城門山銅礦邊坡穩(wěn)定性分析與治理研究

羅來林，張 強(qiáng)，張可能，胡豐云，王利崗

（1.江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦，江西 九江 332100；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083；4.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 引言

城門山銅礦礦床位于長江中下游鐵銅成礦帶-大冶-九江成礦亞帶之東南部，是九江-瑞昌地區(qū)一個大型“三位一體”的銅(鉬)礦。目前，城門山銅礦露天采場已開采至-130 m 標(biāo)高，隨著采剝深度的不斷延伸，采場邊坡高度將超過400 m，形成典型的露天礦山高陡邊坡［1］。然而，高陡邊坡的穩(wěn)定性會影響開采活動的正常開展，甚至威脅人員的生命安全。

城門山南部局部邊坡在前期已發(fā)生多次失穩(wěn)滑移現(xiàn)象。2018 年5 月，礦山南部運(yùn)輸主干道+38 m標(biāo)高附近的折返路段，發(fā)現(xiàn)邊坡開裂縫，變形縫走向長約100 m。變形開裂預(yù)示著邊坡穩(wěn)定性存在風(fēng)險。此后，該區(qū)域邊坡在+38 m、+26 m、+14 m 標(biāo)高平臺均發(fā)生開裂，邊坡臺階垮塌。在2020 年6月至7 月期間，持續(xù)集中暴雨，露天采場南部局部+38 m 至-58 m 邊坡自6 月22 日起出現(xiàn)較大范圍變形量，直至7 月7 日，邊坡滑動位移范圍持續(xù)增大和擴(kuò)展，該區(qū)域變形裂縫貫穿采場運(yùn)輸主干道。為了保障采剝工作正常推進(jìn)，對該南部邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評估并制定邊坡治理優(yōu)化方案迫在眉睫。

本文以城門山南部的局部邊坡為研究對象，采用工程類比法，通過理論分析結(jié)合基于有限元分析的Midas/GTS 分析軟件，以南部邊坡前期鉆孔資料建立三維分析模型［2-3］。在外部不利影響條件相同的情況下，分析了三種不同治理方案的邊坡穩(wěn)定性，提出了最有利于采區(qū)邊坡穩(wěn)定性的方案，為現(xiàn)場的正常生產(chǎn)提供了有效的安全保障。

2 工程地質(zhì)特征

城門山銅礦礦區(qū)位于長山-城門湖背斜北翼東段近傾伏端處，是山嶺湖濱過渡帶，面積2.72 km2。礦區(qū)南部和東部為城門山-銼山，最高標(biāo)高為147.8 m（也即礦區(qū)最高標(biāo)高），礦區(qū)西面、北面為賽湖，西南面為城門湖，湖區(qū)最低標(biāo)高為13.0 m。

次級橫跨褶皺與NEE 向、NW 向、NNE 向三組斷裂構(gòu)成礦區(qū)構(gòu)造格架，控制著巖體及礦體的產(chǎn)出；層間破碎帶、裂隙帶、接觸帶構(gòu)造控制著礦體的展布。地層從上到下依次為：微風(fēng)化細(xì)砂巖、中風(fēng)化細(xì)砂巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥頁巖、強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化石英角巖、構(gòu)造角礫巖、灰?guī)r（見圖1）。地層產(chǎn)狀從志留系到三疊系除局部受斷裂及次級褶皺影響外，整體走向?yàn)?0°左右，傾向?yàn)镹W，傾角為45～60°。

圖1 城門山南部邊坡地質(zhì)示意圖

3 邊坡破壞體調(diào)查與分析

3.1 邊坡破壞體調(diào)查

南部邊坡研究區(qū)域的標(biāo)高范圍是+38 m 至-82 m，沿走向方向長約為130 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上部+14 m 至-58 m 范圍內(nèi)的巖土體為南部邊坡主要失穩(wěn)區(qū)域，且失穩(wěn)區(qū)域均有裂縫，+14 m 平臺上的裂縫寬度10～20 cm，最大裂縫寬度達(dá)到30 cm。-58 m 平臺上的裂縫寬度較小，但裂縫兩側(cè)土體存在高程上的錯動。-58 m 平臺下部的巖土體為主要阻滑部分。由于上部巖土體的失穩(wěn)，導(dǎo)致上部產(chǎn)生拉裂縫，上部巖體向下錯動變形，擠壓下部巖體，下部巖體受到后方巖體的變形以及下滑推力，發(fā)生一定的形變錯動，導(dǎo)致-58 m 平臺的裂縫產(chǎn)生。此外，各平臺上原有排水溝，存在地表徑流，地表土含水率較高，腳踩易沉陷；同時滑體兩側(cè)存在明顯的剪切帶，巖土體強(qiáng)度較低。

