低強(qiáng)度易風(fēng)化破碎露天邊坡綜合加固與排水技術(shù)*

韓 斌 儀海豹 鄭祿璟 李佳夢(mèng) 沈顯嶺

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.貴州大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院)

隨著露天開采深度的逐漸增加、邊坡垂直高度的不斷增大，露天邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題日益成為限制礦山安全生產(chǎn)的一大技術(shù)難題。為最大程度提高礦山經(jīng)濟(jì)效益、降低剝采比，一般需要增大最終邊坡角;然而最終邊坡角的提高勢(shì)必將降低邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)巖體松散破碎、節(jié)理裂隙較為發(fā)育時(shí)，受巖體結(jié)構(gòu)、礦山生產(chǎn)爆破、降雨等的影響，這一問(wèn)題更加突出［1-2］。針對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，許多學(xué)者做了大量研究工作［3-6］:金愛兵等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況分析、試驗(yàn)研究和理論計(jì)算，開展了某露天鐵礦邊坡穩(wěn)定性研究，提出了邊坡綜合加固治理方案;高玉坤等采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型和模糊層次分析法開展了巖質(zhì)邊坡安全指標(biāo)體系研究;Yang Jun等采用基于MSARMA法的“邊坡工程穩(wěn)定性MSARMA法評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)”進(jìn)行了南芬鐵礦邊坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià);石露等采用基于邊坡應(yīng)力場(chǎng)的矢量和法求解邊坡滑動(dòng)面的安全系數(shù)，結(jié)合蟻群算法與遺傳算法，揭示了地下礦體開采對(duì)露天采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性的影響。錦豐露天礦巖體具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化崩解、遇水易泥化等特點(diǎn)［7-8］，為確保露天生產(chǎn)的順利進(jìn)行，露天礦根據(jù)不同區(qū)域巖體工程地質(zhì)條件、邊坡使用期限、邊坡重要程度等，采取了不同邊坡加固支護(hù)和排水措施，總加固面積達(dá)到了53 200 m2。目前礦山采用的露天臺(tái)階高度為10 m和20 m 2種，邊坡坡面角為55°～65°，整體邊坡角達(dá)到34°～40°，邊坡高度大于275 m，實(shí)現(xiàn)了低強(qiáng)度易風(fēng)化破碎深凹露天礦的陡幫開采。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)

1.1 構(gòu)造特征

錦豐露天礦位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西南緣，望漠北西向構(gòu)造變形區(qū)西側(cè)，挾持于北北東向的賴子山背斜及其東翼的洛帆逆沖斷層(F1)，北西向板昌逆沖斷層及冊(cè)亨東西向構(gòu)造帶組成的三角形構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)。礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，主要斷裂有F2、F3、F4、F5、F6、F8等，F(xiàn)2、F3、F6為礦區(qū)控礦斷層，F(xiàn)3為主要控礦斷裂，斷層帶寬5～30 m，帶內(nèi)巖石強(qiáng)烈變形。

1.2 巖體特征

礦區(qū)內(nèi)巖體劃分為3個(gè)工程地質(zhì)組:

(1)松散巖組。其RQD值為0.55%～14%，主要分布于磺廠溝內(nèi)。由殘坡積物、人工堆積物與強(qiáng)風(fēng)化帶組成，巖體破碎，工程地質(zhì)性質(zhì)差。由于表層風(fēng)化帶節(jié)理裂隙發(fā)育，在大氣降水補(bǔ)給下形成含水層。

(2)砂巖夾黏土巖半堅(jiān)硬～軟弱巖組。RQD值為40%～91%，平均55%，Ra=18.18～59.92 MPa，廣泛分布于礦區(qū)中部和東部。巖性總體上以簿至中厚、厚層的塊狀細(xì)砂巖、中粒砂巖與粉砂巖為主，夾有簿至中厚層黏土巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，黏土巖軟弱夾層浸水后軟化成泥狀而易發(fā)生垮塌。

(3)黏土巖夾砂巖半堅(jiān)硬～軟弱巖組。RQD值為30%～58%，平均45%，Ra=3.46～37.21 MPa，主要分布于礦區(qū)中部和南部。巖性為簿層狀、少許中厚層狀黏土巖，夾有簿至中厚層狀粉砂巖，具有軟化性強(qiáng)，抗水抗風(fēng)化性弱，為典型的軟弱巖石，巖體完整性差。黏土巖易軟化發(fā)生垮塌。

