矿山渣坡稳定性分析与整治技术匹配研究

1、矿山渣坡稳定性分析与整治技术匹配研究1 引言1.1研究背景与意义矿山土地复垦正在全国范围内进行，但在矿山中有一种影响土地复垦的因素-矿山渣坡，矿山渣坡稳不稳定直接影响着矿山土地中种植的农作物是否能够顺利生长，影响矿山土地复垦的长期利用。据 2012 年统计，我国现有矿山 21.3 万个。矿产资源虽然对人类经济发展和社会进步做出了重要贡献，但在矿产开发的过程中也出现了一些问题，我国开采出来的矿产资源的综合利用率不到 20%，矿产资源总回收率只有 30%。即使在一些大型国有矿山企业开展了资源综合利用，也只占国有矿山的 10%1-3。由于长期开发矿山以及矿产资源综合利用率低，这种现象导致矿山开采的附

2、属物-矿渣急剧增多，大面积堆放的矿渣在矿山上形成了大大小小的矿山渣坡。这些矿山渣坡在强降雨条件下易产生冲沟、滑塌、泥石流等地质灾害，对矿山周围居民及其财产产生严重的威胁。1994 年 07 月 11 日，西峪上游猛降大到暴雨，山洪铲蚀着沟道中采矿废石尾矿渣，形成泥石流，冲毁矿区公路 9m，涵洞 3m，淤埋文峪金矿矿山设备百余台，导致矿区通、水电中断，51 人死亡，上百人失踪。次日，支沟洪水再次汇聚到文峪金矿尾矿库内，尾矿库坝面被冲出宽 4m、深 4m、长 300m 的冲沟，形成的坡面泥石流进入主沟，在主沟再次形成泥石流5。矿渣占用了大量的土地，并且由于这些矿渣数量大，含有暂时不能处理的有用或有

3、害成分，如果随意排放，会造成资源流失，占用大面积农田基本用地，淤塞河道；当有降雨存在时雨水渗入到矿渣堆里面，并带走矿渣中的有毒有害物质，如重金属元素及一些放射性物质，矿渣在露天场所长期堆放，会与空气发生氧化、分解以及溶滤等作用，使其中的有毒有害物质随着雨水流失，污染水体和土壤，并被植物的根部所吸收，影响农作物生长，造成农业减产6。基于此，人们对矿山渣坡产生的危害认识的越来越深刻，这个问题提起了人们的关注和重视。对矿山渣坡稳定性分析以及对其进行相应的整治技术匹配，有利于改善矿区的恶劣环境，减少矿区灾害，减少矿渣对矿区土地资源的占用，减小矿区安全隐患，为矿山土地复垦的进行创造一个安全必要条件。.1

4、.2国内外研究现状大量的矿山渣坡堆放占用了大量的土地。渣坡由废石、排出来的土和尾矿组成，这些松散的堆积体没有经过处理，防治的措施少，在矿山上是产生灾害的物源。国内外对矿山渣坡的稳定性和整治技术研究中取得了一些成果，但对不同类型的渣坡提出相应的整治匹配技术的研究很少。下文对渣坡稳定性研究、渣坡整治技术匹配研究以及矿山边坡稳定性分析方法做了总结。在国外 Saint Vennat7-8描述适合缓坡坡面薄层水流的 Saint Vennat 方程得到了国内外学者的广泛采用。NgC.W W9通过设计室内室外试验，探讨了降雨强度和持续时间等因素对非饱和土边坡稳定性的影响关系，通过不同降雨强度和降雨时间下对非

5、饱和土边坡的冲刷程度得出一个降雨强度、地下水位初始值和持续时间对于非饱和土边坡的稳定性系数的一个定量关系。A.D.Abram10、M.R.sadeghian11、H.w.shen12、Gilley13等人运用 Darcy-Weisbach 阻力系数，通过理论分析和试验研究探讨了降雨对坡面流阻力的影响关系，得出降雨对坡面水流阻力的变化。Sammori 和 Tsnboyanma 以有限单元法、Richard 方程、简化 Bishop 法为理论方法，通过设计模拟暂态渗流试验，探讨了在降雨强度为定值的条件下斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等参数，对斜坡稳定性的影响。得出这些因素对斜坡稳定性不利

6、的参数取值组合14-16。在我国，徐友宁等17以采矿废渣作为物源在矿区进行直斜式模拟实验，通过影响矿渣产生泥石流的几个影响因素：颗粒分级、底床坡度、临界水量等因子。探讨了这些影响因素相互作用下对矿渣坡产生泥石流的定量影响关系。王贻明等18把威力渗滤沉积作用作为一个主要因素对排土场堆侵过程对矿堆孔隙率的影响进行了分析研究，运用数学方法建立了矿堆孔隙率的微细颗粒沉积和堆体渗流数学模型。刘建民19等以能量守恒为理论基础，通过建立路堤边坡冲刷量的计算模型，依据不同地区特点确定模型的有关参数，探讨了土壤冲刷量对边坡的破坏状况。.2 构建矿山渣坡分类体系2.1 相关概念矿山渣坡是指在矿山上，不同粒径的固体

7、物质堆放在一起形成的堆积体，这种堆积体在降雨等因素的破坏下稳定性产生影响，进而产生灾害。其中固体物质包括剥离岩石、尾矿、粉尘、其它废物。渣坡位置即矿山开采中矿渣堆放的位置。本研究主要以河北地区的矿山渣坡进行研究，表 2 河北地区矿山固体物质的种类、来源和主要组成35，本研究主要是针对不同矿山渣坡类型产生的灾害进行相应的整治技术匹配。矿山渣坡产生灾害的主要原因是矿山渣坡不稳定，由于各种因素的影响矿山渣坡产生动能，产生位置上的变动。影响渣坡稳定的因素有渣坡自身因素及渣坡周围环境的因素。渣坡自身因素有坡面坡度、含水量、颗粒组成、坡向、坡形、坡长和坡面植被等；渣坡外在因素有地质地貌、降雨、渣坡位置等。

