不良地質(zhì)作用對金屬礦山邊坡穩(wěn)定性影響及防治措施

劉雙辰

(中冀建勘集團有限公司， 河北 石家莊 050200)

1 前言

隨著中國社會經(jīng)濟進入新一輪的高速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求愈發(fā)強烈，資源的開發(fā)也逐步向深部探采。在我國金屬礦山的開采中，露天開采方式占比很大，約有50%的資源來自于露采礦山[1]。隨著露采礦山向深部大規(guī)模、高強度開發(fā)，高邊坡帶來的災(zāi)害問題極大影響了礦山的安全高效開采[2-3]。邊坡的穩(wěn)定性不僅與其巖體自身強度與結(jié)構(gòu)相關(guān)[4-5]，更與其所在地質(zhì)條件相關(guān)[6-9]。復(fù)雜甚至不良地質(zhì)作用不僅能夠破壞邊坡的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對于邊坡巖體性質(zhì)也產(chǎn)生了劣化作用。因此，許多專家學(xué)者對此開展了大量科研工作。安太堡露天礦存在較陡背斜區(qū)，易發(fā)生順層滑坡事故，薛萬海[10]通過采用極限平衡法分析了邊坡穩(wěn)定程度，提出了排土壓腳，誘導(dǎo)應(yīng)力釋放等有效措施保證了生產(chǎn)安全。梁凱河[11]利用鉆孔攝像測試、聲波測試等先進手段對甲瑪銅多金屬礦二期南幫高邊坡巖體結(jié)構(gòu)面特征、巖體質(zhì)量進行了分析，評估了邊坡穩(wěn)定性，提出了一種有效承載邊坡角。趙春波[12]通過對烏努格吐山銅鉬礦的深凹露采邊坡的工程地質(zhì)進行分區(qū)，劃分出5個地質(zhì)特征區(qū)，依據(jù)各自不同特征進行針對性防治與監(jiān)測。竇思軍[13]針對大型金屬露天礦山邊坡災(zāi)害問題，提出了利用多種錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護手段為主，改善邊坡自身環(huán)境為輔的治理策略。上述研究針對不良地質(zhì)體對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了分析，并據(jù)此提出了合理的防控措施，本文深入探討了不同種類不良地質(zhì)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響因素，同時針對性地提出邊坡有效處理措施。

2 不良地質(zhì)作用對邊坡穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵因素分析

不良地質(zhì)作用主要是指在地球地質(zhì)內(nèi)應(yīng)力或外應(yīng)力作用下產(chǎn)生的對工程有危害的地質(zhì)作用。對于礦山而言，主要的不良地質(zhì)作用包括了斷層活化、地震活動、復(fù)雜采空區(qū)等。不良地質(zhì)作用在破壞邊坡結(jié)構(gòu)的同時，對巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理性質(zhì)都產(chǎn)生了不良影響。同時在多種不良因素相互作用下，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)可能發(fā)生破壞。

2.1 斷層活化對邊坡穩(wěn)定性的影響

斷層構(gòu)造由于其賦存狀態(tài)、運動形態(tài)及發(fā)育程度對邊坡穩(wěn)定性都存在較大影響。斷層組成各要素中，斷層滑移帶的敏度最高，其巖性最差，破壞條件最低，在受外界干擾時，其最先發(fā)生破壞。正因為如此，在邊坡中存在易發(fā)生活化的斷層，易誘發(fā)形成順層滑坡、彎曲傾倒等，圖1所示為貫穿斷層在邊坡中的簡化模型。

圖1 簡化模型

在邊坡中存在貫穿斷層時，斷層存在平移斷層、正斷層、逆斷層等幾個不同形成形態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷層為平移斷層時，距斷層越遠，邊坡滑幫穩(wěn)定性系數(shù)越大，在足夠遠處變化不再明顯[13]。而邊坡中存在的斷層為正斷層時，能夠起到抑制滑坡的孕育，逆斷層則能起到促進作用。

在邊坡中若斷層為隱伏形態(tài)，同時存在弱面，則其邊坡破壞形式形成一種組合型新形態(tài)。圖2所示為隱伏斷層與弱面互存時破壞示意圖。在隱伏斷層不直接參與作為滑面的主導(dǎo)因素時，其影響主要改變了弱面的性態(tài)，間接地影響了邊坡的穩(wěn)定性。隱伏斷層參與后，潛在的滑坡模式主要表現(xiàn)為“斷層+弱面圓弧+直線”或“斷層+弱面圓弧”兩種形式[14]。

