含軟弱夾層露采邊坡穩(wěn)定性分析與治理方案研究*

賀云，李愛兵，虎萬杰

(1.華剛礦業(yè)股份有限公司， 北京 100039；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

露采邊坡穩(wěn)定性影響因素較多，其中軟弱夾層由于其力學(xué)性質(zhì)差，破壞了巖體的整體性，是露天礦邊坡失穩(wěn)的主要形式之一。國內(nèi)外學(xué)者在含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性評價及滑移機(jī)理方面開展了大量的工作，并取得了豐碩的成果。金愛兵等[1]針對平朔東露天礦南幫現(xiàn)狀先后提出分階段大規(guī)模削坡，采用極限平衡法和離散單元法分析不同反壓高度下邊坡穩(wěn)定性。馬婧佳等[2]分析了扎哈淖爾露天礦含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性，在確定露天煤礦潛在滑坡模式基礎(chǔ)上，基于邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果確定了邊坡最優(yōu)形態(tài)。趙虎等[3]認(rèn)為對于含有軟弱夾層邊坡，極限平衡和強(qiáng)度折減法之間的差異很大。趙汝輝等[4]通過FLAC3D 建立含有軟弱夾層的數(shù)值計算模型，分析軟弱夾層厚度、賦存深度和巖性等對邊坡水平位移和安全系數(shù)的影響。郭誠謙[5]對水利水電工程設(shè)計和施工中經(jīng)常遇到的具有軟弱夾層的巖體邊坡穩(wěn)定性問題，從巖體邊坡整體滑動型式出發(fā)，并根據(jù)我國抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值原則與設(shè)計經(jīng)驗，建議了設(shè)計應(yīng)該遵循的安全系數(shù)。田宇等[6]針對露天礦多弱層順傾到界邊坡形態(tài)設(shè)計問題，對地質(zhì)構(gòu)造、巖層巖性、軟弱夾層賦存情況等工程地質(zhì)特征進(jìn)行分析，并基于剛體極限平衡理論與數(shù)值模擬的手段，研究了含多弱層-斷層構(gòu)造復(fù)合順傾邊坡的變形破壞特征、滑坡模式以及不同弱層對邊坡穩(wěn)定性的影響程度等。余浩[7]為研究影響含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性因素，對常見的水平、順傾、反傾軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性采用有限元方法進(jìn)行了分析。李華舟等[8]以四川峨勝石灰石礦區(qū)含緩傾斜軟弱夾層臺階邊坡為研究對象，建立了符合礦區(qū)臺階邊坡破壞特點(diǎn)的水力學(xué)分析模型，探討了水力作用對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。本文結(jié)合剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫邊坡存在的軟弱夾層對整體邊坡穩(wěn)定性的問題，在工程地質(zhì)補(bǔ)勘、巖石力學(xué)參數(shù)試驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查與巖體質(zhì)量評價、邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析，對西幫受軟弱夾層影響的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的邊坡治理方案。

1 工程概況

剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫主要為RAT 巖組，主要礦物成分為白云石、長石及黏土礦物。隨各種主要礦物成分的差異，發(fā)育為白云巖、砂巖、泥巖，隨次要礦物的不同，表現(xiàn)為硅化白云巖、白云質(zhì)砂巖、白云質(zhì)泥巖等，局部表現(xiàn)為礫質(zhì)結(jié)構(gòu)的礫巖。

在二期工程建設(shè)過程中，因邊坡穩(wěn)定性評價需要，在D 坑西幫布置了2 條工程地質(zhì)剖面（DW-1、DW-2 剖面），每個剖面上施工2 個鉆孔，在DW-2剖面的2 個鉆孔中均發(fā)現(xiàn)存在軟弱夾層，該軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性的影響是工程技術(shù)人員關(guān)心的問題。由于該2 個剖面間距達(dá)500 m，發(fā)現(xiàn)軟弱夾層的2 個鉆孔間距約450 m，為了研究軟弱夾層是否貫通相連，在初期的邊坡穩(wěn)定性分析時，將此軟弱夾層分為貫通或不貫通的2 種情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明：無論DW-2 剖面邊坡軟弱夾層貫通與否，其最終邊坡穩(wěn)定系數(shù)均不滿足安全儲備系數(shù)1.3 的要求。因此，建議補(bǔ)充地質(zhì)勘察，以確定軟弱夾層的貫通性。

