孫世國，王明月，繆靜芳

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100041)

甘肅省金昌市石英石露天礦位于甘肅省金昌市金川區(qū)高石咀，南距蘭新鐵路金昌站10km，北距金昌市區(qū)8km，省道212線河(西堡)-雅(布賴)公路從工區(qū)東部通過。地理位置重要，石英石儲量豐富。礦區(qū)采用露天開采方式、組合臺階采礦方法。隨著石英石露天礦開采深度的增加，礦區(qū)邊坡已產(chǎn)生不同程度的變形和破壞，不僅影響到露天礦邊坡自身的安全，而且也影響露天礦邊坡周圍環(huán)境的安全性。露天礦邊坡穩(wěn)定性成為影響礦區(qū)安全生產(chǎn)的重要因素。因此應(yīng)用臨界滑移場技術(shù)在確保露天礦邊坡穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)石英石資源回收率最大，邊坡剝離量最小是本文要解決的主要問題。

1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)原為中低山、丘陵地貌，地形西北高，東南低。經(jīng)多年開采，現(xiàn)礦區(qū)形成一中間低，三面高的露天開采大坑，南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)開挖呈多層臺階狀陡坡，中間地勢較為平坦。場地自然地面標(biāo)高在1936.3～1858.3m之間，頂部與底部最大高差約80m。斜坡直立陡峭，一般坡度70～80°，少部分底部有開采巖石堆積。北側(cè)斜坡頂部多處覆蓋開采廢石，局部為基巖裸露區(qū)，靠近斜坡邊緣地表可見多條裂縫。礦區(qū)位于阿拉善隆起區(qū)南緣—龍首山隆起南部的古生代斷陷盆地的北緣，南與河西走廊過渡帶相鄰。盆地呈北西向狹長帶狀，由下古生界、泥盆系、石炭二迭系及第三、第四系地層組成。自然地面以下出露地層有第四系坡積、殘積層及少量人工采石堆積物、角礫巖、砂巖、粉細(xì)砂巖、板巖、頁巖、石英巖、片麻巖、泥巖、角閃巖等，層間局部夾有斷層破碎帶、煤層。

礦區(qū)年降雨量小于蒸發(fā)量，為干旱地區(qū)。據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2010年版)，金昌市地區(qū)地震設(shè)防烈度為7度第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)特征周期值為0.45s。

2 邊坡臨界滑移場技術(shù)

臨界滑移場方法能準(zhǔn)確快速確定邊坡任意形狀臨界滑動(dòng)面，全面評價(jià)邊坡整體和局部穩(wěn)定性等。它首先將邊坡體分成很多條塊(條塊數(shù)比常規(guī)條分法所采用的數(shù)目要多得多)，再將條塊分成眾多狀態(tài)點(diǎn)。在給定安全系數(shù)下，邊坡體的強(qiáng)度按同一比例發(fā)揮，過條塊線上的任一點(diǎn)(不只限于狀態(tài)點(diǎn))都存在有危險(xiǎn)滑動(dòng)方向(用tanα表示，α為過該點(diǎn)上條塊滑面的傾角)和最不利推力P，它們使最終出口處剩余推力最大。Tanα和P可近似認(rèn)為沿條塊線分段線性分布。對于具體條塊只計(jì)力的平衡，條間力的方向θ按有關(guān)常規(guī)條分法考慮[1,2]。根據(jù)條塊受力平衡(如圖1所示)，其推力計(jì)算公式見式(1)。

(1)

β0=arctan(1/K0)；

式中：Fs為當(dāng)前設(shè)定的安全系數(shù)，Wi為條塊重量，ui為條底空隙水壓力；K0為地震影響系數(shù)，ci和φi分別為條底凝聚力和內(nèi)摩擦角，li為條底邊長，αi和αi-1分別為本條塊和上條塊底面傾角；Pi-1和Pi為條塊間推力。

