉以及試樣孔隙率、孔隙比等多項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)，取得了豐富的科研成果，并就2#排土場邊坡的穩(wěn)定性給出了綜合評(píng)價(jià)。
二、排土場堆料粒度分布規(guī)律試驗(yàn)
排土場粒度分布測(cè)試是排土場穩(wěn)定性研究的重要組成部分，也是研究排土場堆料力學(xué)性試驗(yàn)的依據(jù)。排土場堆料是一種巖塊、空氣和水混合類三相介質(zhì)體，它的物理、力學(xué)性質(zhì)不僅與堆料的巖性、濕度、粒度、密度等有關(guān)，而且與它的顆粒形狀、粒度組成有密切關(guān)系。在測(cè)試方法上，較小的土類可用沉降分析法，在粒度可篩范圍內(nèi)用篩分法，大塊巖石則用直接量測(cè)法。本次試驗(yàn)主要用篩分法和直接量測(cè)法測(cè)試排土場各剖面的粒度分布。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該排土場粒度分布特點(diǎn)如下：
① 排土場排土過程中，巖塊自然分級(jí)明顯，由于其重力的作用，大塊巖石滾至排土場坡底，而小塊巖石則留在坡上部。上部平均粒徑為25.3mm，中部平均粒徑48mm，下部平均粒徑>300mm。
② 顆粒級(jí)配的好壞取決于粒度的集中程度，依據(jù)工程級(jí)配良好標(biāo)準(zhǔn)Cu >5，Cc=1—3來評(píng)定。排土場上部粒度級(jí)配良好的比例要高（Cu =8.0，Cc=1.18）；中下部級(jí)配良好比例低（Cu =2.93—3.65，Cc=0.86—1.07），屬不均勻分布，特別是下部塊石孔隙大，多為空架，中間無小顆粒充填。整體上看排土場粒度級(jí)配不均勻
③ 通過現(xiàn)場直接量測(cè)巖塊體積的同時(shí)可知，排土場巖石種類可分為： 花崗巖、綠泥巖、石英長石片巖、角閃片巖等。
三、 基底表土現(xiàn)場剪切試驗(yàn)
對(duì)排土場勘察后，從東到西依次選定三個(gè)部位進(jìn)行了土場表土層的現(xiàn)場剪切試驗(yàn)，以求得土場穩(wěn)定性分析所需要的地基地層的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場巖土情況，我院采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第三版）巖土測(cè)試水平推剪試驗(yàn)。通過試驗(yàn)可得：巖土的粘聚力C平均值為17.9 Kpa，巖土的內(nèi)摩擦角Ф為32.6°。
四、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)
在馮家東溝區(qū)域鉆取巖芯，做了排土場區(qū)基巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。取芯機(jī)型號(hào)為TS—160型，鉆具長300mm，直徑為55mm。
馮家東溝巖石按地質(zhì)年代劃分屬于震旦系南芬一組蛋青色泥灰?guī)r和釣魚臺(tái)組石英砂巖。從現(xiàn)場取回的巖芯經(jīng)過切削磨平后，分別做了自然狀態(tài)下單軸抗壓試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見下表：
巖 石
種 類 抗壓
強(qiáng)度
（MPa） 抗拉
強(qiáng)度
（MPa） 似內(nèi)
摩擦角
（º） 彈性
模量
（MPa） 天然
密度
（T/m3）

