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矿山是否安全生产能够体现国家的形象,也是倍受国内国外关注的事情,然而我国的一些矿山安全状况却不容乐观,安全事故频发。在我国,露天条件下开采的矿山数量所占的比重大,其中大部分边坡不同程度的存在边坡稳定性等安全问题,尤其是露天矿山大中型边坡灾害较为严重。
我国的露天矿山边坡中,大中型边坡不仅高度大,而且边坡工程地质条件也极其复杂,随着矿山开采深度的增加,矿山边坡的安全稳定性问题也越来越突出,滑坡、崩塌等地质灾害已经成为危害人民生命财产安全和矿山安全生产的重大灾害。现如今,如何高效、合理、经济地开发和利用矿产资源,降低不必要的资源浪费,保证矿山企业进行安全生产,已成为矿产资源开发者共同关心的问题。因此,矿山边坡稳定性的研究与治理问题是露天开采矿山边坡工程的核心问题,它直接关系到矿山的正常生产以及人员、设备的安全。随着露天开采工作的进行,在边坡岩体内部,原有的应力状态将随着开挖的进行而发生变化,引起应力重新分布和应力集中等效应,在这种新的应力状态下,边坡岩体将发生不同形式和不同规模的变形,甚至破坏。
广西自治区风山县石灰岩建材矿山武装部巴练炮场采矿点,所处区域为岩溶峰丛谷地地貌,由于矿山开采时采用爆破方式,使山体内部结构遭到了严重破坏,并且坡面应力重分布、长期暴晒及地下水和地表水的循环交替作用,岩体自重应力多集中在坡脚,易沿已有软弱结构面形成层间剪切带,顺软弱结构面产生平面滑动,从而边坡产生平面破坏;局部坡面由于岩体的干缩和卸荷裂隙发育,局部坡面可见小规模的崩塌、剥离失稳,对周边居民生命财产安全造成了极大威胁。同时,开采掌子面破坏了凤山县主城区内的生态环境、地形地貌景观,影响着城区人居生活环境,矿区内堆积的矿石、矿渣占用了大量土地资源。
根据凤山县政府矿山治理规划要求,采矿点边坡进行治理完之后,在治理后的边坡坡面上要雕刻展现当地民俗风情的浮雕。因此,在研究该矿点边坡稳定性的同时,还要考虑岩体雕刻对原本稳定的岩质边坡的影响。
本文针对武装部巴练炮场采矿点出现的问题,根据野外现场调查和采集的结构面数据,结合工程经验判断、定量分析、定性分析以及理论分析,分析已探明具体位置的危岩体稳定性。同时用FLAC3D软件对边坡进行数值模拟,通过两种分析方法对武装部巴练炮场采矿点边坡的稳定性程度进行定性认识,对治理后期岩壁雕刻工作提供参考意见,确保巴练炮场矿点的景观改造工程的顺利进行。本文得出了一些初步的成果。主要研究成果如下:
(1)从区域构造分析,凤山县主要受巴马一博白断裂带影响,自凤山县有地震记载以来该断裂带发生4.8级以上地震12次,6.0级以上地震4次,最大震级达到6.8级;另外,由于该区域岩溶发育,强降暴雨引发地下溶洞塌陷也能引起该区地震。地震的发生会对矿山边坡稳定性产生巨大影响,在地震水平作用力的影响下,有助于崩塌等地质灾害的形成。
(2)巴练炮场矿山在开挖之后发生了崩塌,根据地面现场调查,巴练山山体陡崖上仍存在4处危岩体,体积114~9660m3不等,可能崩塌破坏规模为12384m3。此外,山坡上分布有较多松动滚石,多处于不稳定状态。
(3)在野外缺乏安全保障的情况下,没有条件进行原位试验,也无法在现场采集具有代表性的天然新鲜结构面试件进行室内剪切试验,可以根据巴顿提出的裂面粗糙度标准剖面进行野外现场比对,给出相应结构面的JRC值,进而在室内可以根据JRC—JCS模型参数和计算等效抗剪强度参数的方法,得到等效内摩擦角()和等效内聚力c,求出结构面强度参数。
(4)根据危岩体稳定性系数计算结果,按《滑坡防治工程勘察规范》有关规定判别,W2危岩体在现状工况及暴雨状态下均处于基本稳定状态;W1、W3、W4危岩体在现状工况及暴雨状态下均处于欠稳定状态。
(5)在不考虑降雨和地下水作用影响的情况下,模拟得出边坡在现状态下基本稳定,稳定系数为1.49。Z方向上主要表现为压应力,且分布均匀;X方向存在拉应力,主要集中在危岩体与结构面接触区域内和坡脚开挖卸荷区域内,其余区域均表现为压应力。从X方向位移来看,坡顶产生横向正位移最大值达到0.00174m,主要集中在危岩体所处的区域,坡脚处由于开挖卸荷表现为负位移集中区,最大值达到0.00086m;从Z方向位移云图来看,坡项产生竖向负位移最大值达到0.0030m,表现为向下运动,主要集中在危岩体上,坡脚处由于开挖卸荷为正位移集中区,表现为向上运动,最大值达到0.0037m。从位移云图等值线分析,危岩体所在位置为应力集中区,边坡稳定性受该危岩体影响较大,因此要进行清除以保证边坡稳定。
(6)在边坡现状的基础上,模拟对危岩体进行清除得到对应的边坡应力分布。危岩体清除后,X方向应力、Z方向应力、最大主应力和最小主应力均表现为压应力,Z方向应力、最大主应力和最小主应力总体分布均匀,等值线平滑;而横向应力场分布不均匀,由于受开挖卸荷导致影响,在被清除危岩体的开挖边界附近应力集中,最大压应力为0.2Mpa。考虑该边坡将用于岩壁雕刻,因此需要加强坡面的压应力,确保工程安全顺利进行。
(7)模拟对边坡应力集中区域进行锚固,采用预应力锚索简单加固。使用锚索区域的最大压应力值提高到0.7Mpa左右,锚固的区域压应力明显增大,边坡稳定系数达到1.53,边坡稳定性增加。
(8)通过模拟分析可知:由于采石场无序开挖造成巴练炮场矿山边坡失稳,坡体在地震和其他人类工程活动的影响下产生崩塌,形成多处危岩体。对现存危岩体进行清除可以提高边坡稳定性,同时也使坡面平整,为后期岩壁雕刻工程提供最基本的条件。清除危岩体之后,采用锚固技术以提高雕刻区域边坡稳定性,以确保后期雕刻工程安全顺利进行。