圖1 條塊受力示意

臨界滑移場法的出發(fā)點(diǎn)是，對于設(shè)定的安全系數(shù)Fs，逐一求出各狀態(tài)點(diǎn)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)方向tanα，使最終剩余推力極大。調(diào)整安全系數(shù)，使最大的極大剩余推力為零，得出臨界狀態(tài)下邊坡體內(nèi)的危險(xiǎn)滑移方向場，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上追蹤出連續(xù)的臨界滑移場[1-2]。

3 邊坡滑面搜索實(shí)例與分析

3.1 北幫6-6剖面邊坡危險(xiǎn)滑面搜索與分析

臨界滑移場技術(shù)能準(zhǔn)確快速確定邊坡任意形狀臨界滑動(dòng)面，全面評價(jià)邊坡整體和局部穩(wěn)定性[1]。應(yīng)用臨界滑移場方法搜索出的滑面接近實(shí)際滑面，但由于其在確定邊坡安全系數(shù)時(shí)，考慮的因素不夠全面，本文在應(yīng)用臨界滑移場技術(shù)依次搜尋、確定最危險(xiǎn)滑坡位置的前提下，再應(yīng)用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四種方法對北幫6-6剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖2是北幫6-6剖面現(xiàn)存邊坡輪廓圖，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 6-6剖面現(xiàn)存邊坡輪廓

表1 北幫6-6剖面地區(qū)不同巖石力學(xué)參數(shù)值

3.1.1 現(xiàn)存邊坡穩(wěn)定性分析

圖3是露天礦現(xiàn)存邊坡應(yīng)用臨界滑移場技術(shù)搜尋出的危險(xiǎn)滑面圖。應(yīng)用Ordinary、Bishop、Janbu、Morgenstern-Price四種方法對現(xiàn)存邊坡進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算的結(jié)果如表2，可以看出在有地震作用下的最不利安全系數(shù)為1.66遠(yuǎn)大于1.0，所以在有無地震作用下邊坡體都是穩(wěn)定的。

圖3 現(xiàn)邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

表2 現(xiàn)存邊坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

3.1.2 到界邊坡坡角優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到向下開采延深過程中，形成不同的坡高和坡角大小，使得坡體處于不同的穩(wěn)定狀態(tài)；為了確保生產(chǎn)過程中的安全生產(chǎn)，本次研究首先確定到界邊坡允許的最大坡角.

該露天礦預(yù)計(jì)開采到海拔標(biāo)高1696m，邊坡開采角度的大小直接影響到剝離量的大小，在露天礦的開采過程中，開采角度的微小變化直接影響礦山的經(jīng)濟(jì)利益 ，因此對到界邊坡坡角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

露天礦邊坡安全系數(shù)一般為 1.1～1.5[3]，考慮到金昌市石英石露天礦存在的短暫性(預(yù)計(jì)再開采5年)和此地地震的影響，選取邊坡在考慮地震作用下的安全系數(shù)為1.1。在考慮地震的作用下6-6剖面允許的最大坡角為35°，圖4是此時(shí)邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋圖。邊坡穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算結(jié)果如表3，可以看出有無地震作用下邊坡體都是穩(wěn)定的。

圖4 到界邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

表3 到界邊坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

3.1.3 露天礦向下延深不同深度邊坡穩(wěn)定狀態(tài)分析

確定了到界邊坡允許的最大坡角(35°)，由此確定露天開采的境界線，然后依據(jù)露天向下延深過程中每個(gè)臺階10～12m所形成的邊坡高度及坡角大小如圖5所示，應(yīng)用滑移場理論方法依次搜尋、確定最危險(xiǎn)滑坡位置，如圖6～11所示。然后分析其穩(wěn)定狀態(tài)，通過最危險(xiǎn)滑面的搜尋，找出給定工程地質(zhì)條件下最危險(xiǎn)的位置，進(jìn)行各次降深對邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的影響，并分析生產(chǎn)過程中的安全性，其邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，淺部開采邊坡穩(wěn)定狀態(tài)好于最終邊坡穩(wěn)定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結(jié)果。