圍繞軟弱夾層是否貫通進(jìn)行了2 次工程地質(zhì)補(bǔ)勘，一次在DW-2 剖面線南北兩側(cè)100 m 布置2 條剖面線（DW-3、DW-4 剖面）。根據(jù)補(bǔ)勘鉆孔中存在的軟弱夾層情況，布置了3 個剖面（DW-5、DW-6、DW-7），即：在DW-2 與DW-4 剖線中間布置DW-5剖面；在DW-2 與DW-3 剖線中間布置DW-6 剖面；在DW-3 北側(cè)布置DW-7 剖面。本區(qū)內(nèi)前后進(jìn)行了19 個孔的補(bǔ)勘，共有工程地質(zhì)地質(zhì)剖面7 個，基本查明了本區(qū)邊坡內(nèi)的軟弱夾層的工程地質(zhì)特征。根據(jù)補(bǔ)勘資料與數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行全面的邊坡穩(wěn)定性論證，以便確定合理的邊坡處治措施，確保露天境界靠幫及工作邊坡的安全。

2 水文地質(zhì)及工程地質(zhì)特征

2.1 水文地質(zhì)特征

評價區(qū)域邊坡含水層主要為RAT 巖組裂隙含水層。據(jù)現(xiàn)場壓水試驗測定，RAT-3 巖組裂隙發(fā)育較弱，透水性較弱，滲透系數(shù)大致為1×10?3cm/s，富水性較弱；RAT-2 巖組和RAT-1 分別為碎裂巖組和散體巖組，裂隙發(fā)育，巖體破碎，滲透系數(shù)大致在1×10?2～2×10?2cm/s，富水性強(qiáng)。

D 坑西幫邊坡體主要巖組（RATⅪ-3）富水性較弱，構(gòu)造破碎帶（RAT-2）富水性中等-強(qiáng)，地下水補(bǔ)給條件好，坡頂松散巖層內(nèi)存在殘余水頭，坑內(nèi)南、北兩側(cè)坡體的出水方式主要為邊幫少量的滲水，西幫內(nèi)的水位下降明顯。因此，D 坑西幫的水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等。

2.2 工程地質(zhì)特征

根據(jù)西幫的巖體結(jié)構(gòu)及本礦區(qū)巖組的劃分原則，D 坑西幫主體RATⅪ-3 巖組的強(qiáng)度較高，存在RATⅪ-1、RATⅪ-2 軟弱破碎巖組，且?guī)r層軟弱相間，不良地質(zhì)作用（溶洞）發(fā)育程度一般，工程地質(zhì)復(fù)雜程度為中等。

3 巖石力學(xué)參數(shù)試驗與巖體力學(xué)參數(shù)確定

在室內(nèi)采用補(bǔ)勘鉆孔所取巖心，進(jìn)行了各巖組的干密度、自然吸水率、飽和吸水率等指標(biāo)的物理試驗，巖石的單軸與三軸壓縮試驗、直剪試驗以及散體巖組的原位測試。

根據(jù)D 坑西幫的工程地質(zhì)補(bǔ)勘成果及現(xiàn)場調(diào)查，采用RQD、RMR、CSMR、GSI 分級等巖體質(zhì)量評價方法，由費(fèi)辛柯法、GSI 方法、巖體分類法、工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)等折算巖體力學(xué)參數(shù)的確定方法，綜合選取D 坑西幫的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 綜合選取的巖體力學(xué)參數(shù)

4 極限平衡分析

4.1 邊坡破壞模式分析

根據(jù)D 坑西幫的巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查結(jié)果，D 坑西邊坡的主要破壞模式為平面破壞或者圓弧破壞，按此破壞模式對邊坡穩(wěn)定性與治理進(jìn)行計算分析；同時考慮D 坑西幫邊坡內(nèi)部存在的層狀軟弱破碎帶，在一定應(yīng)力及開采環(huán)境下，可能沿破碎帶發(fā)生折線型的非圓弧型破壞。

