白云西矿冻融期软岩边坡形变分析

闫永富 王文才 师强强

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014010;2.包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古 包头 014500;3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000)

白云西矿(以下简称西矿)位于内蒙古包头市正北方的达茂旗草原腹地,气候为高原大陆性气候,一般从10月份到翌年5月份为冰冻期。年最高降水量为251.7 mm,年最低降水量为141.4 mm,普遍认为冻结深度为2.3～2.6 m。史料记载在公元630年,唐军与东突厥在此地发生了有名的“铁山大战”[1],由此可见白云鄂博地区的矿床受到地质构造作用和风化侵蚀严重。西矿位于白云鄂博矿床的西部,于2008年正式进行露天开采,设计铁矿石生产能力为1 000万t/a。目前西矿的平均年延深量为21 m,计划年靠帮推进量为20 000延米,矿山的生产延深推进速度较大。主要采取的靠帮方式为预裂控制爆破,采用的预裂孔孔径为120mm,孔距为1.2～1.3m,预裂爆破的装药不耦合系数为2.67,平均线装药密度在0.5 kg/m左右。目前揭露的边坡岩性主要是白云岩和板岩,上部靠帮边坡以板岩为主,尤其以碳质板岩分布最为广泛。西矿于2018年进行了境界优化工程,绝大部分边坡重新进行了二次靠帮,所以揭露的边坡都较为新鲜,但是新揭露的碳质板岩台阶边坡多处已经发生蠕变和坍塌。这些发生坍塌的边坡多为台阶边坡,坍塌体的高度在12～24 m,厚度在0.5～3 m,属于小范围浅层边坡坍塌。西矿目前所采用的边坡安全监测方式主要有:人工巡查、边坡监测桩、INSAR边坡雷达在线监测系统。这些监测系统的共同特点是对于边坡的表面位移情况比较敏感,通过边坡表面岩体的位移情况来判断整体边坡的稳定性情况。

1 西矿环境

1.1 含 水

西矿虽然地处干旱地区,地表无常年径流,但是仍然有地下水作用于边坡岩体。西矿北帮软岩边坡的自然渗水点分布范围较广,且坡面四季都有渗水痕迹。根据2020年全年渗水点统计,北帮4.5 km的展线长度上,分布着大小不均的190余处渗水点。这些渗水点或出露于岩体裂缝处,或出露于断层露头处,较为普遍地分布在边坡的各个空间位置。根据抽水孔试验结果,碳质板岩区域的平均涌水量为0.26 L/s,平均单位涌水量为0.008 5 L/(s·m),平均渗透系数为0.002 76 m/d。

1.2 气 候

白云鄂博地区属于典型的北方气候,气温有明显的节气变化趋势。白云鄂博矿区最冷的气候在民间节气的“三九天、四九天、五九天”,但是考虑到最冷时期的昼夜温差并不大,且白天气温也较低,边坡碎裂层的冻融现象不强,因此从“六九天”开始研究岩体的形变与温度之间的关系。现将西矿2021年2月5日—3月16日的日最高气温、最低气温以及温差情况,汇总如图1。

图1 温度时程变化Fig.1 Time course changes of temperature

2 西矿软岩边坡特征

2.1 岩石特征

目前揭露的板岩岩体的力学参数比较弱,且岩体较为破碎,根据现场踏勘和实验室数据测定,西矿北帮的主要板岩岩体力学参数如表1。

表1 主要板岩岩体力学参数Table 1 Main mechanical parameters of slate rock mass

碳质板岩边坡岩体抗风化能力较弱,采取预裂控制爆破进行靠帮后,新鲜揭露的边坡的半壁孔痕迹能够从坡面清晰地观测到,但是经过一段时间之后,边坡岩体开始出现掉块和碎裂,这些半壁孔开始逐渐消失,坡面最终变成具有一定坡度的碎裂块体状。

