復(fù)雜破碎露天邊坡的綜合加固技術(shù)

韓斌，鄭祿璟，王少勇，儀海豹

(1.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，貴州 貴陽，550003)

在露天開采過程中，邊坡穩(wěn)定與礦山安全和經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)。對于復(fù)雜破碎不良巖體，通常采用緩幫開采。據(jù)測算，一座中等規(guī)模的露天礦，若最終邊坡角提高1°，則可減少廢石剝離量約1 000 萬m3，節(jié)省成本近億元[1]，因此，復(fù)雜破碎露天邊坡陡幫開采一直是巖石力學(xué)的重要課題。貴州省錦豐金礦礦巖以薄至中厚層砂巖與薄層黏土巖為主，黏土巖松軟破碎，遇水易軟化而垮塌，是世界知名的復(fù)雜破碎不良巖體礦山，具有地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎、易風(fēng)化、遇水軟化的特點(diǎn)。露天礦開采初期，東南西北4個(gè)方位邊坡都出現(xiàn)了不同程度的失穩(wěn)破壞。為降低剝采比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜破碎巖體條件下的陡幫開采，針對上述情況，采取了長錨索、噴錨網(wǎng)、鋼帶、抗滑樁、防滲膜、擋土墻等邊坡治理綜合措施[2-5]，有效維護(hù)了露天邊坡的穩(wěn)定性。目前露天臺階高度為10 m或20 m，坡面角為 55°～65°，整體邊坡角為 34°～40°，邊坡高度超過 275 m，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜破碎深凹露天礦的陡幫開采。錦豐露天礦邊坡加固面積達(dá)到53 200 m2，占露天邊坡總面積的 8%，是我國目前邊坡巖體最為復(fù)雜破碎、邊坡加固面積比例最大、邊坡加固手段應(yīng)用最多的露天礦山。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)

錦豐露天礦區(qū)處于賴子山背斜東翼的鼻狀突起部位，其礦床主要賦存于北東、北西向斷裂帶中。礦區(qū)巖層主要為中三疊統(tǒng)邊陽組、尼羅組、許滿組沉積巖，其巖性總體以砂巖、黏土巖為主，其中砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為 27.2～59.4 MPa，黏土巖單軸抗壓強(qiáng)度為21.1～37.2 MPa，砂巖、黏土巖構(gòu)成厚薄不均的互層，工程地質(zhì)調(diào)查表明，巖體質(zhì)量分類Q值介于0.8～42.0之間。

礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的褶皺有林壇背斜、爛泥溝向斜及上冗半向斜，次有北東、北西西向、近東西向的褶曲疊加于上述北西向主體褶皺構(gòu)造之上，以及與主干斷裂構(gòu)造伴生的同斜褶曲、倒轉(zhuǎn)褶曲、平臥褶曲等。

礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，主要有北西向、北東向及南北向3個(gè)走向組。北西向組主要有F14，F(xiàn)5，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)6，F(xiàn)8和F20，廣布于礦區(qū)中部、東部及北部，為礦區(qū)之主體構(gòu)造；北東向組斷裂構(gòu)造主要有F2，F(xiàn)13和F10；南北向組有F1，F(xiàn)9和F7等，其中F2，F(xiàn)3和F6為礦區(qū)控礦斷層(如圖1所示)。

圖1 礦區(qū)控礦斷層Fig.1 Faults controlled deposit

2 變形破壞模式

根據(jù)同類礦山經(jīng)驗(yàn)以及多年的現(xiàn)場工程實(shí)踐和觀察[6-11]，錦豐露天邊坡變形破壞模式主要如下。

(1) 順層滑坡。邊坡巖體以薄層到中厚層黏土巖為主，層理面光滑，層理之間充填物有遇水泥化現(xiàn)象。當(dāng)巖層與邊坡走向、傾向近似一致，邊坡傾角大于巖層傾角時(shí)，易產(chǎn)生層理之間的順層滑移[11]，并造成露天邊坡臺階順層失穩(wěn)，如南部邊坡580～620 m，曾發(fā)生大面積的順層滑坡，垮塌面積達(dá)4 500 m2，如圖2所示。

