某露天礦山邊坡變形體治理方案研究

黃 偉，李克鋼

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

0 引言

隨著露天礦山的開采深度持續(xù)加深，其周圍會(huì)產(chǎn)生大量的邊坡區(qū)，由于地質(zhì)條件及礦區(qū)條件的不斷變化，邊坡時(shí)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為礦山生產(chǎn)帶來了很大的隱患。某礦東部邊坡隨著開采深度的增加，受到軟弱巖層、斷層、巖石風(fēng)化等因素的影響開始出現(xiàn)滑移，且有逐漸加劇的趨勢(shì)。變形體滑移開裂現(xiàn)狀見圖1。東部邊坡最低標(biāo)高1 090m，最高標(biāo)高1 360m。邊坡滑移開裂面積約18萬m2，滑移開裂實(shí)體體積約700萬m3。現(xiàn)有的坑底水平往下160m才會(huì)到達(dá)最終的開采境界線，由于開采深度的加深，邊坡的坡腳會(huì)進(jìn)一步卸荷，變形體的滑移開裂情況將越發(fā)嚴(yán)重。露天礦山進(jìn)一步開采將受到邊坡變形體的嚴(yán)重制約，同時(shí)邊坡的變形會(huì)影響到東南部邊坡的兩條重要運(yùn)輸通道。因此，對(duì)邊坡變形體的治理需要得到重視和實(shí)施。

圖1 變形體滑移開裂現(xiàn)狀Fig.1 Present situation of sliding and cracking of deformable body

1 邊坡體地質(zhì)背景

邊坡上部為堅(jiān)硬致密的灰綠色英安巖，英安巖抗壓強(qiáng)度高，抗剪強(qiáng)度低，受到斷層、風(fēng)化等因素影響，穩(wěn)定性差。邊坡下部為灰綠色被硅質(zhì)膠結(jié)的流紋巖，堅(jiān)硬、抗剪抗壓強(qiáng)度較高。流紋巖與英安巖間為巖體松軟容易風(fēng)化破碎的淺灰色凝灰?guī)r，遇水極易泥化，極不穩(wěn)固。礦區(qū)有三條較大的斷層及許多小斷層發(fā)育。

礦區(qū)水系屬小黑江支流，侵蝕基準(zhǔn)面的高程為654m。邊坡上表面地層為不含水或弱含水層，主要原因是英安巖節(jié)理裂隙發(fā)育、孔隙度低。下部是遇水易泥化的凝灰?guī)r，裂隙水常順著凝灰?guī)r滲出。水文地質(zhì)條件是比較簡(jiǎn)單的裂隙充水類型。

2 變形原因分析

導(dǎo)致邊坡變形滑移的因素有很多，如降雨、爆破擾動(dòng)[1]、地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)[2]、變形體前緣開挖，總的來說分為自然因素和人為因素[3]。

2.1 自然因素

不良的地質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)影響邊坡穩(wěn)定性和促成邊坡滑動(dòng)，東部邊坡有三個(gè)較大的斷層，三個(gè)斷層交叉分布均對(duì)東部邊坡穩(wěn)定性造成影響。同時(shí)在降雨作用下，水通過裂隙進(jìn)入凝灰?guī)r層，導(dǎo)致凝灰?guī)r軟化，穩(wěn)定性變差。

2.2 人為因素

根據(jù)實(shí)地考察分析得出，采場(chǎng)在開采至1 090m水平時(shí)，坑底開挖切斷了邊坡下部的凝灰?guī)r（軟弱巖層），邊坡巖體順著軟弱巖層發(fā)生了滑動(dòng)和變形，呈牽引型變形。由于坡體上部土層較高，下滑力較大（推移式滑動(dòng)）[4]，加重了邊坡的滑動(dòng)變形。同時(shí)，生產(chǎn)中沒有采取更好的減震爆破工藝，爆破擾動(dòng)對(duì)邊坡的影響較大，不少臺(tái)階邊緣甚至出現(xiàn)較長(zhǎng)的裂隙。此外，生產(chǎn)中沒有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行開采，臺(tái)階剝采得較窄，傾角較大，這些都是東部邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)變形的重要原因。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡上部風(fēng)化的英安巖、中部易泥化的凝灰?guī)r、下部堅(jiān)硬致密的流紋巖共同組成礦山邊坡。通過礦山邊坡取樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)得到巖石力學(xué)參數(shù)。具體巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters

研究利用Slide軟件對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，該軟件被廣泛運(yùn)用于邊坡、基坑、路基穩(wěn)定性的計(jì)算[5-7]，其具有建模過程簡(jiǎn)單，計(jì)算快速的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確模擬邊坡穩(wěn)定性問題[8]。利用Slide數(shù)值模擬軟件分析水平投影長(zhǎng)1140m，高度270m，邊坡角度26°，坡面斜長(zhǎng)650m的區(qū)域，建立邊坡模型如圖2。

圖2 邊坡模型Fig.2 Slope model

《滑坡防治工程勘查規(guī)范》GBT 32864—2016規(guī)定，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)按表2確定。

表2 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分Tab.2 State division of slope stability

Slide軟件計(jì)算后結(jié)果如圖3，通過對(duì)圖3的分析可以看到邊坡的安全系數(shù)為0.98，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。凝灰?guī)r層是危險(xiǎn)滑坡面的集中區(qū)，這進(jìn)一步證實(shí)了礦山開采至這個(gè)階段之前邊坡比較穩(wěn)固，而開采到現(xiàn)有水平后邊坡穩(wěn)定性急劇下降的主要原因即現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)開采至現(xiàn)在的坑底水平恰好切斷了邊坡下部的凝灰?guī)r層，由于凝灰?guī)r本身易泥化、破碎軟弱，邊坡巖體便順著凝灰?guī)r層發(fā)生了滑移。

圖3 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分析Fig.3 Analysis of slope stability state

4 邊坡滑坡體處理與安全技術(shù)措施

4.1 邊坡滑坡體處理方案

根據(jù)采場(chǎng)地質(zhì)條件和礦山發(fā)展需要，采用削坡減載方案、安全防護(hù)等措施對(duì)變形進(jìn)行治理[9]。設(shè)計(jì)遵循削坡減載為主、安全防護(hù)為輔，保證下步開采的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

方案一：削坡卸載。該方案從坡頂逐段分臺(tái)階卸載，邊坡逐步卸載靠幫，這也是目前控制滑坡體下沉滑動(dòng)的緊急而有效穩(wěn)固措施。方案優(yōu)點(diǎn)是將邊坡削坡至潛在軟弱層面位置，能有效地控制邊坡穩(wěn)定性，采取“削坡卸載”，施工操作方便簡(jiǎn)單，邊坡穩(wěn)定性更有把握性，邊坡最終的穩(wěn)定性能得到有效保障，安全可靠程度也更高。削坡卸載也可有效保障采場(chǎng)后期剝離生產(chǎn)，因?yàn)楹笃陂_采水平還要下降160m左右。缺點(diǎn)是一次性投資費(fèi)用高。

方案二：上部削坡卸載+坡腳注漿。首先緊急從坡頂逐段分臺(tái)階卸載，使上部邊坡卸載靠幫。邊坡中部和上部大概要卸載400萬m3左右的巖土體，減少邊坡主滑段的下滑力。然后在坡腳松散地基層進(jìn)行注漿加固，改良松散地基層的不良現(xiàn)狀，提高坡腳的抗滑力和承載力。注漿鋼管一定要打到凝灰?guī)r軟弱層面附近。特點(diǎn)：將上部邊坡削坡至潛在軟弱層面位置，減少對(duì)坡腳的壓力，方案上部采用“削坡卸載”治理施工操作方便，簡(jiǎn)單，下部注漿施工操作不復(fù)雜，投資費(fèi)用低。目前軟弱層面位置勘探程度較高，卸載和注漿能夠?qū)嵤┑轿唬€(wěn)定性有把握，安全可靠。

方案三：上部削坡卸載+抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索。該方案首先緊急從坡頂逐段分臺(tái)階卸載，上部邊坡逐步卸載靠幫。上部卸載一部分以后，通過穩(wěn)定性初步計(jì)算，為確保治理加固后邊坡的穩(wěn)定性滿足安全要求，在坡腳1 110m平臺(tái)打一排抗滑樁和擋墻，然后在邊坡中部和上部也各打一排抗滑樁，總共要打三排抗滑樁。同時(shí)為了確?？够瑯侗旧砜箖A覆的安全要求，抗滑樁必須錨入軟弱層（即凝灰?guī)r層）以下25m，這樣造成抗滑樁尺寸很大，高度在36～61m之間（抗滑樁布置點(diǎn)見圖4）。

