沙河山采場邊坡穩(wěn)定性研究與治理對策分析

劉志超，王 建，楊意德

（中勘冶金勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河北 保定 071051）

露天開采是礦產(chǎn)資源開發(fā)的主要開采方式之一，目前我國露天礦山數(shù)量占各類金屬非金屬礦山數(shù)量總和的70%以上［1］，而我國鐵礦石開采中，露天開采產(chǎn)量占90%以上［2］。隨著采深的不斷增加，目前我國不少礦山已由山坡露天礦和淺層露天礦轉(zhuǎn)入深凹露天礦，最大凹陷采深已超過400 m［3］。相關(guān)研究表明，深凹露天礦較山坡露天礦和淺層露天礦的邊坡變形破壞事故開始增多，邊坡變形滑塌事故的頻率明顯增高，而且破壞規(guī)模也會隨之變大［4］。

唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司沙河山采場開采境界圈尺寸1 100 m×800 m，地面最大標(biāo)高150 m，設(shè)計開采最低標(biāo)高-248 m，終了邊坡高度最大近400 m。隨著邊坡的加高加陡，變形滑移破壞事故的發(fā)生日益增多，嚴重威脅邊坡安全穩(wěn)定［5］?；诖?，以沙河山采場北東幫邊坡為研究對象，選取典型滑體破壞區(qū)域，對邊坡穩(wěn)定性進行詳細分析，并提出相關(guān)治理對策，為保障礦山安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 邊坡現(xiàn)狀問題

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)類型、不連續(xù)面空間分布特征等方面的差異性，沙河山采場劃分為Ⅰ～Ⅴ五個工程地質(zhì)分區(qū)。為便于邊坡穩(wěn)定性評價，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程地質(zhì)條件、幾何形狀和傾向的差異性，將邊坡劃分為A～F六個主分區(qū)，并根據(jù)坡體形狀和高度等差異性，將A、D、E主分區(qū)細分出兩個亞區(qū)，分區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 沙河山采場分區(qū)示意圖

北東幫邊坡位于工程地質(zhì)分區(qū)Ⅱ區(qū)，該區(qū)巖體主要由黑云斜長片麻巖和磁鐵石英巖組成，通過從運動學(xué)角度分析，結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型、開挖擾動，降雨等影響，該區(qū)破壞模式較為復(fù)雜，存在楔形破壞、平面破壞和傾倒破壞，但是破壞多發(fā)生在單體臺階。此外，該區(qū)靠近小沙河，在開采過程中發(fā)現(xiàn)邊幫界外有礦后局部擴大了開采境界，將坡頂線至小沙河的距離由原設(shè)計30 m縮短至15 m，并及時進行了帷幕注漿止水和坡面噴錨支護工程來防止沙河水進去采坑，但受下部開采及地下水影響，北東幫邊坡仍出現(xiàn)兩次坡體滑塌。經(jīng)過陸續(xù)清理采掘，下部邊幫仍然不能正?？拷?，上部滑體始終處于動態(tài)變形之中，下部臺階一旦開挖，滑體將發(fā)生滑移沉降，嚴重影響下部各水平臺階的正常推進。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響

采場區(qū)域內(nèi)第四系孔隙水含水層和基巖裂隙含水層均有分布，二者具有緊密的水力聯(lián)系，裂隙含水層局部具承壓性。在采場周邊的地表水體中，靠近北東幫的小沙河與采場含水層具有直接的水力聯(lián)系。由于帷幕止水采用孔距3 m的單排注漿工藝，帷幕墻體因搭接不到位難免產(chǎn)生滲水點，河水通過孔隙及裂隙含水層側(cè)向滲流進入采場，造成采場內(nèi)積水并影響北東幫邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響

通過對生產(chǎn)過程中爆破作業(yè)產(chǎn)生的地震波監(jiān)測分析，采場爆破振動速度的主頻率分布在10～50 Hz之間，爆破振動加速度主頻率分布在10～35 Hz之間，符合一般爆破地震波的頻譜特征，但爆破振動持續(xù)時間均小于1 s，與天然地震振動持續(xù)時間幾秒至數(shù)十秒相比存在較大差異［6-7］。由于邊坡巖體裂隙發(fā)育較破碎，同時爆破作業(yè)采取小藥量、多爆破等減振技術(shù)，使得工作臺階正常爆破對靠幫邊坡初期影響輕微。

2.3 邊坡穩(wěn)定性極限平衡分析

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定分析傳統(tǒng)方法的代表，也是國內(nèi)外目前應(yīng)用最廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法之一［8-9］。本文邊坡穩(wěn)定性極限平衡計算按照是否考慮地應(yīng)力兩種工況，對采場終了邊坡穩(wěn)定性進行計算。當(dāng)滑體處于極限平衡狀態(tài)時，坡體安全系數(shù)為0.99～1.0［10］。因此，根據(jù)滑體開始發(fā)生滑動時，認定安全系數(shù)為1.0，通過反算求解得出抗剪強度值后再進行穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 治理前北東幫典型剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

