東邊坡不良地質(zhì)體勘查及安全治理研究

趙樂濤 楊兆林

(太鋼集團(tuán)嵐縣礦業(yè)有限公司，山西 呂梁 033504)

0 引言

太鋼袁家村鐵礦位于山西省嵐縣梁家莊鄉(xiāng)，嵐縣城西南，年產(chǎn)原礦2 200萬t/a，鐵精礦741.84萬t/a，礦山露天開采服務(wù)年限40年，穩(wěn)產(chǎn)34年。采場東邊坡位于采場東部，自然邊坡最高標(biāo)高1 695 m，終了邊坡垂直高度為540 m，主要為11號礦體賦存部位。地表有第四系地層和灰?guī)r巖組，深部有片巖、變輝綠巖、石英巖、礦體等巖組互層，與邊坡傾向相反，局部呈塊狀。層面較陡，局部近80°。因?qū)用娣磧A，邊坡不易發(fā)生臺階的平面滑動，然后局部可能發(fā)生傾倒破壞模式；邊坡巖體主要為薄層逆坡結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)類型邊坡見圖1。

圖1 東邊坡整體立面

采場東邊坡1 635 m水平以上已經(jīng)靠幫。但在生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，1 665～1 635 m坡面局部出現(xiàn)了不規(guī)則溶洞，溶洞被泥沙充填，受雨水侵蝕表層泥沙已經(jīng)開始脫落，形成凹洞見圖2，充填物稱為不良地質(zhì)體。

圖2 東邊坡典型溶洞

1 礦區(qū)水文地質(zhì)及東邊坡工程地質(zhì)條件

本區(qū)屬溫帶大陸性氣候，雨量小、干旱，春季多風(fēng)砂。據(jù) 1960～1978 年統(tǒng)計，年平均氣溫為 6.9 ℃，一般一月最冷，最低月平均氣溫為零下 11.2 ℃，極端最低氣溫為零下 30.5 ℃；七月最熱，最高月平均氣溫 22.8 ℃，極端最高氣溫為 36.4 ℃。地下水含水層主要有第四系全新統(tǒng)沖洪積孔隙潛水含水層，第四系全新統(tǒng)殘坡積孔隙潛水含水層和前震旦系變質(zhì)巖風(fēng)化帶裂隙潛水含水層。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降雨的補(bǔ)給，逕流區(qū)與排泄區(qū)不明顯。位于侵蝕基準(zhǔn)確面以上的地下水多補(bǔ)給地表水，其補(bǔ)給途徑常表現(xiàn)為殘坡積層中孔隙潛水補(bǔ)給基巖裂隙水，而基巖裂隙水又以潛流和泉的形式補(bǔ)給河谷孔隙潛水，而二者又同為地表水補(bǔ)給來源之一[1]。

根據(jù)勘察報告現(xiàn)場踏勘，不良地質(zhì)體溶洞被土體充填滿，充填土體中含磨圓度較好的卵石，卵石粒徑一般為 10～30 mm，溶洞周圍巖體為石灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀為48°∠13°，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

洞體充填物，即卵石土計算的參數(shù)取值考慮如下：

1)含水狀態(tài)。充填體處于非飽和狀態(tài)，但是考慮雨季含水量增加的狀況，所以巖土物理參數(shù)取值時考慮的是雨季含水狀態(tài)(相當(dāng)于飽和度 70%～80%)。

2)密度。密度參照各種資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

3)抗剪強(qiáng)度。由于充填物為土含卵礫石，含卵礫石量相對較大，考慮室內(nèi)試驗(yàn)的尺寸條件，無法靠室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，又缺少野外原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以抗剪強(qiáng)度也參照種資料結(jié)合經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

4)參數(shù)表。穩(wěn)定性計算所用參數(shù)見表1。

表1 穩(wěn)定性計算參數(shù)表

2 東邊坡不良地質(zhì)體的綜合勘查方法

2.1 物探

采用高密度電阻率法，在1 665 m平臺和1 635 m平臺上分別布置測線，查明該不良地質(zhì)體的形狀規(guī)模及影響范圍。此次工程共布置7條測線。解譯成果見圖3。

圖3 高密度電阻率法解譯圖

2.2 槽探

在1 635 m水平上沿垂直于不良地質(zhì)體的走向布置探槽，以準(zhǔn)確查明該不良地質(zhì)體的走向及延伸趨勢。此次工程共布置8條探槽，見圖4。

2.3 鉆探

采用鉆探方法進(jìn)行有針對性的驗(yàn)證，判別溶洞產(chǎn)狀、地質(zhì)情況。在1 665 m水平上沿不良地質(zhì)體走向和預(yù)計采取工程施工處布置勘探孔，勘探孔的深度以進(jìn)入穩(wěn)定地層為終孔深度。此次工程共布置3個鉆孔，見圖4，鉆孔間距45～60 m，鉆孔距臺階邊緣距離約5.0 m，鉆孔深度35 m左右。揭露地層為完整程度不同的石灰?guī)r。