3.2 邊坡破壞分析

（1）圓弧型破壞［4］：表土、廢石堆、碎裂或散體結(jié)構(gòu)巖石的常見破壞模式，破壞面縱橫剖面均為近似圓弧形。南部邊坡的+14 m至-10 m、-34 m至-58 m平臺范圍內(nèi)，整體潛在滑動面為圓弧形滑動面。

（2）楔形體破壞［5］：邊坡巖體中有兩組結(jié)構(gòu)面與邊坡相交，將巖體相互交切成楔形體破壞滑動。此種破壞類型在采場中少見，其規(guī)模受結(jié)構(gòu)面規(guī)?？刂?，主要分布在局部臺階邊坡處。

（3）局部沖溝破壞［6］：沖溝是由間斷流水在地表沖刷形成的溝槽。雖然平臺上設(shè)有排水溝，但采區(qū)內(nèi)的排水系統(tǒng)尚未完全形成，強(qiáng)風(fēng)化巖石在雨水的沖刷下，極易形成匯流，破壞沖溝。

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征和現(xiàn)場調(diào)查可知，南部邊坡存在多種破壞模式。邊坡破壞體的形成原因主要是巖體風(fēng)化程度高，巖石強(qiáng)度低。南部局部邊坡體受到降雨入滲影響之后，巖土體遇水軟化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低；由上文可知，+14 m 平臺的最大裂縫寬度達(dá)30 cm，再經(jīng)雨水作用巖體結(jié)構(gòu)面被軟化，降低其抗剪強(qiáng)度。此外，坡體內(nèi)部存在多角度結(jié)構(gòu)面的相互切割巖土體，邊坡整體完整度較低。當(dāng)上部巖土體強(qiáng)度下降到一定程度時，南部邊坡會發(fā)生整體性失穩(wěn)，表現(xiàn)出以圓弧型破壞為主，局部表現(xiàn)為楔形體破壞的破壞模式。

4 穩(wěn)定性分析與破壞特征

4.1 建立地質(zhì)分析模型

根據(jù)對采場南部邊坡的現(xiàn)場調(diào)查和勘探資料，全面分析邊坡的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件對邊坡的形態(tài)特征、變形特征的影響。為了更準(zhǔn)確地掌握邊坡的地質(zhì)現(xiàn)況，基于前期的勘查資料，在南部邊坡重新布置了一條典型的縱向剖面線，補(bǔ)鉆三個鉆孔BK1 至BK3。根據(jù)鉆孔BK1 至BK3 的鉆孔地質(zhì)資料繪制剖面圖，并選用該剖面作為典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計算，如圖2 所示。

圖2 1-1’剖面圖

4.2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算

采用理正軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量計算。經(jīng)綜合分析，該邊坡的整體破壞模式為局部圓弧滑動的折線型滑坡，故采用Janbu 法進(jìn)行穩(wěn)定性計算與分析［7-8］，計算結(jié)果見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由于理正軟件只能計算單純的圓弧型或折線型滑動面，計算結(jié)果介于二者之間，雖不夠精確但對南部邊坡穩(wěn)定性判斷能提供一定的參考。根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014），目前南部邊坡高度為120 m，由于南部邊坡中部有運(yùn)輸主干道，下部有作業(yè)采區(qū)，一旦發(fā)生滑坡可能造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，綜合評定邊坡危害等級為I 級，邊坡工程安全等級為I 級。按要求，邊坡危害等級為I 級的邊坡采用I 級荷載組合，安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.20～1.25。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)要求，安全等級為I 級的邊坡工程安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.35 以上。由此可知，南部邊坡雖處于穩(wěn)定狀態(tài)，但外部條件有較大變化時，如強(qiáng)降雨、爆破震動、車輛荷載等條件耦合影響下，發(fā)生邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險較高。