圖2 隱伏斷層與弱面互存時破壞示意圖

2.2 地震活動對邊坡穩(wěn)定性的影響

地震活動對于任何工程體均存在巨大危害,其危害主要體現(xiàn)在地震活動中及震后耦合破壞兩個方面,特別是對于高邊坡、壩體、路基等影響更大。

在分析地震影響時，從地震活動中及震后耦合破壞兩個方面分別進行探討。在活動時地震對邊坡穩(wěn)定性的影響可以從邊坡的地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、地形地貌等方面進行分析。而震后耦合破壞主要考慮水對破裂巖體的影響作用。

1)邊坡的地質(zhì)條件

一般地震發(fā)生于大斷裂帶附近，如果邊坡位于發(fā)生地震斷層附近，則巨大的能量釋放對邊坡穩(wěn)定性而言勢必是毀滅性的。如果邊坡距震源較遠，且位于地震的弱傳遞方向或者傳遞方向上存在地下弱結(jié)構(gòu)體，斷層破碎帶及弱結(jié)構(gòu)體的吸能變形特性，對地震波的傳播起到了緩沖甚至反向消減作用，對于維持邊坡穩(wěn)定性而言是有利的。

2)邊坡巖體結(jié)構(gòu)

邊坡巖體結(jié)構(gòu)整體較好，呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)時，其力學(xué)性能好、強度高，能夠在一定時間及程度上抵御地震的影響。若邊坡的巖石結(jié)構(gòu)較差，存在散體結(jié)構(gòu)，其本身膠結(jié)程度差，力學(xué)性能及強度低，受地震影響極易形成大規(guī)模的滑坡、泥石流等災(zāi)害。

3)地形地貌

在影響邊坡穩(wěn)定性的地形地貌條件主要表現(xiàn)在邊坡的高度、坡形兩個方面。在地震到達邊坡時，坡度越高，其巖石受地震波影響越嚴(yán)重，最上部巖體破壞后向下能夠引發(fā)系列破壞。而在坡形方面，據(jù)大量事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，直線坡受到地震波的影響較凹坡、凸坡要小得多。

4)震后水- 力耦合

震后部分邊坡巖體發(fā)生了破壞，出現(xiàn)連續(xù)、貫通的節(jié)理裂隙，此時已經(jīng)在邊坡形成了弱面條件。如果此時在邊坡出現(xiàn)較大規(guī)模降雨，雨水將進一步加速邊坡失穩(wěn)。當(dāng)雨水進入破裂巖體后，其自身的靜水壓力增加了節(jié)理上的法向壓力，加速了巖體破裂。同時流水的沖刷作用對節(jié)理中的膠結(jié)物進行了掏蝕、溶蝕作用，進一步破碎了邊坡結(jié)構(gòu)。此外，對于邊坡中未貫通節(jié)理，降水也加速其貫通與塑性區(qū)擴展。

2.3 復(fù)雜采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響

由于露天礦山規(guī)模大，金屬富集集中，周圍存在盜采、偷采、殘采等現(xiàn)象，造成邊坡周圍存在較多形態(tài)復(fù)雜的空區(qū)。隨著開采深入，空區(qū)存在可能引發(fā)邊坡變形、滑坡等災(zāi)害，將嚴(yán)重威脅礦山生產(chǎn)及人員生命安全。

隨著露天開采向深部進行，應(yīng)力平衡將被打破，應(yīng)力重新分布。當(dāng)空區(qū)位于邊坡滑動面之上時，受弱滑動面影響，采空區(qū)的頂?shù)装迦菀壮霈F(xiàn)應(yīng)力集中。如圖3a所示，剪應(yīng)變帶出現(xiàn)了向采空區(qū)位置擴展現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于采空區(qū)減輕了覆巖自重，在摩擦力和黏聚力不變時，下滑力相應(yīng)減小。

當(dāng)采空區(qū)處于邊坡滑動面下時，由于弱面的墊層作用，采空區(qū)的上下部應(yīng)力出現(xiàn)了對稱，與無空區(qū)相差不大。如圖3b所示，剪切應(yīng)變帶與無空區(qū)條件時相差也不大，主要是因為采空區(qū)與滑動弱面的距離相差較遠，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力受采空區(qū)及采動影響甚微。