圖4 槽探、充填物及鉆孔巖心

2.4 不良地質(zhì)體的成因、規(guī)模及發(fā)展趨勢

通過工程地質(zhì)測繪、高密度電阻率法、槽探、鉆探等方法對東邊坡不良地質(zhì)體進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察，并使用3DMine軟件將東邊坡做成三維模型，研究其賦存形態(tài)，見圖5。

圖5 東邊坡的三維模型

1 635～1 665 m邊坡走向約35°，高度約30 m。溶洞在1 635～1 665 m坡面出露寬度約87.0 m，最高點(diǎn)高度約為16.8 m。該不良地質(zhì)體是由奧陶系的溶洞構(gòu)成，由黃土、卵石、砂礫巖及灰?guī)r組成，推測其卵石和砂礫石是隨著河系暗流經(jīng)長途沖刷搬運(yùn)至此，因此大部分小卵石的磨圓度較好，溶洞洞頂巖層彎曲塌落跡象明顯，洞頂巖層呈倒拱形且破碎。1 665～1 635 m坡面局部出現(xiàn)的不規(guī)則溶洞共有兩部分，在1 635 m水平以上，較大溶洞最長約63.6 m，最高約16.1 m，厚度最深為12.1 m；較小溶洞最長約23.4 m，最高約8.7 m，厚度最深為2.3 m。在1 635 m水平以下，兩部分溶洞的長度隨著平臺的推移均呈縮短趨勢，溶洞的容積均減小，且較大溶洞被灰?guī)r分割成若干小段。溶洞在邊坡出露區(qū)域北部，寬度變窄，走向轉(zhuǎn)為近南北向或北北東向，延伸出邊坡；溶洞在邊坡出露區(qū)域南部，寬度變窄，進(jìn)入坡體。

3 東邊坡的穩(wěn)定性

1)在整體穩(wěn)定的情況下，雨水從坡頂通過裂隙可進(jìn)入溶洞內(nèi)，劣化溶洞內(nèi)充填物，長期下來，對邊坡整體穩(wěn)定性存在安全隱患；

2)邊坡溶洞存在欠穩(wěn)定問題，邊坡開采后溶洞內(nèi)充填物出露且表面未進(jìn)行處理，日曬、雨水沖刷等容易形成沖溝、造成剝落，形成空腔后直接威脅邊坡的局部穩(wěn)定性；

綜上所述，東邊坡整體基本穩(wěn)定，局部欠穩(wěn)定。

4 安全治理工程

4.1 邊坡治理方案的確定

參考現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范并結(jié)合礦山實(shí)際情況，取安全系數(shù)為1.20，考慮爆破震動時取1.15。

采用錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，坡面布設(shè)泄水孔，坡腳布設(shè)排水溝的綜合治理方案。治理邊坡高度范圍內(nèi)無地下水。

4.2 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析方法

邊坡穩(wěn)定性定量計算的核心問題是邊坡安全系數(shù)的計算，極限平衡法是巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用最早、經(jīng)驗(yàn)積累最多的一種方法。因其計算簡便，并能定量地給出邊坡安全系數(shù)大小，成為目前礦山工程常用的分析方法。本次使用極限平衡法的畢肖普法。

在土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計算中, 由于滑動圓弧的圓心和半徑都是任意假定的, 計算出的安全系數(shù)不一定是最小的安全系數(shù), 所以需要多次試算, 假定多個滑裂面才能找到計算土坡的最小安全系數(shù)。本次計算使用slide的軟件進(jìn)行迭代計算。

(1)

(2)

4.3 錨桿設(shè)計[2]

根據(jù)非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB 51016-2014)8.4條：

1)錨桿的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值可按下式計算：

(3)

Na=1.3Nak

(4)

式中：Nak—錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Htk—錨桿水平拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；α—錨桿傾角，(°)；Na—錨桿軸向拉力設(shè)計值，kN。

2)錨桿鋼筋截面面積按下式計算：

(5)

式中：As—預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積，mm2；γ0—邊坡工程重要性系數(shù)，本工程取1.10；fy—預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，kPa。

3)錨索錨固體與地層的錨固長度按下式計算：

(6)

式中：la—錨固段長度，m；γ0—邊坡工程重要性系數(shù)，安全等級為一級的邊坡取1.1，安全等級為二級的邊坡取1.05，安全等級為二級的邊坡取1.0；D—錨固體直徑，m；frb—巖土層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值，kPa，應(yīng)通過試驗(yàn)確定；當(dāng)無試驗(yàn)資料時可按表2取值。

4)錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度按滿足下式要求：

(7)

式中：la—錨索與砂漿間的錨固長度，m；n—鋼筋根數(shù)(根)；d—錨桿鋼筋直徑；fb—鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值，kPa，應(yīng)由試驗(yàn)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時按表2取值。

表2 鋼筋、鋼絞線與砂漿之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值fb MPa

當(dāng)錨固段鋼筋和注漿材料采用特殊設(shè)計，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證錨固效果良好時，可適當(dāng)增加錨桿鋼筋用量。

5)最優(yōu)錨固角可按下式計算：

β=α-(45°+φ/2)

(8)