4.3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析與評價

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性定量計算結(jié)果，相比于圓弧滑動，沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑動的可能性大，且不滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)要求。

由圖3 可知，該分析區(qū)域自2020 年6 月22 日起開始出現(xiàn)較大范圍變形，尤其是在6 月至7 月期間產(chǎn)生了較大的位移，直接原因是極端暴雨天氣導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)變形的現(xiàn)象。

圖3 位移監(jiān)測曲線

目前，該邊坡位移變化雖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但由于繼續(xù)風(fēng)化導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度下降，若再次出現(xiàn)極端天氣，該邊坡依然可能會發(fā)生失穩(wěn)變形，甚至整體滑動，不能滿足礦山安全要求。此外，該邊坡前期發(fā)生過較大位移的破壞，巖土體的強(qiáng)度會有所降低，極有可能發(fā)生二次破壞。因此，對南部邊坡進(jìn)行治理有重要意義。

5 邊坡應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值分析

5.1 模型建立

采用有限元分析軟件Midas/GTS 建立南部邊坡的三維有限元分析模型，通過數(shù)值模擬［9-10］開展南部邊坡的應(yīng)力-應(yīng)變分析，從而明確南部邊坡的失穩(wěn)破壞區(qū)域，以確定現(xiàn)場需要治理的范圍。模擬計算中基于以下四條基本條件：（1）實(shí)際地層是復(fù)雜起伏的，呈各向異性；（2）考慮地下水的影響；（3）表層巖土性質(zhì)較差的巖土體采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，下部巖土性質(zhì)較強(qiáng)的巖土體采用廣義霍克布朗破壞準(zhǔn)則；（4）荷載主要考慮巖土體自重。

建立本模型的意圖是分析露天采場南部邊坡在自重和地下水條件下的穩(wěn)定性。考慮到邊坡走向方向的變化對邊坡穩(wěn)定性影響較小，故在建模過程中采用平面應(yīng)變問題進(jìn)行簡化分析。模型上下范圍：模型的地表范圍為+50 m～-80 m，為利于模型內(nèi)力收斂，-80 m 平臺下方預(yù)留150 m 的計算空間。模型整體高度為280 m，長度為600 m。數(shù)值模擬分析模型如圖4 所示。

圖4 Midas 計算模型

為了使所建的三維模型與城門山露天采場南部邊坡的實(shí)際情況相符，對于風(fēng)化較嚴(yán)重的地表淺層巖土體采用摩爾-庫倫材料模型，風(fēng)化程度較低的地層采用霍克-布朗材料模型。在數(shù)值計算的過程中將不同類型的巖土體賦予不同的材料模型，具體材料參數(shù)見表3、表4。依據(jù)原有勘察資料，地下水條件為地表以下30～40 m 位置。

表2 摩爾-庫倫材料模型參數(shù)表

表3 霍克-布朗材料模型參數(shù)表

5.2 邊坡應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)值計算結(jié)果分析

通過Midas/GTS 數(shù)值模擬計算軟件建立南部邊坡的三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果與穩(wěn)定性計算結(jié)果基本相符。由圖5 可知，上部的中風(fēng)化細(xì)砂巖地層為主要的滑動體，下部的強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥質(zhì)粉砂巖為主要的變形卸荷的地層，與構(gòu)造角礫巖（即F1斷層）一同承擔(dān)上部的荷載，是主要的阻滑部分。在現(xiàn)場的表現(xiàn)為上部+14 m 平臺出現(xiàn)拉裂縫，同-10 m 和-34 m 平臺的巖土體整體滑移，擠壓-58 m 以及深層的巖土體，導(dǎo)致-58 m 平臺出現(xiàn)剪切裂縫。由于下部巖體為主要的阻滑位置，在巖質(zhì)邊坡中可以定義為“關(guān)鍵塊體”。根據(jù)巖體力學(xué)中“關(guān)鍵塊體”理論，有必要對下部的“關(guān)鍵塊體”進(jìn)行處治以提高南部邊坡的整體穩(wěn)定性。

