某露天礦高陡邊坡恢復治理研究

范洪杰 邱化廷 張延森

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊；2.山東省標準化研究院）

近年來，對于露天礦山采場高陡邊坡的治理與恢復，一直是學者們十分關注的熱點問題，研究成果十分豐富［1-3］。曹永盛等［4］通過對比大孤山露天礦西北幫2 個開挖境界邊坡的變形場、塑性區(qū)，分析了大孤山邊坡深部和淺部的破壞機制，并采用FLAC3D軟件對高陡邊坡恢復治理后的穩(wěn)定性進行計算，提出了邊坡削坡治理建議。劉永強等［5］針對山東蒙陰某廢棄石灰石礦山存在的高陡邊坡，提出了“階梯臺階法”對高陡邊坡進行削坡設計，進而對邊坡覆土、綠化，消除了礦山地質(zhì)災害隱患。金芳祿［6］以石馬頭石灰?guī)r礦采場高陡邊坡為研究對象，結(jié)合工程地質(zhì)條件，對采場邊坡進行了削坡治理，保證了邊坡的穩(wěn)定性。金忠偉等［7］通過對東鞍山鐵礦高陡邊坡的工程地質(zhì)條件的調(diào)查，提出了符合礦山實際的削坡減載、擋墻護坡、防水排水、掛網(wǎng)噴漿的綜合整治措施，取得了良好效果。雷丁?。?］針對國外某銅礦采場高陡邊坡，基于Geo-Studio 的滲流模擬分析結(jié)果，提出了塊石壓坡的整治方案，提高滑坡前緣抗滑力，治理效果顯著。由此可見，對于礦山采場高陡邊坡恢復治理，基本從“削坡減載”和“壓坡增載”2 個角度，并輔之其他措施，來提高采場邊坡的穩(wěn)定性。

本研究以某露天礦山高陡邊坡為研究對象，為消除礦山安全生產(chǎn)隱患，以工程地質(zhì)條件和采區(qū)開采現(xiàn)狀為依據(jù)，對礦山高陡邊坡進行治理。

1 工程概況

某露天礦屬于建筑石料用灰?guī)r礦，隨著礦山的多年開采，礦山的開采水平不斷下降，礦山采區(qū)內(nèi)部分區(qū)域形成了一些高陡邊坡，坡體角度為70°～90°，坡體高度不等。根據(jù)現(xiàn)場勘察，采區(qū)內(nèi)這些高陡邊坡部分區(qū)域由于雨水沖刷風化嚴重，出現(xiàn)了碎石滑落現(xiàn)象，滑落碎石塊度小至幾厘米，大至50 cm，嚴重威脅著下方生產(chǎn)機械和工作人員的安全。同時，礦山早期由于不規(guī)范民采形成的高陡斷臂山崖在采區(qū)內(nèi)雜亂分布，也成為了礦山安全生產(chǎn)的重大風險源。因此，整合采區(qū)現(xiàn)狀高陡邊坡成為了礦山安全生產(chǎn)亟待解決的問題。

礦區(qū)內(nèi)出露地層為張夏組上灰?guī)r段、崮山組及第四紀大站組。張夏組上灰?guī)r段主要巖性為灰色中厚層豹皮灰?guī)r夾鮞粒灰?guī)r。崮山組巖性以黃綠色頁巖為主，夾紫色頁巖、灰色薄層灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r。大站組主要分布在地勢低凹處，巖性為黃色、黃褐色砂質(zhì)黏土、砂礫層。礦區(qū)內(nèi)地層整體呈向NW 傾斜的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀平緩，傾角為2°～6°，未見明顯的斷裂構(gòu)造。

礦床為淺海相沉積建筑用灰?guī)r礦床，礦區(qū)平面形態(tài)大體呈C 形，控制礦層走向長1 436 m，傾向?qū)? 024 m。礦層最小厚度為7.02 m，最大厚度為41.77 m，平均厚度為36.92 m。

礦體與地層產(chǎn)狀一致，產(chǎn)狀平緩，呈向北西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角約2°左右。礦層賦存標高為+110～+217 m。

礦山內(nèi)經(jīng)過多年開采，目前共形成A、B、C、D共4個采坑，高陡邊坡主要集中于A、B采坑內(nèi)。其中A區(qū)采坑東西長約280 m，南北寬120～500 m。B采坑東西長約400 m，南北寬約250 m。

A 區(qū)位于礦區(qū)范圍西側(cè)，坡體長度為337 m，坡體高度為 68～92 m，坡度為 80°～90°，頂部為第四系覆蓋，厚度為0～1 m，巖性為黃色、黃褐色砂質(zhì)黏土、砂礫層。上部為崮山組頁巖與薄層灰?guī)r，賦存標高在+170 m 以上，下部為塊狀石灰?guī)r，賦存標高為+90～+170 m。

B區(qū)位于礦區(qū)東北角，坡體長度約150 m，坡體高差為 42～72 m，坡度為 70°～90°，地層特征與 A 區(qū)類似。采區(qū)內(nèi)部分區(qū)域高陡邊坡如圖1所示。