2.2 岩体特征

西矿的采场边坡周长约为12 km,南北宽1.4 km,东西长4.7 km。目前采场北帮已经揭露的边坡高度超过了200 m,且部分区域的靠帮边坡高度接近100m。整个采场北帮目前靠帮的边坡主要岩体为板岩,其中碳质板岩约占整个板岩边坡的70%左右。根据勘察情况,碳质板岩厚度在50 m以上,深度在150 m以上。揭露的碳质板岩以碎裂状为主,其中大部分碳质板岩岩体节理构造发育,不论是爆破揭露的岩体,还是机械直接采掘清理出的岩体,都可以看到大量的地质营力作用痕迹,见图2。西矿北帮的岩层地质构造以急倾斜为主,走向为东西向,倾向偏南,岩层与边坡基本为顺层关系。通过现场揭露的边坡岩体可以明显地看到板岩局部有互层的情况,这些岩性变化面往往就是地质弱面,是边坡失稳的薄弱环节。

图2 软岩揭露Fig.2 Exposure of the soft rock

2021年春季开化时节,西矿北帮边坡发生多处坍塌,这些坍塌多为浅层边坡坍塌,见图3。坍塌体的厚度在0.5～3 m之间,坍塌体脱离母岩部分基本都发生了不同程度的碎裂。

图3 软岩坍塌Fig.3 Collapse of the soft rock

3 软岩冻融形变分析

3.1 岩石冻融试验

在冬季,温度对岩体形变的影响主要有两个方面,一方面是岩体本身在温度变化时内部粒子的运动速度会发生改变,体积会产生热胀冷缩的现象;另一方面由于岩体含水,水具有冷胀的特性,在温度变化时会造成含水岩体的形变。在研究冻融作用对岩石强度、形变的影响时,一般是对岩石试块进行循环冻融,最后通过测定其强度[2]或者崩解率[3]来反映岩石的抗冻融破坏作用能力。国内外关于冻融试验的方法和标准有很多,且设置的最低冷冻温度和循环次数要求也不同。例如《工程岩石试验方法标准》中要求的冻结温度为-20±2℃,循环次数要求为 25次[4]。《公路工程岩石试验规程》中要求的冻结温度为-15℃,循环次数要求为10～25次[5]。《Natural Stone Test Methods-Determination of Forst Resistance》中要求的冻结温度为-12℃,循环次数要求为280次[6]。国内学者在进行冻融试验时,根据研究对象的不同,在设置最低温度、循环冻融次数、岩石抗冻融性质方面也有区别。例如梁冰等[7]研究泥岩在冻融循环作用下的崩解特性时,所采用的最低温度为-30℃,且研究发现在进行了7个循环冻融后,岩样的崩解趋于稳定。有的学者为了研究冻融更加贴近现实温度,而采用分段低温冻融的方式进行模拟试验[8]。所以在研究冻融对露天矿边坡岩石的影响时,虽然有标准的岩石冻融规范,但是实际采取的试验方法较为灵活。

选取现场直接由机械开挖且未经爆破振动损伤的岩块,岩块粒径大小控制在20～50 mm。本次冻融试验所采用的烘干仪器为天津赛得利斯实验分析仪器制造厂生产的电热恒温箱,见图4。为了对比实验结果,且突出实验结果的共性,本次冻融试验共设计6个平行实验组,见图5。具体试验方法为:先对岩样进行称重,精确到0.1 g;采用矿山边坡渗水常温浸泡12 h后抽干器皿内部的水分;冷冻温度为-15±1℃,冷冻时间为12 h;消融烘干时间为9.5 h,其中前半程为1.5 h的45℃解冻,后半程为8 h的105℃烘干;最终对岩样的崩解情况进行分选称重和统计。经过10个循环的统计,获得岩石冻融崩解下不同粒径岩样占比数据,如表2所示。

图4 试验仪器Fig.4 Test instrument

图5 试验样品Fig.5 Test samples

表2 冻融崩解占比数据Table 2 Freeze-thaw disintegration data

通过对岩样冻融数据的汇总分析,可以获知,未经过爆破损伤扰动的碳质板岩在经过冻融试验后,崩解率极低,基本可以认为岩石受冻融影响较小。但是也需要认识到一点,本次冻融试验选取的岩样尺寸较小,且基本没有宏观的裂隙节理,所以可能导致试验没有出现明显的冻融损伤现象。