圖2 順層滑坡Fig.2 Failure of bedding slope

(2) 楔形體滑坡。當(dāng) 2個(gè)相交的斷層面與邊坡坡面形成楔形體時(shí)，或者巖層層面與斷層面及邊坡坡面形成楔形體時(shí)，由于巖層層面之間摩擦力較小，斷層帶巖體破碎，形成楔形體構(gòu)造，在自重應(yīng)力的作用下，易形成楔形體滑坡。如西部邊坡540～600 m，處于F2和F3的交匯區(qū)，巖體十分破碎，頻繁出現(xiàn)楔形體滑坡失穩(wěn)，如圖3所示。特別是在多雨季節(jié)，楔形體滑坡的發(fā)生頻率更高。

圖3 楔形體滑坡Fig.3 Failure of wedge block slope

(3) 傾倒滑坡。巖層走向與邊坡走向近似一致，巖體傾角大于70°，當(dāng)下部臺階開挖后，在自重應(yīng)力、雨水和爆破震動(dòng)的多重因素作用下，易產(chǎn)生傾倒破壞[12-13]。如北部邊坡600～520 m和西部邊坡580～620 m，都曾出現(xiàn)過傾倒滑坡，如圖4所示。

圖4 傾倒滑坡Fig.4 Failure of toppling slope

(4) 松散土體整體滑坡。露天礦西部、北部覆蓋有10余m厚的松散土體，其內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角比較小，隨著下部露天臺階的開挖，原有的力學(xué)平衡被打破，尤其受西南地區(qū)多雨天氣的影響，往往在大雨過后出現(xiàn)松散土體的整體滑移失穩(wěn)，如圖5所示。

圖5 松散土體滑坡Fig.5 Failure of loose soil slope

3 邊坡加固措施及效果

錦豐露天礦根據(jù)邊坡重要性和可能出現(xiàn)的破壞模式，采取了長錨索、噴錨網(wǎng)、鋼帶、抗滑樁、防滲膜等邊坡治理綜合措施[14-17]，取得了良好效果(如圖 6所示)。下面結(jié)合錦豐金礦多年的現(xiàn)場實(shí)踐，分別闡述各種邊坡加固措施的作用機(jī)理、適用范圍、技術(shù)參數(shù)、施工步驟，以及支護(hù)效果和優(yōu)缺點(diǎn)等。

圖6 錦豐露天礦部分區(qū)域支護(hù)方式及支護(hù)效果Fig.6 Reinforcement method and effect of Jinfeng open pit

3.1 噴錨網(wǎng)+長錨索支護(hù)

3.1.1 作用機(jī)理及適用范圍

長錨索加固深度大，能夠?qū)撛诘幕麦w錨固于滑移面下穩(wěn)定的巖體中，主動(dòng)對邊坡松散巖層施加正應(yīng)力，增大了抗滑力，使坡體趨于穩(wěn)定。全段高壓注漿錨固使?jié){液滲透到巖體裂隙內(nèi)，提高了破碎巖體自身強(qiáng)度。噴錨網(wǎng)聯(lián)合作用，阻止了空氣及水對巖體的風(fēng)化和潮解、膨脹、泥化引起的巖體強(qiáng)度降低，有效固定長錨索間的松散巖體，還可以將長錨索的作用力均勻地分布于邊坡坡面，保持了邊坡的穩(wěn)定。該種支護(hù)方式適用于運(yùn)礦道或清掃平臺下巖體相對破碎，可能產(chǎn)生順層滑坡、楔形體滑坡和傾倒滑坡的邊坡治理。

3.1.2 技術(shù)參數(shù)及施工步驟

支護(hù)參數(shù)如下。

(1) 長錨索。長錨索孔直徑為90 mm，每孔安裝2根直徑×長度為15.24 mm×12 m的鋼絞線，垂高為10 m的臺階，共布置3排長錨索，排距3.6 m，間距2 m，長錨索采用全長錨固。

(2) 錨索注漿。采用P.C 32.5級水泥配制純水泥漿，水灰比0.35～0.40。

(3) 噴射混凝土。噴射混凝土厚60～80 mm，28 d單軸抗壓強(qiáng)度大于15 MPa。

(4) 錨桿。采用直徑×長度為34 mm×1.8 m管縫錨桿，錨桿間排距2 m×2 m。

(5) 鋼網(wǎng)。采用長×寬為4 m×2.5 m，直徑為5 mm的鋼網(wǎng)。

采用平面破壞計(jì)算方法可知：上述加固方式的露天邊坡臺階安全系數(shù)大于1.2，能夠保證臺階的穩(wěn)定。

施工時(shí)，隨著邊坡的開挖，逐層鉆鑿長錨索孔，安裝錨索并注漿，臺階高度10 m的邊坡形成后，一次性掛網(wǎng)，用管縫錨桿固定鋼網(wǎng)，安裝長錨索錨具，之后噴漿，以封閉巖面。

