姑山鐵礦邊坡滑塌治理技術(shù)

駱 溶 蘇家勝

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

姑山鐵礦邊坡滑塌治理技術(shù)

駱 溶 蘇家勝

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司)

馬鋼姑山礦業(yè)公司露天采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中，北幫西部-46～-82 m段邊坡局部發(fā)生變形及滑塌。分析該段邊坡地質(zhì)情況:-48 m以上邊坡第四系主要為粉砂、細(xì)砂、卵礫石層、粉質(zhì)黏土及互層的散體結(jié)構(gòu)；-48 m以下至-82 m基巖邊坡主要為安山巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r，風(fēng)化強(qiáng)烈，碎裂結(jié)構(gòu)，總體穩(wěn)定性差。采取板錨聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，取得了較好的治理效果，確保了礦山安全采礦。

滑塌 重力擋墻 錨噴支護(hù) 邊坡治理

隨著開(kāi)采深度的不斷增加，姑山鐵礦露天采場(chǎng)形成了諸多高陡邊坡。-46 m平臺(tái)沿走向有數(shù)道拉張裂縫，邊坡滑塌使-35和-58 m臺(tái)階產(chǎn)生局部并段，威脅上部第四系邊坡穩(wěn)定，并導(dǎo)致邊坡底部30萬(wàn)t鐵礦石無(wú)法回采。露采即將結(jié)束，為充分利用露采境界外鐵礦資源、維持礦山產(chǎn)能、增加礦石自給率，對(duì)-82～-130 m的富集礦體采用平硐方式開(kāi)采，服務(wù)壽命超過(guò)露采9 a，可采地質(zhì)儲(chǔ)量400萬(wàn)t。-82 m平硐在滑塌部位以東30 m處，邊坡的穩(wěn)定與否直接影響其建設(shè)和生產(chǎn)。為此，根據(jù)邊坡特點(diǎn)和巖石性質(zhì)，采用板錨聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行治理。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件

馬鋼姑山鐵礦位于長(zhǎng)江下游，蕪湖盆地北部，礦區(qū)除大小姑山有基巖出露外(0.14 km2)，其余均為第四系覆蓋，有水量豐富的砂礫卵石層，有難以疏干的粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂互層；基巖工程地質(zhì)條件差異性較大，有富水的黃馬青砂頁(yè)巖，強(qiáng)度較低的高嶺土化閃長(zhǎng)巖，水文、工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜。采場(chǎng)第四系邊坡臺(tái)階坡面角35°，總體邊坡角19°～21°，安全平臺(tái)寬14 m；強(qiáng)風(fēng)化基巖臺(tái)階坡面角45°，總體邊坡角21°～30°；中風(fēng)化程度以下基巖臺(tái)階邊坡角50°，總體邊坡角36°；基巖并段后安全平臺(tái)寬12 m，未并段處安全平臺(tái)寬6 m。為開(kāi)采技術(shù)條件復(fù)雜礦床(Ⅲ-4)。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水有孔隙水，裂隙水：①孔隙潛水賦存于粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂互層，中細(xì)砂層，彼此水力聯(lián)系密切，具有統(tǒng)一的浸潤(rùn)面;②孔隙承壓水,賦存于砂礫卵石層、坡積層，水量豐富，水頭高，滲透性好，補(bǔ)給充分;③基巖裂隙水分布差異性大，主要含水層為T(mén)2h砂頁(yè)巖。