圖5 自重條件下位移計算結(jié)果

6 邊坡不穩(wěn)定塊體處治理方案

6.1 南部邊坡初步治理方案設(shè)計

根據(jù)計算結(jié)果，南部邊坡將分為兩個臺階區(qū)域進(jìn)行治理，主要是采用削坡減載與堆載反壓結(jié)合的方式進(jìn)行治理，如圖6 所示。上部+14 m 至-10 m平臺區(qū)域范圍內(nèi)為主要的失穩(wěn)區(qū)域，采用削坡減載的方式進(jìn)行治理；下部-58 m 至-82 m 平臺區(qū)域范圍內(nèi)為阻滑位置，采用堆載反壓的方式進(jìn)行治理，上部削坡減載的巖土用于下部堆載反壓。

圖6 南部邊坡治理區(qū)域平面布置圖

（1）上部削坡減載施工方案

開挖范圍為+14 m 整個平臺范圍，以及-10 m、-34 m 平臺的部分范圍。在剖面圖上表示為+14 m平臺的上一級平臺的坡腳位置至+14 m 平臺的坡腳位置，-10 m 平臺開挖至-34 m 平臺坡頂位置，開挖的高程范圍為+14 m 至-34 m。開挖后形成兩級臺階，+14 m 臺階預(yù)留20 m 的臺階寬度，-10 m 臺階預(yù)留10 m 的臺階寬度，水平方向的投影長度均為45 m。

（2）下部堆載反壓施工方案

經(jīng)數(shù)值模擬軟件分析，發(fā)現(xiàn)-58 m 至-82 m 平臺區(qū)域范圍內(nèi)是南部邊坡主要失穩(wěn)破壞位置，采用堆載反壓的方式進(jìn)行治理。堆載范圍為-34 m 至-82 m平臺，頂部-34 m 平臺的頂寬為10 m，底部至-82 m平臺底寬為40 m，最終邊坡坡比為1:2.6，水平方向的投影長度為120 m。

可利用邊坡上部+14 m 至-34 m 削坡工程挖除的土方作為填筑土料，不足部分可采用附近開挖作業(yè)產(chǎn)生的合格土料進(jìn)行填筑。土料的選擇原則為：（1）選擇運(yùn)輸距離短、運(yùn)輸方便的料場，以節(jié)約成本；（2）保證土料的質(zhì)量，應(yīng)滿足填筑施工的要求；（3）土料的開挖不得影響礦山的正常施工作業(yè)。

6.2 治理方案優(yōu)化

根據(jù)城門山露天采場的五年規(guī)劃，綜合施工便利性以及工程造價等方面因素，在總體的削坡減載-堆載反壓的基礎(chǔ)上，共提供了三個選擇方案，如圖7 所示。

圖7 治理方案示意圖

（1）方案一：開挖范圍為+14 m 平臺的整個平臺范圍，在剖面圖上表示為+14 m 平臺的上一級平臺的坡腳位置至+14 m 平臺的坡腳位置。開挖的高程范圍為+14 m 至-10 m，開挖后形成一級臺階。堆載范圍為-34 m 至-82 m 平臺范圍，分兩級臺階堆載。

（2）方案二：開挖范圍為+14 m 平臺的整個平臺范圍，在剖面圖上表示為+14 m 平臺的上一級平臺的坡腳位置至+14 m 平臺的坡腳位置。開挖的高程范圍為+14 m 至-10 m，開挖后形成一級臺階。堆載范圍為-34 m 至-82 m 平臺范圍，分三級臺階堆載，各級平臺位置留有余寬為12 m。

（3）方案三：開挖范圍為+14 m 平臺的整個平臺范圍以及-10 m、-34 m 平臺的部分范圍，在剖面圖上表示為+14m 平臺的上一級平臺的坡腳位置至+14 m 平臺的坡腳位置，-10 m 平臺開挖至-34 m平臺坡頂位置。堆載范圍為-34 m 至-82 m 平臺范圍，頂部-34 m 平臺的頂寬為10 m，底部至-82 m平臺底寬為40 m。