3.2 边坡冻融期形变监测

目前大部分的冻融研究成果都是以岩石试块为研究对象,很少将边坡岩体作为研究对象,这是由于边坡岩体属于野外大尺寸样本,在数据采集和测量方面存在一定的难度。但是野外真实发生的冻融破坏的对象是边坡岩体而非岩石,因此为了获得真实的循环冻融边坡岩体的影响,可以利用遥感技术[9]、雷达监测技术[10]、GNSS技术[11],实现对边坡位移及稳定性的研究。西矿对于北帮边坡的监测手段为可移动式车载边坡雷达,该雷达从2019年投入使用,有效监测时间累积超过1.4万h。该套雷达监测系统属于陆基合成孔径雷达,精确度为亚毫米级,利用高精度的微波发射和接收装置实现边坡表面位移监测功能,且雷达系统具有移动灵活,数据采集准确,数据传输可靠[12],全天候无人值守监测,分析预警快速准确等特点。边坡雷达监测系统最为关键的一个功能就是当边坡表面位移量达到某一设定值时,触发危险预先警告,便于人员和设备的安全撤离,减少经济损失和人员伤亡。西矿边坡雷达的预设参数及工作参数如表3所示。

表3 雷达参数Table 3 Radar parameters

3.3 雷达监测数据分析

本次现场边坡表面位移监测为了所选择数据的准确性和代表性,共选取了7个边坡位移监测点作为研究对象,通过记录监测数据的形变速度、形变加速度,获得各点对应的速度变化趋势时程图,见图6。加速度变化趋势时程图,见图7。温度、速度、加速度变化规律见表4。

表4 变化规律分区Table 4 Zoning of variation rule

图6 速度时程变化Fig.6 Time course changes of speed

图7 加速度时程变化Fig.7 Time course changes of acceleration

根据监测数据,边坡表面位移形变速度以及加速度与温度变化存在密切的联系,温度变化会引起形变速度和加速度的波动,但是形变速度和加速度变化要滞后于温度变化。温度波动对形变加速度的波动影响较为显著,形变速度波动要滞后于温度和形变加速度波动。

3.4 冻融期西矿边坡形变分析

由于露天矿山的边坡由岩体、节理裂隙、充填物等物质组成,单纯的研究岩石的冻融情况不能全面准确地反映出边坡岩体整体的形变情况。因此要研究边坡岩体形变受温度的影响规律,还应当以整个边坡岩体的形变为研究对象。李长洪等[13]在研究高海拔岩质边坡的形变时,认为边坡的形变受流—固—气多相多场的耦合作用。边坡岩体的碎裂程度与其受到的外力作用有很大关系,在软岩边坡的临空面处,由于爆破振动、风化侵蚀等作用,会形成一层具有一定厚度的碎裂层。软岩边坡碎裂后,在岩石坡体出现大量的宏观裂缝和微观裂缝,这些裂缝的存在导致空气和水有了存在的空间,所以碎裂的软岩岩体是由水、空气和岩石组成的一个非均质体,如图8。

图8 边坡碎裂岩体Fig.8 Slope fractured rock mass

由于水、空气和岩石的比热容和传热系数不同,所以导致碎裂状软岩岩体受温度影响比较特殊,通过查阅文献[14]等资料,可获得碎裂岩体关键组成材料的热力学参数,见表5。

表5 热力学参数Table 5 Thermodynamic parameters

由于岩石、空气、水的热力学性质有很大的差别,所以对于软岩碎裂状边坡,其边坡表层在受到外界温度作用时,会表现出不同步的特性。碎裂边坡的组成物当处于同一环境中时,同等质量物质升高同等温度所需要吸收的热量由多到少的顺序为:空气、板岩、冰、水;对热量的传导能力由强到弱的顺序为:空气、冰、板岩、水。这说明碎裂软岩边坡在野外自然环境中,当外界温度发生改变时,在碎裂层表层,水的温度差变化量最高,但是由于水的传热能力最弱,所以水对深部岩体的温度影响较小;虽然空气的热传导能力最强,但是由于空气的温差变化量最小,所以空气对深部岩体的温度影响较小;冰的热传递能力仅次于空气,但是冰的温度差变化较弱,所以冰对深部岩体的温度有一定的影响。