3.1.3 支護(hù)效果及優(yōu)缺點(diǎn)

該種支護(hù)方式是錦豐金礦應(yīng)用最廣、支護(hù)效果最好的邊坡處理措施，共計(jì)支護(hù)面積約42 000 m2，經(jīng)過4年多的工程實(shí)踐，所有支護(hù)區(qū)域均保持穩(wěn)定。

其優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)效果好、適應(yīng)面廣，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜、施工周期長、支護(hù)成本高。

3.2 長錨索+鋼帶支護(hù)

3.2.1 作用機(jī)理及適用范圍

長錨索可充分發(fā)揮其錨固深度大、錨固效果好的優(yōu)勢，鋼帶可將同排長錨索連接成一個(gè)整體，維護(hù)長錨索間巖體的穩(wěn)定性，避免長錨索周圍巖體的松動(dòng)脫落最終引起長錨索支護(hù)效果降低的弊病。該種支護(hù)方式適用于：(1) 邊坡失穩(wěn)不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果的區(qū)域；(2) 巖體邊坡坡面與巖層層面近似一致，巖體為薄至中厚層黏土巖或黏土巖砂巖互層，整體穩(wěn)定性性較好的局部邊坡；(3) 巖體質(zhì)量稍差但巖層層面與邊坡坡面法線方向近似垂直，或呈大角度相交的邊坡。

3.2.2 技術(shù)參數(shù)及施工步驟

支護(hù)參數(shù)如下。

(1) 長錨索。長錨索孔直徑為90 mm，每孔安裝2根直徑×長度為15.2 mm×12 m的鋼絞線，垂高10 m的臺階，共布置3排長錨索，排距3.6 m，間距2 m。

(2) 錨索注漿。采用P.C 32.5級水泥配制純水泥漿，水灰比0.35～0.40。

(3) 鋼帶。采用直徑為5 mm的鋼筋焊接制成，鋼帶長6 m，寬0.5 m，正方形網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。

(4) 同水平各長錨索之間用鋼帶連接，搭接長度不小于0.5 m。

采用平面破壞計(jì)算方法，上述加固方式的邊坡安全系數(shù)大于1.2，能夠保證臺階的穩(wěn)定。

施工時(shí)，隨著邊坡的開挖，逐層鉆鑿長錨索孔，安裝錨索并注漿，同水平長錨索間用鋼帶連接，長錨索托盤固定鋼帶，長錨索注漿、鋼帶及錨具安裝也可滯后于下部邊坡開挖一段時(shí)間。

3.2.3 支護(hù)效果及優(yōu)缺點(diǎn)

該種支護(hù)方式共計(jì)支護(hù)面積約 2 000 m2，如東北部邊坡600～580 m和560～550 m等區(qū)域，支護(hù)效果良好。在北部邊坡 600～590 m處也曾應(yīng)用該支護(hù)方式，但由于巖體破碎，初期上、下排長錨索之間部分巖體松動(dòng)脫落，并逐漸發(fā)展至長錨索托盤下部，最終導(dǎo)致長錨索支護(hù)失效，邊坡失穩(wěn)?？梢妼τ趲r體比較破碎區(qū)域，更宜采用噴錨網(wǎng)+長錨索支護(hù)。

其優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)工藝簡單，施工效率高、支護(hù)成本低，缺點(diǎn)是一旦長錨索間巖體發(fā)生松動(dòng)脫落，可能導(dǎo)致邊坡逐步松動(dòng)并最終失穩(wěn)破壞。

3.3 噴錨網(wǎng)支護(hù)

3.3.1 作用機(jī)理及適用范圍

采取噴錨網(wǎng)支護(hù)，可確保該區(qū)域圍巖自身強(qiáng)度，防治圍巖逐層失穩(wěn)脫落及巖體風(fēng)化崩解。該種支護(hù)方式適用于邊坡整體穩(wěn)定性較好，但局部巖層為黏土巖，或砂巖黏土巖互層的破碎區(qū)域局部加固支護(hù)。

