齊大山鐵礦5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡治理方案研究

常來(lái)山，鄧會(huì)境，陶東海

(1.遼寧科技大學(xué),遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司,遼寧 鞍山 114001)

露天礦邊坡工程與水電、公路、鐵路、土木工程相比，具有其獨(dú)特的特點(diǎn)[1-3]：只能在既定的工程地質(zhì)環(huán)境條件中進(jìn)行開(kāi)挖，具有工程賦存條件的無(wú)選擇性；最終邊坡是由上至下隨采礦生產(chǎn)在幾十年的采場(chǎng)服務(wù)期內(nèi)逐步形成，具有時(shí)效性；邊坡巖體允許產(chǎn)生一定的變形破壞，只要不影響礦山安全生產(chǎn)即可；露天礦邊坡工程是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)地質(zhì)工程問(wèn)題，邊坡上布置有鐵路、公路或膠帶等開(kāi)拓運(yùn)輸系統(tǒng)，隨采場(chǎng)下延而逐步發(fā)展變化，是礦山邊坡的重點(diǎn)維護(hù)部位；人為因素和自然因素影響較大。采用汽車(chē)-膠帶半連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的礦山，其膠帶沿線的上部邊坡和下部邊坡走向較長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜，破壞風(fēng)險(xiǎn)較高，即便是小型的臺(tái)階滑坡、崩塌，也可能造成全礦的停產(chǎn)，因此是礦山的重點(diǎn)維護(hù)部位。

1 齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡概況

齊大山鐵礦采場(chǎng)至調(diào)軍臺(tái)選礦廠的運(yùn)礦皮帶在西幫邊坡(圖1)上通過(guò)，由1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)運(yùn)礦膠帶組成，擔(dān)負(fù)著齊大山鐵礦由采場(chǎng)至選廠運(yùn)送礦石的主要任務(wù)。

圖1 5號(hào)運(yùn)礦膠帶與邊坡

齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部邊坡主要由鞍山群千枚巖(Ph)組成，灰綠色片狀構(gòu)造，主要礦物有綠泥石、絹云母、石英等，鞍山群千枚巖與鐵礦體呈斷層接觸，產(chǎn)狀與礦體一致，鞍山群千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度約為40MPa，屬中等強(qiáng)度巖石。礦石5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部邊坡巖體為層狀結(jié)構(gòu)(圖2)，片理面平直光滑，非常發(fā)育，結(jié)構(gòu)面間距約為0.2～0.5m，片理面較陡(傾角70～80°)，臺(tái)階邊坡面與片理面平行，大部分臺(tái)階邊坡面由片理面構(gòu)成，其他方位結(jié)構(gòu)面(如節(jié)理等)發(fā)育一般，未見(jiàn)順坡向緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

圖2 千枚巖與層狀結(jié)構(gòu)邊坡巖體

齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部邊坡巖體對(duì)皮帶運(yùn)營(yíng)存在安全威脅的地段長(zhǎng)約240m，坡頂標(biāo)高為19～20m，5號(hào)運(yùn)礦膠帶由-0.4m水平下降至-42.0m水平，邊坡高20.4～61.3m，邊坡角39.2～60.2°，平均46.1°；邊坡上有+6m、-6m、-18m和-30m等四個(gè)水平平臺(tái)，5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部臺(tái)階邊坡高7.9～30.1m，臺(tái)階坡面角50.2°～78.8°，平均63.5°。齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部整體邊坡的邊坡角對(duì)于整體邊坡而言還是比較緩的，但臺(tái)階邊坡的坡面角則較陡，個(gè)別地段已近于直立。

2 西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡破壞模式分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘與調(diào)查可以確認(rèn)，除一處已發(fā)生的小型楔體破壞外，未見(jiàn)可構(gòu)成楔體破壞的結(jié)構(gòu)面組合。對(duì)于臺(tái)階邊坡來(lái)說(shuō)，其破壞模式有兩種：①雙滑面剪切破壞(圖3)，即上滑面為片理面，下滑面為巖體剪斷面；②陡立巖層的傾倒坍塌破壞，沒(méi)有確定滑面，隨風(fēng)化、震動(dòng)等因素的作用而形成滾石墜落于坡腳。對(duì)于整體邊坡而言，由于結(jié)構(gòu)面的尺寸相對(duì)于邊坡較小，破壞模式可簡(jiǎn)化為圓弧型剪切破壞(圖3)。

圖3 邊坡剪切破壞模式

3 整體與臺(tái)階邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析

齊大山鐵礦西幫5號(hào)礦石膠帶上部邊坡地形地質(zhì)如圖4所示，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算選取A、B、C、和D四個(gè)剖面，采用極限平衡法中的簡(jiǎn)布法(Janbu)法，圓弧滑面計(jì)算以畢肖普(Bishop)法校核，最危險(xiǎn)滑弧優(yōu)化搜索采用單純形法。

圖4 邊坡地形地質(zhì)

穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)根據(jù)齊大山鐵礦擴(kuò)建邊坡穩(wěn)定性研究成果選取，巖體密度為2.78t/m3，巖體抗剪強(qiáng)度C=400kPa，Φ=36°，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度C=40kPa，Φ=20°，整體邊坡和臺(tái)階邊坡的剪切破壞模式的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果列于表1，從計(jì)算結(jié)果可以看出，穩(wěn)定系數(shù)均大于2.0，即邊坡抗剪切破壞的穩(wěn)定性是較好的。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4 西幫礦石5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡破壞危害分析