4.2 許用安全系數(shù)

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016—2014）的規(guī)定[9]：該采場最終邊坡最高480 m，由于分段邊坡角不同，實際需要重點(diǎn)考慮D 坑西幫1125 m 以上290 m 的邊坡穩(wěn)定性，按重點(diǎn)邊坡安全等級為I 級考慮，并根據(jù)該邊坡上存在軟弱夾層等情況，確定3 種工況下的許用安全系數(shù)分別為：

（1）工況1：自重+地下水：K=1.25～1.20；

（2）工況2：自重+地下水+爆破振動力：K=1.23～1.18；

（3）工況3：自重+地下水+地震力：K=1.20～1.15。

4.3 分析剖面

利用已有的DW-1～DW-7 工程地質(zhì)剖面，結(jié)合目前的礦山開采現(xiàn)狀及設(shè)計的開采境界，采用3DMine 建立三維實體工程地質(zhì)模型，重切邊坡穩(wěn)定性7 個分析剖面。

4.4 有關(guān)計算參數(shù)

（1）地震：礦區(qū)所屬地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6°，設(shè)計基本地震加速度為0.05g。

（2）爆破振動：通過對該采場邊坡現(xiàn)場實測，對邊坡穩(wěn)定性分析計算過程中的爆破振動影響系數(shù)Kc取值為0.037。

（3）地下水：根據(jù)補(bǔ)勘的地下水位及西幫坡體上的疏干孔水位，該露天采場地下水位標(biāo)高約在1360 m 左右，采用有限元方法計算地下水滲流對邊坡的穩(wěn)定性影響。

4.5 極限平衡方法的計算結(jié)果

考慮了兩種不同類型的潛滑面，圓弧型的潛滑面以簡化 Bishop 法為準(zhǔn)，折線型潛滑面以Morgenstern-Price 法（M-P 法）為準(zhǔn)。最終設(shè)計邊坡工況1 下的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2，DW-3剖面最終邊坡工況1 下簡化Bishop 法、M-P 法的計算結(jié)果如圖1、圖2 所示。

表2 最終設(shè)計邊坡工況1 下的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

由圖1、圖2 可知：

圖1 DW-3 剖面最終邊坡工況1 下簡化Bishop 法計算結(jié)果

圖2 DW-3 剖面最終邊坡工況1 下M-P 法計算結(jié)果

（1）D 坑西幫邊坡在3 種工況條件下安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的。在3種計算工況條件下，除DW-3 號剖面的安全系數(shù)低于所允許的安全系數(shù)，DW-7 號剖面的安全系數(shù)比DW-3 剖面稍高，其他剖面的安全系數(shù)都大于各工況下的許用安全系數(shù)，邊坡是穩(wěn)定的。DW-3、DW-7剖面安全系數(shù)較低，是需要進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性治理的位置。

（2）爆破使現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)下降5.8%～7.8%，地震使現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)下降1.3%～3.6%，爆破振動使設(shè)計境界最終邊坡的安全系數(shù)下降4.93%～11.04%，地震力使最終邊坡的安全系數(shù)下降1%～3.7%，其中對DW-7 剖面的影響最大。

（3）各工況情況下的潛滑面位置DW-3、DW-7剖面的潛滑面基本一致。最終邊坡的潛滑面不利工況條件下，滑出位置在1127 m，1185 m 外，其他剖面的潛滑面滑出位置大都在目前西幫的斜坡道以上。

（4）采用M-P 法計算的邊坡安全系數(shù)略小于簡化Bishop 法計算的安全系數(shù)，說明邊坡體內(nèi)的軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性有一定影響，且潛在滑動面的形狀與軟弱夾層的賦存形態(tài)有關(guān)，邊坡綜合治理需要密切注意軟弱夾層的存在。