2 滑坡形成的原因分析

產(chǎn)生變形滑塌的坡段位于北幫邊坡西段，高-42～-86 m，其中一個(gè)非并段臺(tái)階(-46～-58 m 臺(tái)階)和一個(gè)并段臺(tái)階(-58～-82 m),總高44 m，邊坡角約40°。-48 m等高線大致為土體和巖體邊坡的分界線，土體邊坡總體坡角緩于30°，+8～-48 m坡體后緣采用垂直防滲帷幕對(duì)砂礫卵石層承壓水進(jìn)行了封堵，采場(chǎng)范圍內(nèi)坡體大部分不含水，但底腳約-42 m處有滲水，坡面采用塊石及反濾層壓坡，坡面平整順直；-48 m以下為巖體邊坡，主要為安山巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r，邊坡類(lèi)型為散體碎裂狀結(jié)構(gòu)，下部基巖為碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，凝灰?guī)r地段主要為碎裂狀結(jié)構(gòu)；-58 m以上巖體強(qiáng)烈風(fēng)化。受開(kāi)采工藝及巖體破碎程度影響，坡面凹凸不平，總體坡角約52°。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及坡體結(jié)構(gòu)類(lèi)型分析，強(qiáng)風(fēng)化及土體邊坡易形成順坡向類(lèi)圓弧狀滑移破壞；中風(fēng)化及以下邊坡易形成順坡向較為順直的折線形或平面形滑移破壞，局部可形成崩塌破壞。露天采場(chǎng)北部-46～-82 m局部邊坡滑塌現(xiàn)狀見(jiàn)圖1。

分析坡體失穩(wěn)變形產(chǎn)生的主要原因：①該處為裂隙較為發(fā)育的凝灰?guī)r類(lèi)，抗風(fēng)化能力弱，強(qiáng)度較低，在較陡的坡體條件下易產(chǎn)生失穩(wěn)；②自-58 m 以下部位為并段臺(tái)階，坡角達(dá)56°，在剝巖爆破時(shí)，巖體完整性受到破壞，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定程度差；③-35 m臺(tái)階截水溝沒(méi)能完全截住第四系潛水和大氣降水，水經(jīng)水溝底部滲入邊坡裂隙內(nèi)，下部巖體導(dǎo)水通道發(fā)育，地下水帶走泥沙，軟化巖體，降低其強(qiáng)度并發(fā)生變形；④采礦作業(yè)未采取控制爆破措施，一次藥量過(guò)大，尤其是在靠幫作業(yè)過(guò)程中，臨近邊幫的爆破震動(dòng)是導(dǎo)致邊坡變形及各種走向裂縫形成的主要因素，甚至直接導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生滑塌破壞。

圖1 姑山露天采場(chǎng)北部-46～-82 m局部邊坡滑塌現(xiàn)狀

3 滑坡穩(wěn)定性分析

按照相關(guān)規(guī)范，根據(jù)邊坡類(lèi)型、邊坡高度、邊坡破壞后的嚴(yán)重程度，該邊坡工程的安全等級(jí)劃分為二級(jí)。按照邊坡可能的破壞類(lèi)型確定：第四系邊坡及強(qiáng)風(fēng)化巖體邊坡(-58 m以上)類(lèi)圓弧滑動(dòng)安全系數(shù)為1.15；強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化巖體邊坡(-58～-82 m)按折線形或近似平面型安全系數(shù)為1.15。邊坡巖石性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖石力學(xué)參數(shù)

按照規(guī)范推薦，對(duì)-58～-82 m以上邊坡采用不平衡推力傳遞法(式(1))進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算；對(duì)-58 m以上邊坡采用瑞典圓弧法(式(2))進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

(1)

(2)

考慮地下水及震動(dòng)影響,根據(jù)上述公式計(jì)算得到：Ⅰ-Ⅰ剖面，-58m以上邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.906，-82m以上邊坡為1.075；Ⅱ-Ⅱ剖面，-58m以上邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.885，-82m以上邊坡為1.062。均小于設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.15，必須加固處理。穩(wěn)定性計(jì)算剖面分布見(jiàn)圖2。

圖2 穩(wěn)定性計(jì)算剖面分布

4 板錨聯(lián)合治理

分析邊坡現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特征及施工條件，采用板錨聯(lián)合治理，即重力擋墻和錨噴聯(lián)合。

4.1 重力式擋墻

對(duì)于-58 m以上西段第四系及強(qiáng)風(fēng)化散體結(jié)構(gòu)邊坡，考慮采用占地較少的仰斜式，取擋墻高度10 m(含基礎(chǔ)1 m)，埋深1.0 m，頂寬1.5 m，底寬3.5 m，墻背坡率1∶0.25，墻面坡率1∶0.48，墻體背后回填碎石濾水。墻體形成前預(yù)留排水孔和錨桿孔，墻體形成后，用錨桿將墻體固定于邊坡。其中基礎(chǔ)部分為鋼筋混凝土，設(shè)間距1.25 m×1.25 m鋼樁3排，鋼樁孔徑0.2 m，內(nèi)放16型熱軋工字鋼，長(zhǎng)6 m，伸入基礎(chǔ)混凝土內(nèi)1 m，5 m成孔并注入M25水泥砂漿。