2 高陡邊坡恢復治理方案

針對礦山生產(chǎn)或其他原因形成的高陡邊坡，常見的處理措施有邊坡非崩落法“壓坡增載”治理和邊坡崩落法“削坡減載”治理措施［9-10］。其中邊坡非崩落法“壓坡增載”治理措施要求邊坡坡角較小，且坡趾工程地質(zhì)條件要求較好，而邊坡崩落法“削坡減載”治理措施主要適用于坡角較大的邊坡。

根據(jù)礦山A 和B采區(qū)現(xiàn)狀可知，采區(qū)內(nèi)邊坡坡度較大，且采區(qū)仍需進行后續(xù)生產(chǎn)，如若采取非崩落法邊坡治理措施，采區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀邊坡只會隨著礦山開采水平的下降，繼續(xù)增加現(xiàn)有邊坡高度，增大危險系數(shù)。綜合考慮，采用邊坡崩落法“削坡減載”治理措施對其治理。

2.1 邊坡削坡參數(shù)

根據(jù)礦山工程地質(zhì)條件，參考類似礦山，擬對此高陡邊坡采用爆破和機械相結(jié)合的方式進行削坡處理。底部廢石回填，石灰?guī)r臺階高度設為10 m，每2個終了臺階合并成1個，臺階坡度為70°，安全平臺寬度為3 m；頂部頁巖臺階高10 m，臺階坡度為60°，安全平臺寬度為3 m，石灰?guī)r與頁巖之間留設不少于5 m的安全平臺。

A 區(qū)坡體高差為68～92 m，底部廢石回填至+110 m 水平，石灰?guī)r分別留設+130，+150 及+170 m 水平平臺，頁巖留設+180，+190 m水平平臺。

B 區(qū)坡體坡體高差為42～72 m，底部廢石回填至+100 m水平，石灰?guī)r分別留設+120，+140 m水平平臺，頁巖修整+150 m 水平平臺。A區(qū)和B區(qū)邊坡恢復治理后示意圖見圖2。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014），削坡后的邊坡雖坡角降低至58°，但仍屬于礦山企業(yè)重大安全生產(chǎn)危險源，還需對削坡后的邊坡穩(wěn)定性進行分析，以驗證削坡參數(shù)的合理性。

2.2.1 邊坡計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件可知，頁巖的層狀結(jié)構(gòu)面屬于巖塊巖屑型，結(jié)合差，計算按較低參數(shù)指標取值，內(nèi)摩擦角為18°，黏聚力取0.05 MPa。石灰?guī)r巖體結(jié)構(gòu)面屬無填充的結(jié)構(gòu)面，結(jié)合一般，計算按較低參數(shù)指標取值，內(nèi)摩擦角取27°，黏聚力取0.10 MPa。張裂隙按距坡頂?shù)木嚯x為邊坡高度的0.2 倍計算。區(qū)域地震綜合作用系數(shù)為0.50；結(jié)構(gòu)面計算傾角取6°；不考慮地下水作用。其他計算參數(shù)見表1。

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2.2.2 計算結(jié)果與分析

根據(jù)削坡參數(shù)，分別選取A 區(qū)和B區(qū)的典型工程地質(zhì)剖面圖，如圖3所示。采用極限平衡法計算削坡后的邊坡安全系數(shù)，其計算結(jié)果見表2。

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參考《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）的規(guī)定，并根據(jù)削坡后的邊坡參數(shù)和周圍工程地質(zhì)條件，確定本工程削坡后的邊坡安全等級為III級。由于本邊坡為生產(chǎn)臨時邊坡，待采區(qū)生產(chǎn)完成后，對邊坡統(tǒng)一恢復處理，故將削坡后的邊坡定為臨時邊坡，邊坡安全系數(shù)要求應大于等于1.15。依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB 51016—2014）規(guī)定，對于邊坡安全等級為III 級的邊坡，在自重、地下水和地震力綜合作用下，邊坡安全系數(shù)范圍應處于1.10～1.05。故綜合考慮邊坡安全等級和邊坡外荷載作用時，本工程邊坡最小安全系數(shù)為1.15。

根據(jù)表2 邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果可知，A 區(qū)和B區(qū)簡單平面滑動邊坡安全系數(shù)分別為1.753、2.301，均大于邊坡最小安全系數(shù)，表明此高陡邊坡恢復治理參數(shù)安全可靠。

3 結(jié) 論

（1）通過對某露天礦山高陡邊坡現(xiàn)狀的分析，結(jié)合工程地質(zhì)條件，提出了削坡減載的高陡邊坡恢復治理方案。

（2）從削坡減載角度出發(fā)，對礦山A 區(qū)和B 區(qū)內(nèi)的高陡邊坡進行削坡設計，在自重和地震作用下，A區(qū)和B 區(qū)削坡后的邊坡安全系數(shù)分別為1.753 和2.301，均大于邊坡最小安全系數(shù)，表明此高陡邊坡恢復治理參數(shù)安全可靠。