5 邊坡綜合治理措施

對不穩(wěn)定邊坡的支護(hù)加固措施，根據(jù)不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖性、滑坡模式和規(guī)模與邊坡服務(wù)年限等因素研究了多種方法，在國內(nèi)外許多礦山、鐵路、水電等邊坡工程中得到了很好的應(yīng)用。邊坡治理總的原則是充分利用邊坡巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，通過外力的施加和采礦布置的調(diào)整，改善坡體內(nèi)應(yīng)力分布，達(dá)到穩(wěn)坡的目的。露天礦滑坡治理的目的就是在開采期限內(nèi)安全、經(jīng)濟(jì)地采出設(shè)計境界內(nèi)的礦石，治理設(shè)計不僅在技術(shù)上要可行，在經(jīng)濟(jì)上也要合理。

邊坡滑體加固措施按加固方法可分為3 類，即人工加固法、增大巖體強(qiáng)度法、減小下滑力增大抗滑力法。常見的方法有削坡減載法、減重壓腳法等，其最終目的是為減少邊坡滑體自身重量，從而減少下滑力，降低滑體滑塌的風(fēng)險；增大巖體強(qiáng)度法主要包括疏干排水法、注漿法、焙燒法等，其目的是為增加邊坡滑體自身的黏聚力、內(nèi)摩擦角等；在人工加固法中，常見的方法有（預(yù)應(yīng)力）錨索（桿）加固法、抗滑樁法、擋墻法，其目的均是增大邊坡滑體的抗滑能力。

剛果（金）總體科研水平及工業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，雖然擁有豐富的銅鈷礦等金屬資源，但在礦業(yè)工程、巖土工程領(lǐng)域缺乏與之匹配的設(shè)計、施工能力。因此，在考慮該銅鈷礦邊坡穩(wěn)定性治理時，若采用注漿法、抗滑樁加固法、錨索（桿）加固法等需要一定的設(shè)計施工能力及相應(yīng)工程材料，在剛果（金）內(nèi)工程材料是缺乏的，且若實施勢必增加企業(yè)的預(yù)算成本。因此，礦山企業(yè)不偏向采取此類具有一定工藝水平的加固方法開展邊坡治理工作。相對其他方法來說，削坡減載和回填壓腳施工工藝較為簡單，輔助的施工設(shè)備如挖掘機(jī)、運(yùn)輸卡車等設(shè)備較為齊全，設(shè)備維修保養(yǎng)也較為方便。因此從總體上講，削坡和壓腳的方法對于本項目是一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行、符合當(dāng)?shù)厍闆r的邊坡治理方法。

通過對需要治理的DW-3、DW-7 剖面的削坡減載方案（方案1）與基于壓腳原理的西幫局部邊坡的優(yōu)化方案（方案2）的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比論證，采用方案2 可避免盡量少壓覆RAT-3 內(nèi)的礦石。

治理優(yōu)化方案2 的主要內(nèi)容有：

（1）DW-3 剖面：維持1215～1185 m 的臺階原境界設(shè)計不變；1110～1185 m 臺階高7.5 m（原設(shè)計臺階高度15 m）、臺階坡面角為70°；1080～1110 m 臺階高15 m、臺階坡面角60°。

（2）DW-7 剖面：維持1215～1185 m 的臺階原境界設(shè)計不變；1125～1185 m 臺階高7.5 m、臺階坡面角為70°。圖3、圖4 分別為DW-3、DW-7剖面邊坡調(diào)整優(yōu)化的方案。

圖3 DW-3 剖面邊坡優(yōu)化方案

圖4 DW-7 剖面邊坡優(yōu)化方案

6 結(jié)語

（1）綜合剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫邊坡存在的軟弱夾層對整體邊坡穩(wěn)定性研究表明：軟弱夾層不僅會降低整體邊坡的穩(wěn)定性，還會影響到潛在滑動面的形態(tài)。

（2）根據(jù)該礦的賦存條件，結(jié)合剛果（金）的邊坡治理施工條件，盡量少壓礦，提出了基于壓腳原理的西幫局部邊坡的治理方案，對該邊坡進(jìn)行了綜合治理。