擋墻鋪設(shè)φ25 mm鋼筋，延長(zhǎng)擋墻橫向鋼筋，與錨桿、暗梁焊接。

4.2 錨 噴

錨桿前端焊有φ110 mm錨頭，孔內(nèi)注入M25砂漿或水灰比為0.45的水泥漿，水泥級(jí)別不低于42.5級(jí)。

噴射C20混凝土厚0.15 m，鋼筋掛網(wǎng)：200 mm×200 mm，φ8 mmⅠ級(jí)鋼筋；橫、縱向2根φ16 mmⅡ級(jí)加強(qiáng)鋼筋。掛網(wǎng)短筋：一般以錨桿為支撐點(diǎn)，無(wú)錨桿部位用φ22 mmⅡ級(jí)鋼筋，長(zhǎng)0.5～1 m，打入坡面。錨桿外端頭彎90°，長(zhǎng)100 mm，與縱橫雙向暗梁及網(wǎng)片焊牢。

4.3 治理效果

工程施工管理采用動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)、信息化施工的新型管理模式。在鉆孔施工過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件變化，機(jī)動(dòng)調(diào)整孔深，保證鉆孔穿透潛在滑移面后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定基巖1 m。

根據(jù)滑坡產(chǎn)生的原因，本次治理主要采用錨桿噴射混凝土方法，-46～-58 m共設(shè)置5道錨桿，-58～-82 m共設(shè)置9道錨桿，錨桿長(zhǎng)12～18 m，錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值100～120 kN。單根錨桿抗拔試驗(yàn)3根，抗拔極限承載力大于100 kN，滿足設(shè)計(jì)和驗(yàn)算要求，竣工驗(yàn)算結(jié)果：安全系數(shù)為1.211。治理前后對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 邊坡治理前、后對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

(1)分析此次滑坡的原因：①巖體本身力學(xué)性質(zhì)差，抗風(fēng)化能力弱，長(zhǎng)期暴露更加劇風(fēng)化崩解速度；②剝巖爆破對(duì)巖體的直接破壞和其他部位爆破震動(dòng)的影響，從而產(chǎn)生巖石破碎、節(jié)理裂隙加劇、導(dǎo)水通道發(fā)育；③地下水對(duì)上部第四系邊坡的沖刷和對(duì)巖體的浸泡而產(chǎn)生軟化，進(jìn)一步降低了巖體力學(xué)性質(zhì)。

(2)板錨聯(lián)合措施治理邊坡，使邊坡各段的治理工程完整結(jié)合為一體，增加了邊坡穩(wěn)定性，減少了外界環(huán)境對(duì)邊坡的毀壞。工程竣工以來(lái)，該邊坡未發(fā)生任何變形等異?，F(xiàn)象，保證了露采與平硐采礦的正常進(jìn)行，證明該措施應(yīng)用在不穩(wěn)定高陡邊坡治理中是可行的，保證了二期掛幫礦的安全、順利開(kāi)采。

(3)板錨聯(lián)合措施治理邊坡無(wú)需大型工程設(shè)備，對(duì)施工場(chǎng)地要求低。通過(guò)在巖石性質(zhì)差且不穩(wěn)定的高陡邊坡治理工程中的成功實(shí)施，證明了該技術(shù)不僅能在露天礦山邊坡治理中得到應(yīng)用，在有潛在薄弱面的井下巷道變形和隧道加固工程治理中也可得到利用，在高速路、鐵路、風(fēng)景區(qū)、盤(pán)山公路和水庫(kù)等工程中的復(fù)雜地段和地質(zhì)災(zāi)害治理中同樣可以推廣應(yīng)用。

2015-01-12)

駱 溶(1977—)，男，助理工程師，243000 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣龍山橋鎮(zhèn)。