蛋青色泥灰?guī)r 31.21 3.11 64.6 6.5*103
石英砂巖 82.0 1.89 76.0 1.02*104 2.68
五、排土場破壞模式分析
通過以上試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)綜合分析：排土場破壞模式主要受廢石堆中軟弱夾層、地基坡面、地基軟弱層、地基中的地質(zhì)構(gòu)造和地形的控制，另外地表降水和天然及人工地震的影響也是很重要因素。同時(shí)還與排土場堆料的塊度分布和巖性密切相關(guān)。
1、 排土場內(nèi)部滑坡
2#排土場所排棄廢石主要來自上盤巖石，其巖性以花崗巖、綠泥巖、石英長石片巖、千枚巖、角閃片巖為主，由于排土場排土基本上為混排方式，時(shí)停時(shí)放，相對(duì)固結(jié)穩(wěn)定，所以其內(nèi)部不大可能存在軟弱夾層，不會(huì)引起大規(guī)模的沿山坡方向滑坡。在可能時(shí)應(yīng)盡量按工程級(jí)配良好粒組排廢石。
2、 沿排土場地基軟弱層滑坡
排土場地基含有軟弱地層或弱面時(shí)，由于軟弱層的強(qiáng)度或承載力較低，在排土場散體巖石載荷或雨水等因素作用下易產(chǎn)生地基沉降和差異沉降，從而產(chǎn)生沿軟弱地基的滑坡。
東溝門排土場地基軟弱層主要是第四系坡洪積層，厚度并不大。由于2#排土場是單臺(tái)階高排土方式，排土臺(tái)階高達(dá)180余米，其上部荷載非常巨大，再加上雨水的浸泡容易產(chǎn)生沿地基軟弱層的滑坡。為了預(yù)防滑坡，首先要降低排土高度，亦可以考慮多臺(tái)階排土方式。其次要適當(dāng)調(diào)整排土場的邊坡傾角，要盡量控制在32度以內(nèi)。
3、當(dāng)排土場散體巖石與地面接觸面之間的摩擦強(qiáng)度小于排土場堆料內(nèi)部的抗剪強(qiáng)度時(shí)，易發(fā)生沿地基接觸面的滑坡。沿地基接觸面滑坡一般多發(fā)生在地基傾角較陡或接觸面為軟弱層的情況下。東溝門排土場處于“U”型河谷中，南北兩側(cè)山坡植被發(fā)育較好，下游河道坡度較緩，而且震旦系與寒武系地層傾向與排土場方向相反，沿地基接觸面這種滑坡可能性不大。
4、泥石流分析
泥石流是山區(qū)特有的一種自然地質(zhì)現(xiàn)象。它是由于降水（暴雨、融雪、冰川）而形成的一種攜帶大量泥砂、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流。它爆發(fā)突然，歷時(shí)短暫，來勢(shì)兇猛，具有強(qiáng)大的破壞力。
形成泥石流的條件概括起來有三點(diǎn)：
（1） 有陡峻便于集水、集物的地形；
（2） 有豐富的松散物質(zhì)；
（3） 短時(shí)間內(nèi)有大量水的來源。
2#排土場東溝門一帶屬低山溝谷地形，其三面環(huán)山，一面出口，地形比較開闊，有利于水和碎屑物質(zhì)的集中。夏季來臨，時(shí)常有暴雨，但是東溝門地形利于水的運(yùn)移排泄，短時(shí)間不會(huì)造成水的大量集中。
形成泥石流最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要有豐富的松散物質(zhì)，但是東溝門區(qū)域植被覆蓋良好，山坡傾角也多在20~35度之間，不是很陡峻，當(dāng)有降水沖刷，不會(huì)帶下大量泥砂。該區(qū)震旦系地層節(jié)理不很發(fā)育，而且由于其上有第四系覆蓋，不易于風(fēng)化，基巖不是很破碎，所以不會(huì)產(chǎn)生大量的碎屑物質(zhì)。綜上所述，該區(qū)難以形成滑坡型泥石流。
六、排土場綜合治理措施
1、為了確保排土場合理的邊坡形態(tài)與臺(tái)階高度，由于目前是單臺(tái)階全段高排土方式，排土臺(tái)階高達(dá)180米左右，隨著排土邊坡日漸延伸，要盡可能降低排土臺(tái)階高度，同時(shí)保證排土場邊坡傾角在32度以內(nèi)，控制好排土順序，軟硬巖石要混合排棄，以避免形成軟弱夾層，影響排土場穩(wěn)定；
2、為保證2#排土場有一個(gè)好的滲流環(huán)境，要特別注意廢石的排放順序、方式與組成，盡量不排含粘土礦物、微細(xì)顆粒較多的廢石，以避免大量微顆粒下移堆積，造成滲透性降低，地下水位上升而成后患；
3、加強(qiáng)排土場的監(jiān)測(cè)工作，當(dāng)排土場出現(xiàn)不均勻沉降等情況時(shí)，能及時(shí)掌握情況，以分析研究對(duì)策，保證土場的安全穩(wěn)定；
4、通過對(duì)排土場的破壞模式分析，其依然存在潛在的滑坡可能性，建議在其下游修建擋石壩，擋石壩的地基座在下部基巖上。
結(jié)論：通過相關(guān)資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)2#排土場邊坡進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、研究，提出了切合實(shí)際的治理措施，它的安全穩(wěn)定對(duì)南芬露天礦正常運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展起著十分重要作用。

 

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