圖3 采空區(qū)在滑動面不同位置剪應(yīng)變增量云圖

當(dāng)邊坡滑動面正好穿過采空區(qū)時，滑動弱面導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，與之垂直的頂?shù)装暹B線出現(xiàn)較大應(yīng)力集中。如圖3c所示，剪應(yīng)變帶此時也經(jīng)過采空區(qū)，能夠形成明顯的弱面滑動。造成這種情況的原因主要是因為采空區(qū)的存在降低了弱面的黏結(jié)力與下滑力，采空區(qū)面積越大，弱面的黏結(jié)力越差，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性越差[15]。

3 不良地質(zhì)作用引發(fā)邊坡災(zāi)害的防治措施

3.1 削坡壓腳

不良地質(zhì)作用對于邊坡的影響可能引發(fā)的邊坡災(zāi)害主要體現(xiàn)在邊坡的坡面及坡腳的破壞上，如果條件允許時，應(yīng)盡可能優(yōu)先考慮進行削坡、排土壓腳。

通過進行削坡處理能夠在一定程度上緩解邊坡壓力，對其巖體進行有效卸壓。同時改造邊坡的坡形、坡度、高度，提升邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善邊坡巖體性質(zhì)。在對邊坡進行削坡處理后，進一步對弱面滑動體的坡腳進行加固，利用削坡排下的巖土體對坡腳進行加固處理。

使用削坡壓腳處理，不僅通過削坡進行了覆巖重力的減輕，大大減少了邊坡下滑力，同時利用排出的巖土體對薄弱的坡腳結(jié)構(gòu)進行回填壓腳提高了邊坡的抗滑能力，大大提高了邊坡的穩(wěn)定性。如圖4、5所示為某礦邊坡削坡壓腳處理的設(shè)計圖及效果圖。

圖4 削坡設(shè)計圖

圖5 削坡后剖面示意圖

3.2 加強錨固

在無法進行削坡壓腳處理時，應(yīng)考慮通過改善邊坡應(yīng)力環(huán)境，提高邊坡巖體強度來提高邊坡穩(wěn)定性。使用預(yù)應(yīng)力錨索、注漿錨索、錨噴等措施能夠提供有效的支護力，同時能夠充分發(fā)揮邊坡巖體的自穩(wěn)能力。

1)預(yù)應(yīng)力錨索支護

作為邊坡治理中最為有效的措施之一，預(yù)應(yīng)力錨索支護方法施工簡單，經(jīng)濟效益顯著，同時能夠有效改善邊坡應(yīng)力環(huán)境，減少治理工程量，大大增加邊坡穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力錨索支護主要有拉張、壓力兩種類型，通過將錨索打入深層穩(wěn)固巖體，充分發(fā)揮其懸吊作用。同時需要在邊坡表面設(shè)計能夠承載預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)固地梁，施工過程中為達到設(shè)計目標(biāo)，必須嚴(yán)格遵循預(yù)應(yīng)力錨桿施工過程中的“先固結(jié)、慢鉆進、快錨固”的原則。

2)注漿錨索加固支護

在遇到巖體條件較差的邊坡時，普通錨索支護效果很差，主要原因是邊坡松動區(qū)范圍大，普通錨索有效錨固范圍遠小于其需支護范圍，同時，大范圍的松動區(qū)使錨索無法形成有效著力支撐，從而很難實現(xiàn)有效支護。

注漿能夠使?jié){液充填松動區(qū)裂隙，將松散巖體黏結(jié)成為一個整體。同時，達到隔絕空氣，防止風(fēng)化目的。注漿后的圍巖完整性、連續(xù)性得到一定恢復(fù)，但承載能力仍然不能恢復(fù)到原始強度。因此在注漿后，仍需采用錨索對圍巖進行加固支護，改善其應(yīng)力環(huán)境，提高圍巖強度。

3)錨噴支護

錨噴支護是邊坡地質(zhì)災(zāi)害治理中應(yīng)用最為廣泛治理手段之一，主要包括了兩個步驟：錨固、噴射混凝土。使用噴射混凝土能夠?qū)︼L(fēng)化巖體進行封閉，使其強度不再繼續(xù)降低，同時形成的混凝土殼體為巖體形成了三維應(yīng)力邊界，大大提高了巖石的強度。共同使用錨索與噴射混凝土，在一定程度上恢復(fù)甚至提高了邊坡巖體的巖體性質(zhì)，改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境。