3.3.2 技術(shù)參數(shù)及施工步驟

(1) 噴射混凝土。噴射混凝土厚60 mm，28 d單軸抗壓強(qiáng)度大于15 MPa。

(2) 錨桿。采用直徑×長度為34 mm×1.8 m管縫錨桿，錨桿間排距2 m×2 m。

(3) 鋼網(wǎng)。采用直徑為5 mm的鋼筋焊接制成，鋼網(wǎng)長4 m，寬0.5 m，正方形網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。

施工步驟為：邊坡坡面形成后，清理干凈邊坡表面浮石，采用管縫錨桿掛網(wǎng)，并一次性噴射混凝土。

3.3.3 支護(hù)效果及優(yōu)缺點(diǎn)

錦豐露天礦西北角F6斷層礦體帶620～600 m以及580～570 m等區(qū)域均采取了該支護(hù)方式，共計(jì)支護(hù)面積約4 000 m2，對維護(hù)局部區(qū)域邊坡表面巖體的封閉和加固具有良好作用。該支護(hù)方式施工設(shè)備簡單、作業(yè)方便、支護(hù)成本低廉，主要用于坡面巖體的封閉和加固，支護(hù)強(qiáng)度及作用范圍有限，一旦邊坡出現(xiàn)整體位移，則會迅速開裂破壞。

3.4 抗滑樁支護(hù)

3.4.1 作用機(jī)理及適用范圍

抗滑樁用于抵抗邊坡滑動(dòng)時(shí)沿滑面產(chǎn)生的剪力，和沿軟弱破碎帶滑動(dòng)使滑面出現(xiàn)塑性變形產(chǎn)生的彎矩，屬于被動(dòng)施加應(yīng)力加固。同時(shí)在抗滑樁灌漿過程中，部分水泥漿沿邊坡巖體節(jié)理裂隙滲透，對加固巖體整體穩(wěn)定性也發(fā)揮了一定作用。該支護(hù)方式適用于具有潛在滑動(dòng)面的重要露天平臺或運(yùn)礦道靠近邊坡一側(cè)等。

3.4.2 技術(shù)參數(shù)及施工步驟

支護(hù)參數(shù)如下。

(1) 抗滑樁孔。直徑為115 mm，孔深9 m，孔向垂直于地面。

(2) 抗滑樁。采用外徑為78 mm，壁厚為4 mm，長為9 m的鋼管，鋼管內(nèi)外側(cè)均澆灌水灰比為0.35的水泥漿。

(3) 間距?？够瑯杜c坡頂線之間的距離為1.5 m，間距為2.5 m。

運(yùn)礦道或平臺形成后，鉆鑿抗滑樁孔，插入鋼管，在鋼管內(nèi)外側(cè)注漿，注漿管須插入孔底，一般采取先注鋼管內(nèi)側(cè)、后注鋼管與孔壁間隙的注漿順序。

3.4.3 支護(hù)效果及優(yōu)缺點(diǎn)

錦豐金礦在三期運(yùn)礦道580～560 m，540～530 m，冗半?yún)^(qū)域660～650 m，以及三期北部620 m平臺、三期西部620 m平臺、三期南部560 m平臺都采取了抗滑樁支護(hù)，支護(hù)總面積達(dá)到500 m2，并取得了良好效果?？够瑯吨ёo(hù)具有施工周期短、工藝簡單、支護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但抗滑樁屬于被動(dòng)支護(hù)，采用鋼管注漿的抗滑樁，其抗剪、抗彎能力有限，如果巖體比較破碎，則難以維護(hù)邊坡的穩(wěn)定，如西部邊坡620 m平臺的抗滑樁支護(hù)，由于巖體破碎，抗滑樁未能有效阻止上部巖體的移動(dòng)，導(dǎo)致抗滑樁彎曲，邊坡失穩(wěn)。如采用高壓注漿、高抗彎強(qiáng)度工字鋼、減小抗滑樁間距等措施，會有益于提高抗滑樁的支護(hù)效果。

3.5 HDPE防滲膜護(hù)坡

3.5.1 作用機(jī)理及適用范圍

防滲膜能夠防治雨水滲入松散土體，防治松散土體在大量雨水的浸泡下，引起自重增加和滑移面力學(xué)參數(shù)降低導(dǎo)致的邊坡整體滑移失穩(wěn)。因此，如果松散土體邊坡大雨過后出現(xiàn)開裂滑移時(shí)可采用HDPE防滲膜護(hù)坡，即使該邊坡在雨水作用下出現(xiàn)較大范圍的貫通裂縫，也可以起到很好的護(hù)坡效果。