2 邊坡加固措施及應(yīng)用效果

2.1 加固原則

調(diào)查表明，錦豐露天邊坡破壞模式主要包括順層滑坡、楔形體滑坡、傾倒滑坡和松散土體整體滑坡4種類型;錦豐露天礦邊坡加固的區(qū)域選取一般依據(jù)邊坡重要性、邊坡坡面與巖層產(chǎn)狀的空間關(guān)系、巖體特征及可能出現(xiàn)的破壞模式確定;重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域包括運(yùn)礦道上下部邊坡、永久邊坡、構(gòu)造帶附近邊坡、可能產(chǎn)生順層滑移和傾倒滑移的邊坡。采取的加固措施包括噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索支護(hù)、長(zhǎng)錨索+鋼帶支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)、抗滑樁支護(hù)及HDPE防滲膜護(hù)坡等方式。

2.2 加固手段

2.2.1 噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索支護(hù)

(1)技術(shù)參數(shù)。長(zhǎng)錨索孔直徑90 mm，每孔安裝2根長(zhǎng)12 m的?15.24 mm鋼絞線，沿坡面上、下排錨索傾斜排距3.6 m，水平方向間距2 m;噴射混凝土厚為60～80 mm，28 d單軸抗壓強(qiáng)度大于15 MPa;采用長(zhǎng)1.8 m的管縫錨桿固定鋼網(wǎng)，錨桿間排距2 m×2 m;鋼網(wǎng)尺寸為2.5 m×4 m，網(wǎng)格100 mm ×100 mm，鋼筋直徑5 mm。

(2)施工步驟。施工過(guò)程如下:隨著邊坡開挖作業(yè)的進(jìn)行，采用淺孔沖擊式鉆機(jī)逐層開鑿長(zhǎng)錨索孔，孔深達(dá)到設(shè)計(jì)位置后采用高壓風(fēng)清孔，然后安裝錨索并完成錨索張拉和注漿工序;對(duì)于臺(tái)階高度為10 m的邊坡，實(shí)行一次性掛網(wǎng)，采用長(zhǎng)1.8 m的管縫錨桿將鋼網(wǎng)固定，使其緊貼巖面，安裝長(zhǎng)錨索錨具，然后噴射混凝土以封閉巖面，防止巖層進(jìn)一步風(fēng)化破碎。

2.2.2 長(zhǎng)錨索+鋼帶支護(hù)

(1)技術(shù)參數(shù)。長(zhǎng)錨索孔直徑為90 mm，每孔安裝2根長(zhǎng)度12m的直徑為15.2mm的鋼絞線，臺(tái)階高度為10 m時(shí)，布置3排長(zhǎng)錨索，沿坡面上、下排錨索傾斜排距3.6 m，水平方向間距2 m;注漿水灰比0.35～0.40;采用直徑?5 mm的鋼筋焊接成長(zhǎng)6 m，寬0.5 m的鋼網(wǎng)，鋼網(wǎng)的網(wǎng)格間距100 mm。采用鋼帶將同水平相鄰長(zhǎng)錨索連接起來(lái)，搭接長(zhǎng)度大于0.5 m。

(2)施工步驟。隨著露天邊坡施工作業(yè)的進(jìn)行，采用沖擊式鉆機(jī)逐層開鑿長(zhǎng)錨索孔，采用高壓風(fēng)清洗錨索孔達(dá)到要求后進(jìn)行錨索安裝作業(yè)，并完成錨索注漿，采用鋼帶將同水平相鄰長(zhǎng)錨索連接，并用長(zhǎng)錨索托盤將鋼帶固定。

2.2.3 噴錨網(wǎng)支護(hù)

(1)技術(shù)參數(shù)。噴射混凝土厚度為60 mm，28 d單軸抗壓強(qiáng)度大于15 MPa;錨桿采用長(zhǎng)度1.8 m的?34 mm管縫錨桿，錨桿間排距2 m×2 m;鋼網(wǎng)尺寸為2.5 m×4 m，網(wǎng)格100 mm×100 mm，鋼筋直徑5 mm。