4 工程實踐

某露天礦山邊坡上半部分由灰綠色英安巖構(gòu)成，強度高，但易受斷層、風(fēng)化影響，穩(wěn)定性差。下半部分由含硅流紋巖構(gòu)成，同樣強度高，但遇水易膨脹，穩(wěn)固性極差。在礦區(qū)分布有三條大斷層，并在其周圍叢生許多小斷層。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，主要以裂隙充水為主。

由于斷層活化、邊坡遇水膨脹等問題存在，使得邊坡穩(wěn)定性大大降低，邊坡在開采過程中變形情況嚴(yán)重，需要進行大量返修工程，開采安全性難以得到保障。

因此根據(jù)礦山采礦技術(shù)條件，根據(jù)上文對不良地質(zhì)條件對邊坡分析影響及治理措施，在保證安全的前提下，遵循技術(shù)可行經(jīng)濟最優(yōu)原則，提出了針對性的邊坡變形失穩(wěn)治理方案。主要思路是采用削坡壓腳為主，輔以加強錨固，因此提出上部削坡卸載+坡腳注漿壓石+預(yù)應(yīng)力錨索。

上坡段削坡主要是減小下滑力，削坡位置要達到潛在軟弱面，從源頭上對進行控制。坡腳注漿壓石是為了增加邊坡抗滑能力，通過注漿加固坡腳抗剪切強度，通過壓石增加法向應(yīng)力，進一步增大抗剪切強度，削坡壓腳施工現(xiàn)場如圖6所示。通過削坡壓腳大大減小了邊坡發(fā)生滑動的可能。同時為防止斷層活化加劇邊坡的整體滑移，需要對削坡的邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索加固，具體施工現(xiàn)場如圖7所示，進一步保障工程安全。

圖6 削坡壓腳施工現(xiàn)場

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索施工現(xiàn)場

經(jīng)過實踐，該方法能較好地控制邊坡變形及滑移，大大減小了發(fā)生工程災(zāi)害的風(fēng)險。

5 結(jié)論

(1)綜合分析了不同類型不良地質(zhì)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。對金屬露采而言，最主要的不良地質(zhì)作用包括斷層活化、地震活動、復(fù)雜采空區(qū)。其中斷層活化對邊坡穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)在其賦存狀態(tài)、運動形態(tài)及發(fā)育程度上。貫通斷層中存在平移斷層時，邊坡穩(wěn)定的臨界傾角較大，而正斷層抑制邊坡失穩(wěn)過程發(fā)生，逆斷層則起到促進作用。地震活動對邊坡穩(wěn)定性的危害主要體現(xiàn)在地震活動發(fā)生中及震后水- 力耦合破壞兩個方面上。在地震活動中，邊坡的地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、地形地貌都會與地震活動相互作用，危害邊坡穩(wěn)定性；而震后水- 力耦合作用則體現(xiàn)在施加靜水壓，流水掏蝕、溶蝕方面。復(fù)雜采空區(qū)的危害主要體現(xiàn)在空區(qū)與弱滑動面的作用耦合上，通過空區(qū)形態(tài)、位置等對弱滑動面的膠結(jié)力、下滑力產(chǎn)生影響從而影響邊坡穩(wěn)定性。

(2)通過分析不良地質(zhì)體地邊坡穩(wěn)定性的影響因素，進一步提出針對性防治措施。不良地質(zhì)作用對邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在對邊坡形態(tài)及邊坡內(nèi)弱結(jié)構(gòu)體的影響，因此提出了削坡壓腳、加強錨固兩項針對性措施。使用削坡壓腳既改變了邊坡的形態(tài)、減緩了弱結(jié)構(gòu)面法向壓力，減弱了下滑力，同時在最薄弱的坡腳進行壓腳處理，提高了抗滑力，從而保持了邊坡穩(wěn)定性。而使用加強錨固主要是通過主動支護，改善了邊坡巖體的應(yīng)力環(huán)境，提高了圍巖自承能力，同時進一步加強了巖體形態(tài)，從根本上對邊坡穩(wěn)定性進行了維護。

(3)對存在不良地質(zhì)作用的邊坡進行治理，提出了上部削坡卸載+坡腳注漿壓石+預(yù)應(yīng)力錨索的治理方案，經(jīng)實踐證明，針對性方案能夠有效控制邊坡變形，減小災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險。