碎裂层的存在导致在边坡表层会形成一定温度的惰性反应层,碎裂层就如同保温隔热层一样,使得边坡的内部岩体对外界温度的反馈变得迟钝。因此对于碎裂状软岩边坡,在冬季温度变化环境中,其表面位移形变已经不符合岩石试块的形变规律,其形变情况更为复杂。

3.5 小 结

通过对边坡形变与温度的分析,边坡形变速率及加速度与温度变化有一定的相关性,但是在时间上存在一定的时间差,边坡形变滞后于温度变化。在冬季露天矿白昼温度回升,导致坡体表层岩体受热,根据热力学第二定律,热量只能由表层高温端传递到温度较低的内部岩体,内部岩体冻结冰吸热后开始融化向着表层岩体渗流,水的流动又加剧了热量的传导。经过这样的过程则碎裂层含水量增加,当温度再度降低时,碎裂层体内部的含水开始结冰,形成冰冻层,并且对碎裂层岩体造成膨胀。以上是环境温度由升高再到降低时发生的边坡形变机理,但是当边坡环境持续高温或低温时也会造成边坡岩体短时间内极速形变。

由于持续高温导致边坡岩体蒸发量加大,表层岩体的水分蒸发会导致表层毛细现象的快速发展,深层的处于液体状态的水会快速的补充到表层造成表层岩体的吸水,吸水后的岩体体积发生膨胀,水蒸发后又会导致体积缩小,如此反复导致岩体形变明显。但是这样的形变并不能持续很久,这是由于毛细作用的能力有限,且表层以下的水含量并不充足,只有在长期结冰时才会储备一定量冰冻层,消耗完以后,很难在短时间内补充充足。持续的低温也会造成岩体形变的增加,这是由于持续低温会导致深层含水岩体受冻,水受冻后体积膨胀,所以导致边坡表层形变增加。

虽然前人的研究成果认为含水岩石经过冻融试验表现出了明显的冻融崩塌特性,但是实验环境为极限环境,是在短时间内对岩体加载了循环式的极限工况条件,而现实环境中并不会出现如此恶劣极端的环境。纵观整个白云鄂博矿区冬季“数九天”,只有个别几天出现了昼夜温差在15℃的气候,且其中只有2 d是有昼夜温度“零上零下”情况的。另外考虑碎裂层的惰化作用,所以边坡岩体形变受冻融作用的影响并不剧烈,需要长期的反复作用才会导致严重的边坡浅层滑塌,且滑塌多发生在春季开化时期。

4 结 论

(1)在循环冻融影响下,碎裂状的软岩边坡的日变形速度在±2 mm/d之间,但是当昼夜温差较大或者持续低温、高温时,岩体的形变速度会发生波动,严重时能够达到厘米级别的日形变速度。

(2)碎裂状软岩边坡裂隙较为发育,并且充填有水、空气等介质,由于各物质的导热性质、热胀冷缩性质的不同,导致岩体的形变规律已经不再符合岩石的热胀冷缩规律,因此在循环冻融作用下,碎裂状软岩边坡的表面位移规律更为复杂。

(3)通过对雷达监测数据分析,结合现场坍塌案例分析,冻融作用会导致边坡碎裂层一定厚度的岩体在冬季和春季遭受严重的冻融侵蚀,这种侵蚀破坏在冬季并不会造成碎裂岩体的坍塌,但是春季开化后,已破坏的岩体极易发生浅层滑坡。

(4)通常循环冻融试验测得的冻融数据,都是在极限温度、短期内、高频率作用下所获得的,这类型的试验与野外相对变化温和的自然冻融规律会存在一定的偏差。