(2)施工步驟。施工時(shí)，邊坡坡面形成后，首先將邊坡表面浮石清理干凈，然后人工放置錨網(wǎng)，采用管縫錨桿將錨網(wǎng)固定，使其最大限度緊貼表面，并一次性噴射混凝土覆蓋錨網(wǎng)以封閉巖面。

2.2.4 抗滑樁支護(hù)

(1)技術(shù)參數(shù)?？够瑯犊字睆綖?15 mm，孔深9 m，孔向與地面垂直;抗滑樁采用直徑78 mm、壁厚4 mm的鋼管，樁孔澆灌水泥漿的水灰比為0.35;抗滑樁間距為2.5 m，其與坡頂線的距離為1.5 m。

(2)施工步驟。運(yùn)礦道或安全平臺(tái)形成后，采用鉆機(jī)鉆鑿下向抗滑樁孔，鉆孔驗(yàn)收合格后安裝鋼管至孔底，然后采用灌漿泵向管壁與孔壁間的環(huán)形空間和鋼管內(nèi)部的圓形空間注滿水泥漿，完成抗滑樁安裝作業(yè)。

2.2.5 HDPE防滲膜護(hù)坡

(1)技術(shù)參數(shù)。覆蓋松散土體的HDPE防滲膜厚度1.0 mm，采用溝槽錨固法將防滲膜固定，溝槽尺寸:寬度×深度=0.6 m×0.5 m，相鄰防滲膜搭接寬度為100 mm，且接縫與坡腳線平行;為便于覆膜施工，工作平臺(tái)寬度1 m，間隔10 m的臺(tái)階高度布置一個(gè)。

(2)施工步驟。首先對(duì)需要做防滲處理的邊坡坡面進(jìn)行平整工作，保證坡面規(guī)整度較好，無(wú)明顯的凹陷和突起，然后人工將防滲膜敷設(shè)在松散土體上，采用回填混凝土的錨固槽將其邊緣固定牢靠。

2.3 加固效果及適用性

(1)噴錨網(wǎng) +長(zhǎng)錨索支護(hù)共計(jì)支護(hù)面積約42 000 m2，特點(diǎn)是加固效果好、適用性廣，能有效維護(hù)邊坡的穩(wěn)定，但施工工序繁多、施工周期長(zhǎng)、支護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高。

(2)長(zhǎng)錨索+鋼帶支護(hù)共計(jì)支護(hù)面積約2 000 m2，特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，施工速度快、效率高，支護(hù)成本較低，但如果長(zhǎng)錨索間所加固巖體發(fā)生松動(dòng)脫落，易引起長(zhǎng)錨索支護(hù)失效，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞，適用于巖體相對(duì)完整，邊坡較穩(wěn)定的區(qū)域。

(3)噴錨網(wǎng)支護(hù)共計(jì)支護(hù)面積約4 000m2，它能夠有效地封閉巖面，提高巖體的整體穩(wěn)定性，防止巖體風(fēng)化和自承能力的降低，施工工藝簡(jiǎn)單、簡(jiǎn)便易行、支護(hù)成本較低，但是管縫錨桿錨固力有限，噴錨網(wǎng)支護(hù)抗力較小，難以阻止邊坡巖體的整體位移，因此適用于總體穩(wěn)定性相對(duì)較好的邊坡。

(4)抗滑樁支護(hù)總面積約500 m2，具有施工方便、工藝簡(jiǎn)單、支護(hù)材料來(lái)源廣泛、支護(hù)成本低廉的特點(diǎn);但由于抗滑樁不施加預(yù)應(yīng)力，屬于被動(dòng)支護(hù)方式，支護(hù)抗力有限，若巖體較為破碎，則難以充分發(fā)揮維護(hù)邊坡穩(wěn)定的作用。該支護(hù)方式適用于巖體整體穩(wěn)定性相對(duì)較好，但結(jié)構(gòu)面間光滑或充填物易泥化的巖體邊坡。

(5)HDPE防滲膜護(hù)坡總計(jì)4 700 m2，有施工工藝簡(jiǎn)單，支護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于受降雨影響顯著的松散土體邊坡。