式中：β—最優(yōu)錨固角，(°)；α—滑動面傾角，(°)；φ—滑動面摩擦角或等效摩擦角,(°)。

4.4 安全治理工程施工

采用錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，坡面布設(shè)泄水孔，坡腳布設(shè)排水溝的綜合治理方案。根據(jù)充填物在邊坡上的分布厚度劃分為三個區(qū)域設(shè)計錨桿入巖長度，分為6、9、12 m，并實(shí)行分區(qū)治理施工，即Ⅰ區(qū)段、Ⅱ區(qū)段和Ⅲ區(qū)段：Ⅰ區(qū)段長約 41.8 m，坡高按 15.0 m 考慮；Ⅱ區(qū)段長約 25.5 m，坡高按 18.0 m 考慮；Ⅲ區(qū)段長約 27.7 m，坡高按 10.0 m 考慮。

施工分四個階段：清坡撬毛、石方挖運(yùn)；腳手架搭設(shè)，錨桿施工；鋼筋制作、掛網(wǎng)噴漿施工；泄水孔施工。

網(wǎng)格型布設(shè)錨桿，水平間距為 1.5～2.5 m，豎向間距 2.0 m，傾角 15°，孔徑150 mm，錨桿桿體采用鋼筋Φ25 螺紋鋼筋，錨桿長度 6.0～12.0 m。鋼筋網(wǎng)均采用單層雙向Φ8.0@200 mm×200 mm，外側(cè)采用 2E14 加壓筋。錨桿下入孔后 6 個小時內(nèi)必須注漿，注漿采用由孔底注漿的方式，注漿管端部至孔底的距離不大于 20 cm。為提高注漿效果，用水泥袋堵住孔口，進(jìn)行壓力注漿，注漿壓力為 0.4～0.6 MPa，中途不停灌。注漿量為 30 kg/m。面層采用混凝土噴射，厚度均為 100 mm，強(qiáng)度等級 C25。

在坡面上布設(shè)泄水孔，孔徑 100 mm，孔深 6.0 m，內(nèi)設(shè) 6.2 m 長 75PPR 管做泄水管，外裹雙層鍍鋅鐵絲密目網(wǎng)(18#目)，孔內(nèi) 5.0 m 內(nèi)管上布設(shè)梅花型小孔，孔徑 10 mm，間距 200 mm。泄水孔位置的容許偏差為 100 mm，傾角偏差為 1°。在 PPR 管下入前應(yīng)用高壓空氣清孔和檢查泄水孔。

為避免雨季期噴漿后被雨水沖刷造成強(qiáng)度降低或補(bǔ)噴，灌漿材料采用 P.O42.5 水泥(水灰比 0.5)，其氯化物和硫酸鹽等有害物質(zhì)含量按重量記不得大于 1%，以防止錨桿被腐蝕，既提高了水泥結(jié)合體強(qiáng)度，又縮短了混凝土凝固時間，小成本收獲大成效。

此次治理工程量為：錨桿269根，共2 949 m；泄水孔80個，共480 m；掛網(wǎng)噴射混凝土1 262 m2。

5 治理后效果

對該不良地質(zhì)體實(shí)施了安全有效的治理工程，保證了東邊坡的穩(wěn)定性及安全性，避免局部邊坡坍塌帶來的整體邊坡失穩(wěn)，消除了地質(zhì)災(zāi)害隱患；同時對東邊坡進(jìn)行了防排水處理，符合了邊坡工程質(zhì)量技術(shù)規(guī)范；既使得東邊坡的觀感質(zhì)量變好，又保障了坡腳過往人員及車輛的安全通行。治理后效果見圖6。

圖6 東邊坡治理后效果

6 布設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)

在東幫建立了在線監(jiān)測系統(tǒng)。在東邊坡施工了一個深度為200 m的監(jiān)測孔，建立了一個深部位移監(jiān)測點(diǎn)、3個地表位移監(jiān)測點(diǎn)和一個水位監(jiān)測點(diǎn)，來監(jiān)測重要邊坡的地下水位和采場的降雨量。同時建立了數(shù)據(jù)自動采集和自動監(jiān)測分析系統(tǒng)，對邊坡部位實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測。

7 結(jié)語

1)槽探、物探及鉆探多種勘探方法的綜合利用，大幅度減少了地質(zhì)鉆孔勘探的工程量，降低了不良地質(zhì)體地質(zhì)勘察的成本，同時也充分發(fā)揮了各種勘察手段的優(yōu)勢，詳盡查明了不良地質(zhì)體的分布范圍、規(guī)模、分布特征。

2)采用錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，坡面布設(shè)泄水孔，坡腳布設(shè)排水溝的綜合治理方案。根據(jù)充填物在邊坡上的分布厚度設(shè)計錨桿入巖長度，并實(shí)行分區(qū)治理施工，既保證了治理工程質(zhì)量和安全，又大幅度降低了治理成本。

3)通過對終了邊坡在線實(shí)時在線監(jiān)測，即滿足了規(guī)范要求，又能發(fā)布預(yù)警，實(shí)現(xiàn)邊坡的安全與穩(wěn)定。