根據(jù)計(jì)算分析邊坡整體抗剪切滑動(dòng)的穩(wěn)定性較好，因此邊坡巖體對(duì)皮帶運(yùn)營(yíng)的危害主要為臺(tái)階邊坡巖體的傾倒坍塌。邊坡巖體內(nèi)的陡傾角結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育，在風(fēng)吹日曬、雨雪凍融等風(fēng)化因素的長(zhǎng)期作用下，特別是冬季中巖體裂縫中的冰楔作用，裂縫逐漸延展加寬，巖石強(qiáng)度逐漸降低削弱，近于直立的巖層結(jié)構(gòu)極易發(fā)生傾倒、彎折等坍塌破壞[4]。由于邊坡與5號(hào)運(yùn)礦膠帶較近(坡底線與皮帶中心線距離為4.1～8.9m，平均6.0m)，邊坡坍塌出現(xiàn)的滾石對(duì)5號(hào)運(yùn)礦膠帶的安全將會(huì)產(chǎn)生較大的威脅，嚴(yán)重影響礦山的生產(chǎn)安全，因此對(duì)5號(hào)運(yùn)礦膠帶上部邊坡進(jìn)行及時(shí)主動(dòng)的維護(hù)治理是十分必要的。

5 西幫礦石5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡治理方案研究

綜合考慮邊坡破壞模式、空間形態(tài)、服務(wù)年限、施工工期等因素的影響，最終確定邊坡治理方案為12m全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿與SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)相結(jié)合的邊坡主動(dòng)加固措施(圖5)。其原因如下所示。

圖5 錨桿與SNS網(wǎng)護(hù)坡平面圖

1) 由于邊坡與5號(hào)運(yùn)礦膠帶較近，坡底線與皮帶中心線距離僅為4.1～8.9m，已沒(méi)有砌筑重力式擋墻或錨固式重力式擋墻以防護(hù)坡面坍塌的空間。

2) 邊坡以坍塌形成滾石為危害后果，并無(wú)滑面。

3) 普通鋼筋網(wǎng)與噴漿結(jié)合的方式是一種常用的坡面滾石治理方法，但它是一種被動(dòng)方法，效果與主動(dòng)方式相比要差。對(duì)于本地段邊坡而言，邊坡面由光滑的片理構(gòu)成，且坡面較陡，噴漿效果無(wú)法保證，則不能封閉雨水進(jìn)入裂隙，阻止裂隙的延伸擴(kuò)展，形成的浮石體積稍大時(shí)則可能出現(xiàn)網(wǎng)損石落的后果。

4) 設(shè)計(jì)選用SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)作為主體措施，主要依據(jù)以下幾點(diǎn)：①SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)是一種定型產(chǎn)品，施工技術(shù)成熟。②主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(GPS2型)在作用原理[5-6]上類似于錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土的面層護(hù)坡體系，但其柔性特征具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，將局部集中荷載向四周均勻傳遞，這樣可以充分發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的防護(hù)能力，系統(tǒng)可承受較大的荷載，降低了單根錨桿的錨固力要求。系統(tǒng)的開(kāi)放性使地下水可以自由排泄，降低了水壓升高引起邊坡失穩(wěn)的可能性，同時(shí)能抑制邊坡風(fēng)化剝蝕，并且適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)坡面形態(tài)無(wú)特殊要求。③工程應(yīng)用實(shí)例較多，具有較成熟的工程經(jīng)驗(yàn)。

5) 由于SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)掛網(wǎng)錨桿為2.5～3m，而巖體片理面間距為0.2～0.5m，因此，在局部高陡部位應(yīng)增加長(zhǎng)錨桿與SNS主動(dòng)柔性網(wǎng)結(jié)合，利用鋼筋錨桿的抗剪與抗拉作用將多層巖體結(jié)合到一起，起到整體防護(hù)的作用。綜上分析，對(duì)齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶邊坡的治理采用12m

全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿與SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)相結(jié)合的綜合加固措施是比較合理的。

6) 設(shè)計(jì)工程量與投資概算。邊坡面浮石人工清運(yùn)13200m2，Φ90mm錨孔穿孔與注漿2098m，Φ32mm錨桿鋼筋主材與制安14.9t，鋼墊板與對(duì)中支架主材與制安1.2t，SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)購(gòu)置與制安7400m2。工程投資概算為2,564,443元。

6 結(jié)語(yǔ)

齊大山鐵礦西幫5號(hào)運(yùn)礦膠帶是礦山運(yùn)輸系統(tǒng)的重要工程設(shè)施，邊坡危害對(duì)礦山的生產(chǎn)安全有較大的影響，根據(jù)研究結(jié)果通過(guò)采取相應(yīng)的整治措施可以消除其安全隱患，但邊坡的整治在皮帶建設(shè)前效果會(huì)更好。

[1] 艾強(qiáng)，王振剛.露天邊坡開(kāi)采過(guò)程中穩(wěn)定性變化特征[J].山西建筑，2009(18):79-81.

[2] 張亞賓，甘德清，陳超，等.邊坡在二次卸荷過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律研究[J].金屬礦山，2010(12)：22-26.

[3] 丁新啟，喬蘭.安家?guī)X礦高陡邊坡滑動(dòng)破壞機(jī)理分析[J].中國(guó)礦業(yè)，2009,18(12)：91-95.

[4] 王文旭，李示波.受采動(dòng)影響的山體邊坡安全論證[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(1)：75-77.

[5] 任文清，楊延軍，王選倉(cāng).山區(qū)公路邊坡滑塌的柔性防護(hù)治理設(shè)計(jì)[J].北方交通2008(8)：28-30.

[6] 李志斌.高邊坡坡面柔性防護(hù)技術(shù)初探[J].山西建筑，2006(8)：96-97.