3 邊坡排水措施及應(yīng)用效果

3.1 邊坡排水原則

錦豐露天礦礦區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育，地表水易滲入邊坡巖體內(nèi)，礦巖具有明顯的遇水膨脹、泥化或崩解現(xiàn)象。巖體以泥巖為主，透水性差;邊坡內(nèi)賦存水源主要為地表降雨下滲并集中在構(gòu)造帶、巖石破碎區(qū)以及順、反傾斜巖層處，如南部邊坡(順層巖層)和北部局部區(qū)域(反傾斜巖層);該礦地處我國(guó)西南山區(qū)，具有雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、暴雨及大暴雨頻率高、空氣濕度大、常年平均氣溫高且晝夜溫差變化較大等特點(diǎn)。

邊坡排水主要包括地表排水和邊坡內(nèi)部排水:對(duì)于露天地表排水，主要排水工程包括660 m水平截水溝(南部)、620 m水平環(huán)形水溝和主采坑水泵排水;邊坡內(nèi)部排水則采用打泄水孔排水方式。

3.2 技術(shù)參數(shù)

地表排水溝一般尺寸為0.6 m(寬)×0.8 m (深)，部分采用砂漿片石修建，部分采用在溝面上噴漿成溝的施工方法。邊坡內(nèi)部的排水采用打泄水孔方式，泄水孔參數(shù)如下。

(1)580 m水平以上為水平孔間距10 m，垂直方向孔間距10 m，孔深20 m，孔徑?80 mm，方向?yàn)樯舷?°～10°。

(2)580 m水平以下根據(jù)巖石構(gòu)造及其他含水區(qū)域進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，如北部和東部邊坡泄水孔參數(shù)為水平孔間距15～20 m，垂直方向孔間距10 m，孔深、孔徑及泄水孔方向同上;南部和西部邊坡泄水孔參數(shù)為水平孔間距5～10 m，垂直方向孔間距10 m，孔深、孔徑及泄水孔方向同上。

3.3 排水效果

工程實(shí)踐表明，采用砂漿片石修建的排水溝排水能力大，但該類排水溝施工周期長(zhǎng)、建設(shè)成本高;采用溝內(nèi)噴漿形成排水溝的方法施工速度快、受地形限制小、建設(shè)成本低。

邊坡內(nèi)泄水孔排水應(yīng)用效果較好，部分孔泄水量達(dá)到5～12 m3/d，如表1所示，各水平泄水孔出水率平均達(dá)到了51%，尤其是靠近地表淺部區(qū)域和深部各水平(560 m水平以下)，泄水孔出水率最高達(dá)75%，有效疏干了邊坡內(nèi)積水，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

表1 露天邊坡泄水孔出水率

4 結(jié)論

(1)錦豐露天礦巖體具有強(qiáng)度低、易風(fēng)化崩解、遇水易泥化等特點(diǎn)，通過(guò)大面積綜合加固和排水措施，使坡面角達(dá)到55°～65°，整體邊坡角達(dá)到34°～40°，邊坡高度超過(guò)275 m。

(2)噴錨網(wǎng)及長(zhǎng)錨索支護(hù)的支護(hù)效果好，具有廣泛的適應(yīng)性，但施工周期長(zhǎng)、支護(hù)成本較高;長(zhǎng)錨索+鋼帶支護(hù)施工效率高、支護(hù)成本低，但存在長(zhǎng)錨索失效并導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的較大風(fēng)險(xiǎn);噴錨網(wǎng)支護(hù)能夠有效地封閉巖面，防止巖體風(fēng)化和自承能力的降低，簡(jiǎn)便易行、支護(hù)成本低，但錨固能力有限;抗滑樁支護(hù)施工方便、支護(hù)成本低，但由于抗滑樁屬于被動(dòng)支護(hù)方式，支護(hù)抗力有限;HDPE防滲膜護(hù)坡具有施工工藝簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，較好地適用于受降雨影響顯著的松散土體。

(3)地表排水溝采用砂漿片石修建和噴漿成溝形成，邊坡內(nèi)部排水采用打上向5°～10°泄水孔方式，各水平泄水孔出水率平均達(dá)到了51%，尤其是靠近地表淺部區(qū)域和深部各水平(560 m水平以下)，泄水孔出水率最高達(dá)75%，有效疏干了邊坡內(nèi)積水，提高了邊坡穩(wěn)定性。

(4)根據(jù)邊坡坡面與巖體層面空間關(guān)系、巖體質(zhì)量及邊坡重要程度等因素，采用多種形式的支護(hù)手段和排水措施，可有效保障邊坡的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)易風(fēng)化復(fù)雜破碎深凹露天礦的陡幫開采，能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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