8、但对渣坡本身类型进行划分时，仅考虑在静止状态下渣坡的存在状态以及渣坡的受力情况，因此本研究选择渣坡位置、渣坡下垫面坡度、渣坡坡度、渣坡下垫面岩土组成、颗粒分级五个影响因素作为渣坡类型划分的基础。.2.2 矿山渣坡的存在形式根据承德、北京房山、满城和涞源对矿山渣坡整治进行的调查，据矿山渣坡所在位置不同，把矿山渣坡分为三种存在形式。斜坡类矿山渣坡此类渣坡一般是矿山开发时产生的矿渣就地运到附近的斜坡上堆放产生的，一般情况下矿主对其随意堆放且没有相应的防护措施。此类渣坡的稳定性跟渣坡下垫面坡度有关系，下垫面坡面越陡，渣坡受到斜坡支持力水平方向上的分力越大，渣坡越不稳定。该类渣坡一般情况下比较稳定，是将

9、渣坡存放在矿山附近的露天平台上，平台在山顶、背靠一个接近于直角的下垫面的半山腰或者在山底。此类渣坡受到地面向上的支持力作用和重力作用。该类渣坡产生灾害的主要影响因素是坡面坡度，当坡面较陡时容易产生沟蚀。一般而言，斜坡从变形演化发展到破坏，是一个复杂的动态力学过程，是从量变的积累到质变的发展过程。量变的积累是一个小变形过程，而质变发生后的破坏、运动则是一个大变形的过程。矿山渣坡的破坏形式有四种：蠕滑型；细沟、冲沟型；滑塌型；泥石流（表 3）。通过四种破坏形式对坡体的变形破坏方式、部位及规模进行说明36-38。.3 矿山渣坡稳定性因素分析. 153.1 稳定性分析原则 . 153.2 影响渣坡稳定

10、性的因素分析. 153.3 降水对矿山渣坡稳定性影响实证研究 . 213.4 小结 . 264.矿山渣坡整治的技术与匹配. 274.1 矿山渣坡整治技术 . 274.1.1 岩土工程方法 . 284.1.2 生态植被恢复技术. 284.1.3 综合防护 . 294.2 依据矿山渣坡分类的整治技术匹配. 294.3 整治技术匹配的实证研究. 334.4 小结 . 365.结论与讨论 . 385.1 结论 . 385.2 讨论 . 394.矿山渣坡整治的技术与匹配4.1 矿山渣坡整治技术生态植被恢复技术主要以恢复生态学、景观生态学等相关生态学理论为指导，以植被混凝土护坡绿化技术和 PEB 生态护坡

11、技术为支撑，根据生态重建目标的不同，选择不同的物种，对矿山废弃地进行立体绿化、景观再造。一般情况下，矿山的环境很恶劣，不适宜一般的农作物生长。所以在对矿山渣坡进行治理的时候一般会选取有顽强的生命力、耐贫瘠能力和生长迅速的植物，这样可以达到快速复绿稳固的效果74-78。生态植被恢复技术包括撒播、行播、分阶梯种植、藤本植物、植生袋、铺草皮。一般情况下，在矿山渣坡上主要种植的是草本植物和灌木，乔木是在草本植物和灌木都生长良好、坡面稳固的基础上才选择种的，因此很少用到乔木。下表为河北地区护坡时主要种植的草本植物、灌木、乔木和藤本植物（表 28）。通常在矿山渣坡上播种时，草本植物和灌木是混播的，混播时要

12、注意物种的配比关系，合理的配比有助于改善植物的生长环境、提高植物成活率。.结论本文采用实地调查、试验研究与文献检索相结合的方法，先对矿山渣坡进行类型划分，并以渣坡下垫面坡度和坡面坡度为因素按照灾害类型发生概率把渣坡发生灾害的概率分为高频、中频、低频。对矿山渣坡稳定性的影响因素进行分析总结，并用实例对降雨因素的分析结果进行验证；其次对整治方法主要从岩土工程和植被生态防护两方面进行分析总结，将两种护坡方式的适用情况分别详细总结列出；对各个灾害的概率类型的矿山渣坡进行了相应的整治技术匹配，并以工程实例对整治技术匹配进行了验证。研究结果表明：（1）由于矿山渣坡自身的岩土性质以及所处的地形和降雨等条件的

13、影响，渣坡自身容易受到破坏。破坏后产生的形式主要有：蠕滑、细沟侵蚀和冲沟侵蚀、滑塌、泥石流。根据矿山渣坡的五个影响因素渣坡位置、渣坡下垫面坡度、渣坡坡度、渣坡下垫面岩土组成、渣坡颗粒分级对矿渣坡进行了类型划分，分为斜坡类渣坡 78 种、沟谷类渣坡 78 种、平台类渣坡 26 种。根据矿山渣坡下垫面坡度和矿山渣坡坡度为因子把渣坡分为三类灾害发生概率类型：高频类 72 种、中频类 60、低频类 50 种。（2）本文根据对影响渣坡稳定性影响的大小定性的对影响因素进行了划分总结。其中主要影响因素有：水、矿渣自身性质；次要因素：植被、地震。水主要以降雨为主，小雨到中雨时，渣坡主要以溅蚀为主；中雨到大雨时，渣坡主要以片蚀为主；大雨、暴雨到大暴雨时，主要以沟蚀为主；大暴雨到