圖4 抗滑樁布置示意Fig.4 Schematic diagram of layout of anti slide piles

因此，抗滑樁尺寸過大導(dǎo)致該方案最大缺點(diǎn)是治理操作很繁瑣，施工復(fù)雜也很困難，而且建擋墻先要在坡腳開挖基坑，本來脆弱的坡腳承擔(dān)上部下滑力已經(jīng)很力不從心，為了建擋墻再來開挖坡腳，極易造成施工過程中發(fā)生上部邊坡失穩(wěn)垮塌，造成人員傷亡。而且施工完后，因?yàn)樵摰V下部還要生產(chǎn)開挖下降160m，下部開挖爆破擾動(dòng)以及巖體結(jié)構(gòu)的不利影響，時(shí)間長(zhǎng)久會(huì)慢慢削弱上部邊坡的穩(wěn)定性，屆時(shí)邊坡安全性得不到保障，因此方案三帶有風(fēng)險(xiǎn)性，而且投資費(fèi)用也相對(duì)較高。

三種方案在滑坡體治理過程中都要加強(qiáng)滑坡體周邊截水和排水措施。

研究對(duì)邊坡治理費(fèi)用和卸載量進(jìn)行了大略估測(cè)，三種方案投資費(fèi)用對(duì)比結(jié)果見表3。由于目前滑坡體大部分為破碎巖石和土體，故省去部分爆破費(fèi)用，剝離費(fèi)用可降低。通過以上三種方案對(duì)比分析，推薦方案二（上部削坡卸載+坡腳注漿），該方案操作實(shí)施性強(qiáng)，安全有保障，投資費(fèi)用較低。

表3 方案對(duì)比及綜合費(fèi)用預(yù)估表Tab.3 Scheme comparison and comprehensive cost estimation table

4.2 安全技術(shù)措施

（1）削坡過程中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，嚴(yán)禁超挖[10]。東部邊坡在1 160m平臺(tái)到1 270m平臺(tái)臺(tái)階高度大，開挖采礦的時(shí)候?yàn)榱硕嚅_采礦石將邊坡臺(tái)階開挖的較窄，且臺(tái)階的傾角已經(jīng)在70°左右。這也是東部邊坡出現(xiàn)滑坡問題的原因之一。因此，需要加強(qiáng)對(duì)工程質(zhì)量的檢查，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)留安全平臺(tái)，對(duì)超挖、超高臺(tái)階，人為放大邊坡角等情況進(jìn)行及時(shí)糾正，更能確保露天邊坡的穩(wěn)定性。

（2）在清掃過程中要注意不能留根底、傘檐和浮石，大塊和殘留碎石必須清理干凈[11]。東部邊坡清掃得不夠理想，1 190m、1 180m等較多平臺(tái)上部臺(tái)階都有爆破后留下的根底及大塊浮石。

（3）東部邊坡裂隙發(fā)育對(duì)邊坡的安全穩(wěn)定有很大的影響。裂隙發(fā)育如圖5所示。坡面上原巖受破壞產(chǎn)生裂縫，在小于坡面角的情況下，須對(duì)松散巖體進(jìn)行壓實(shí)和堵住裂縫，防止地表水和雨水注入裂縫，在大于坡面角的情況下，必須清理以確保穩(wěn)定性或其他切實(shí)有效的措施確保邊坡安全[12]。

圖5 邊坡裂隙Fig 5 Slope fracture

（4）邊坡在開采礦石時(shí)爆破裝藥量不能過大。如1 130m、1 120m平臺(tái)在爆破過后出現(xiàn)了大的裂隙，因此需要加強(qiáng)爆破管理，控制一次性爆破裝藥量，并采取適宜控制爆破、防震、減震爆破工藝，確保邊坡穩(wěn)定。

5 結(jié)論

凝灰?guī)r層是危險(xiǎn)滑坡面的集中區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)開采至現(xiàn)在的坑底水平恰好切斷了邊坡下部的凝灰?guī)r，由于凝灰?guī)r層本身破碎軟弱，邊坡巖體便順著凝灰?guī)r巖層發(fā)生了滑移，這是此礦山邊坡出現(xiàn)滑坡變形的主要原因。

（1）擬采用上部削坡卸載+坡腳注漿方案，該方案操作實(shí)施性強(qiáng)，安全有保障，投資費(fèi)用較低。

（2）方案充分考慮了礦體的賦存條件和后期開采要求，充分利用了現(xiàn)有生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，安全措施有保障。

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