3.5.2 技術(shù)參數(shù)及施工步驟

支護(hù)參數(shù)如下。

(1) 采用1.0 mm厚的HDPE防滲膜覆蓋松散土體。

(2) 采用溝槽錨固法固定防滲膜，錨固溝槽寬度0.6 m，深0.5 m。

(3) 防滲膜搭接寬度 100 mm，接縫平行于坡腳線。

(4) 每隔10 m的臺階高度，設(shè)置一寬1 m的工作平臺。

敷設(shè)防滲膜前須平整坡面，確保無明顯尖突，之后將防滲膜覆蓋于松散土體，其邊緣用錨固槽固定，并在錨固槽里回填混凝土。

3.5.3 支護(hù)效果及優(yōu)缺點(diǎn)

錦豐西部邊坡660～620 m和北部邊坡680～710 m由第四系表土和強(qiáng)烈風(fēng)化的黏土巖、砂巖組成，并存在黏土巖軟弱夾層及斷層破碎帶，邊坡的穩(wěn)定性較差，前期均出現(xiàn)較大規(guī)模開裂、鼓肚、塌陷、滑移等現(xiàn)象。由于西部邊坡對上部充填站及下部主運(yùn)礦道構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此，采用HDPE防滲膜，覆蓋了約4 700 m2的區(qū)域。近三年來邊坡穩(wěn)定性良好，位移監(jiān)測未見有滑移跡象。HDPE防滲膜牢固性好，迄今未見風(fēng)化破損。該護(hù)坡方式施工工藝簡單，成本低廉，對松散土體具有良好的適用性。北部680 m以上的土體邊坡，與西部邊坡工程地質(zhì)條件極為相似，當(dāng)初未進(jìn)行加固處理，至今已基本垮塌至自然安息角。

4 結(jié)論

(1) 錦豐露天礦礦邊坡變形破壞模式主要表現(xiàn)為順層滑坡、楔形體滑坡、傾倒滑坡和松散土體整體滑坡，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，采取大面積綜合加固措施，支護(hù)總面積達(dá)到53 200 m2，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275 m，改變了傳統(tǒng)的復(fù)雜破碎巖體邊坡緩幫開采模式，實(shí)現(xiàn)了深凹露天礦陡幫開采，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 噴錨網(wǎng)及長錨索支護(hù)，適用于運(yùn)礦道或清掃平臺下巖體相對破碎，可能產(chǎn)生順層滑坡、楔形體滑坡和傾倒滑坡的邊坡治理，具有支護(hù)效果好、適應(yīng)面廣，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜、施工周期長、支護(hù)成本高。

(3) 長錨索+鋼帶支護(hù)適用于邊坡失穩(wěn)不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果的區(qū)域，邊坡坡面與巖層層面近似一致的邊坡，或巖體整體穩(wěn)定性較好的局部邊坡，優(yōu)點(diǎn)是施工效率高、支護(hù)成本低，缺點(diǎn)是一旦長錨索間巖體發(fā)生松動(dòng)脫落，可能導(dǎo)致邊坡逐步松動(dòng)并最終失穩(wěn)破壞。

(4) 噴錨網(wǎng)支護(hù)適用于邊坡整體穩(wěn)定性較好，但局部破碎區(qū)域的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，具有施工設(shè)備簡單、作業(yè)方便、成本低廉的優(yōu)勢，但支護(hù)強(qiáng)度及作用范圍有限，一旦邊坡出現(xiàn)整體位移，則會迅速開裂破壞。

(5) 抗滑樁支護(hù)適用于具有潛在滑動(dòng)面的重要露天平臺或運(yùn)礦道靠近邊坡一側(cè)等，具有施工周期短、支護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但抗滑樁屬于被動(dòng)支護(hù)，采用鋼管注漿的抗滑樁，其抗剪、抗彎能力有限，如果巖體比較破碎，則其支護(hù)作用有限。

(6) HDPE防滲膜護(hù)坡適用于大體積松散土體邊坡的穩(wěn)定性維護(hù)，施工工藝簡單，成本低廉，對松散土體具有良好的適用性。

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