6.3 方案對比

對南部邊坡區(qū)域設(shè)計了三個治理方案，并對挖填方量、最終坡腳、施工便利性等方面進(jìn)行對比，結(jié)果如表4 所示。

表4 方案比選

由表4 可知，方案一挖填方量適中，且施工便利過程中無多次放坡，所需的施工時間短。但施工完成后的平臺數(shù)較少，難以滿足生產(chǎn)運(yùn)營的運(yùn)輸需求，不推薦。方案二采取多級放坡的形式進(jìn)行治理，能夠保證生產(chǎn)運(yùn)營過程中的穩(wěn)定性。挖填方量基本平衡，預(yù)計工程費(fèi)用較低。保留原有的臺階，每級臺階留有運(yùn)輸寬度以及后期維護(hù)保養(yǎng)的寬度，較少侵占-82 m 平臺。與方案一和方案二相比，方案三挖方量最高，增加了相應(yīng)的工程成本。考慮到南部邊坡抗風(fēng)化能力差，因此下部堆載的方量較大，此方案邊坡安全穩(wěn)定性富余度較高。優(yōu)化的三個方案，可采用排水疏干措施，如在+38 m、+14 m、-34 m、-58 m，以及-70m 臺階邊坡上增設(shè)一排水疏干孔，降低露天采坑邊坡內(nèi)的地下水以提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

上述的三個方案的側(cè)重點(diǎn)均不同。方案一重點(diǎn)考慮施工便利性以及施工時間；方案二較為綜合，既考慮了施工的成本，又考慮了下部壓覆的資源量相對較少；方案三著重于施工完成后的南部邊坡的長期穩(wěn)定性。結(jié)合露天采場五年規(guī)劃，治理方案需在保證安全的前提條件下，露采盡量少壓覆下部資源。綜合考慮，推薦方案二作為治理方案。

6.4 治理方案數(shù)值模擬論證

為論證方案二的安全性，對方案二進(jìn)行建模計算分析，其位移結(jié)果和土體單元的不平衡推力計算結(jié)果分別見圖8、圖9。對比圖5 可知，經(jīng)治理后邊坡的位移情況有較大幅度的減小。由圖9 可知，優(yōu)化后的土體不平衡推力較優(yōu)化前也有一定程度減小。同時，在下部堆載位置的位移以及內(nèi)部不平衡推力的計算結(jié)果都較小，說明下部的堆載方案合理，能夠滿足安全要求。安全系數(shù)由1.2～1.3 提高到1.84，邊坡整體的安全儲備都有所提高，當(dāng)再次出現(xiàn)極端惡劣的降雨工況時，能夠滿足《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016—2014）對邊坡安全系數(shù)的要求。

圖8 優(yōu)化方案位移計算結(jié)果

圖9 不平衡推力計算結(jié)果

7 結(jié)論

根據(jù)城門山露天采場南部邊坡的工程地質(zhì)特征，結(jié)合其特殊的破壞模式，以工程類比法為基礎(chǔ)，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，對城門山銅礦采場南部局部邊坡穩(wěn)定性和治理措施得出如下結(jié)論：

（1）南部邊坡+14 m 至-58 m 平臺范圍地層巖性主要為微風(fēng)化細(xì)砂巖、中風(fēng)化細(xì)砂巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥頁巖、強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥質(zhì)粉砂巖及強(qiáng)風(fēng)化石英角巖。下部發(fā)育F1斷層，其走向基本平行于邊坡走向，傾向與邊坡角相反。研究區(qū)域巖體風(fēng)化程度高，現(xiàn)狀巖體大多數(shù)為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖塊強(qiáng)度低，這是該邊坡發(fā)生失穩(wěn)的主要原因。

（2）礦區(qū)南部邊坡存在多種破壞模式，其中楔形體破壞主要發(fā)生在淺部層理發(fā)育的結(jié)構(gòu)巖體中、局部臺階邊坡處，圓弧形破壞主要發(fā)生在破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化帶。該范圍內(nèi)的整體潛在滑動面為類圓弧折線型滑動面，實(shí)質(zhì)為沿巖層面的整體滑移。

（3）通過Midas/GTS 數(shù)值軟件計算，得出上部以中風(fēng)化細(xì)砂巖地層為主要的滑動體，在現(xiàn)場的對應(yīng)平臺為+14 m 至-58 m 的平臺范圍。下部以強(qiáng)風(fēng)化角巖化泥質(zhì)粉砂巖（-58 m 平臺和-70 m 平臺，含部分-80 m 平臺）為主要的變形卸荷的地層，與構(gòu)造角礫巖（即F1斷層）一同承擔(dān)上部的荷載，是主要的阻滑部分。根據(jù)南部邊坡穩(wěn)定性的計算分析結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，提出三個基于上部削坡減載和下部堆載反壓治理方案，通過方案比選和數(shù)值模擬論證分析，建議采用方案二。