表4 向下開采延深邊坡穩(wěn)定狀態(tài)評價(jià)結(jié)果

1.代表第一次開挖位置；3.代表第三次開挖位置；5.代表第五次開挖位置；7.代表最終開挖位置

圖6 向下延深10m后邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

圖7 向下延深20m后邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

圖8 向下延深30m后邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

圖9 向下延深40m后邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

圖11 向下延深60m后邊坡危險(xiǎn)滑面搜尋

4 結(jié)論

本文應(yīng)用多種極限平衡方法對甘肅省金昌市石英石露天礦進(jìn)行穩(wěn)定性分析，找出邊坡開挖的最佳坡角，確定最終開采方案。經(jīng)過分析露天礦邊坡在有無地震作用下都是穩(wěn)定的，到界邊坡允許的最大坡角為35°，以此確定露天開采的境界線，每次向下延伸10m后形成的邊坡都是穩(wěn)定的，并且淺部開采邊坡穩(wěn)定狀態(tài)好于最終邊坡穩(wěn)定性，這主要是坡高和坡角逐漸增大的結(jié)果。由于每種極限平衡法都有其假設(shè)條件，在應(yīng)用到工程實(shí)踐時(shí)受到限制，本文應(yīng)用多種極限平衡方法對實(shí)際工程進(jìn)行綜合分析，取每種方法的合理之處，得出了滿足實(shí)際工程需要的結(jié)果。綜合應(yīng)用多種極限平衡方法解決實(shí)際問題對以后解決具體實(shí)際工程問題具有借鑒性。

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我國發(fā)布首部煤炭物流規(guī)劃

國家發(fā)改委官網(wǎng)日前發(fā)布了《煤炭物流發(fā)展規(guī)劃》(簡稱《規(guī)劃》)，這是我國針對煤炭物流行業(yè)領(lǐng)域出臺的首份專門性規(guī)劃，規(guī)劃期為2013～2020年。

《規(guī)劃》提出，要根據(jù)煤炭生產(chǎn)開發(fā)和消費(fèi)布局，結(jié)合區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，完善煤炭運(yùn)輸通道，建設(shè)一批煤炭物流節(jié)點(diǎn)，形成“九縱六橫”的煤炭物流網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑中國六大煤炭物流通道：一是晉陜蒙(西)寧甘煤炭外運(yùn)通道，二是內(nèi)蒙古東部煤炭外運(yùn)通道，三是云貴煤炭外運(yùn)通道，四是新疆煤炭外運(yùn)通道，五是水運(yùn)通道，六是進(jìn)出口通道。同時(shí)，加快鐵路、水運(yùn)通道及集疏運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)，完善鐵路直達(dá)和鐵水聯(lián)運(yùn)物流通道網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)煤炭運(yùn)輸能力，減少煤炭公路長距離調(diào)運(yùn)。

此外，《規(guī)劃》提出要深化煤炭產(chǎn)運(yùn)需銜接制度改革，建立以全國性煤炭交易中心為主體，以區(qū)域性煤炭交易市場為補(bǔ)充，以信息技術(shù)為平臺，政府宏觀調(diào)控有效、市場主體自由交易的煤炭市場體系。以煤炭交易、信息服務(wù)、價(jià)格發(fā)現(xiàn)、金融服務(wù)為重點(diǎn)，在具有政治、經(jīng)濟(jì)、金融、科技等資源優(yōu)勢的城市，建設(shè)中國煤炭交易中心；在煤炭主要生產(chǎn)地或集散地，建設(shè)區(qū)域性的煤炭交易市場，反映不同煤種、不同區(qū)域的煤炭交易動(dòng)態(tài)，降低流通成本，優(yōu)化煤炭資源配置。