由于受潛在礦石層滑體影響，圖2的計算結(jié)果只反映了-56 m水平以上坡體的最小安全系數(shù)，未能反映總體邊坡的安全系數(shù)。為分析邊坡整體穩(wěn)定性，消除上部不穩(wěn)定巖體對整體邊坡計算造成的影響，假定對潛在失穩(wěn)礦體采取了治理工程，消除構(gòu)造破碎及地下水的影響，將其抗剪強度參數(shù)提高至兩翼礦層的抗剪強度值進行計算，穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 治理后北東幫典型剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

北東幫邊坡治理前后極限平衡計算結(jié)果見表1，由表1可知北東幫邊坡在治理前，邊坡最小安全系數(shù)均小于1.0，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，伴隨邊坡逐漸向下開挖，現(xiàn)有滑體將會持續(xù)變形，最后導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。在對上部滑體采取了治理措后，北東幫典型剖面終了邊坡不計地震力時最小安全系數(shù)為1.592，大于安全系數(shù)限值1.15；計地震力時最小安全系數(shù)為1.482，大于安全系數(shù)限值1.10，邊坡安全穩(wěn)定。

表1 北東幫典型剖面極限平衡計算結(jié)果

3 邊坡治理對策分析

3.1 防護治理工程措施

露天礦在采剝過程中，坡體應(yīng)力始終處于不斷變化調(diào)整的過程之中，加之頻繁的爆破振動和復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境，難免會導(dǎo)致邊坡巖體產(chǎn)生變形的不利應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力累積超過巖體承受極限時，坡體將會產(chǎn)生張裂錯動和蠕動變形，從而導(dǎo)致坡體局部滑塌破壞。為確保人員設(shè)備安全和礦山正常生產(chǎn)，可通過以下幾種方式對滑體采取防護治理措施。

1.改變邊坡幾何形態(tài)。通過消減主滑段坡體和增加抗滑段坡體，即通常所說的減重和反壓，從而使滑體達到新的穩(wěn)定平衡，該方法技術(shù)上簡單易行，但必須進行經(jīng)濟成本分析。

2.改良邊坡巖土體。采用高壓力壓漿設(shè)備將能夠固化的漿液材料注入巖體裂隙，以降低巖體滲透性，增強巖體完整性，承壓能力及抗剪強度，該方法對不穩(wěn)定坡體改造效果明顯，但材料價格昂貴且對環(huán)境有一定污染。

3.完善排水系統(tǒng)。將地表水截流排泄，防止進入滑體范圍之內(nèi)。除此之外，將滑體內(nèi)部地下水引出坡體，降低地下水位，減少水理作用對滑體穩(wěn)定性的影響。

4.坡面防護措施。采用抗滑擋墻、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索抗滑樁等進行支擋結(jié)構(gòu)物來防止和控制不穩(wěn)定坡體的變形破壞，也可采用鋼絲繩網(wǎng)等柔性防護網(wǎng)，通過對支撐繩進行張拉預(yù)緊和鋼繩網(wǎng)共同構(gòu)成全覆蓋防護系統(tǒng)。

3.2 滑體綜合治理對策

北東幫滑體處于礦體所在倒轉(zhuǎn)向斜的北端仰起端，礦體及圍巖呈弧形，在該部位封閉，由于受到強烈的構(gòu)造擠壓作用，裂隙非常發(fā)育，巖體極為破碎。根據(jù)北東幫典型剖面極限平衡計算結(jié)果，現(xiàn)有滑體將隨邊幫高度的逐漸增加而繼續(xù)發(fā)展，變形滑塌規(guī)模持續(xù)擴大，并最終將于-56臺階出露。

針對現(xiàn)有滑體，治理對策以人工清坡和機械削方、900 kN級預(yù)應(yīng)力錨索加固變形坡體和直徑20 mm的系統(tǒng)錨桿、10 cm厚C20掛網(wǎng)噴射混凝土淺層護面措施相結(jié)合，治理范圍從坡頂?shù)?8 m水平，預(yù)應(yīng)力錨固工程主要集中在-8～16 m臺階。

4 結(jié) 論

1.采場巖體結(jié)構(gòu)面不會對總體邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響，但結(jié)構(gòu)面的空間組合控制單體臺階坡體的破壞。

2.為保證礦山安全生產(chǎn)，提出了改變邊坡幾何形態(tài)、完善排水系統(tǒng)、改良邊坡巖土體以及坡面防護等多種治理對策。

3.針對北東幫現(xiàn)有滑體，采取了預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿加固和掛網(wǎng)噴射混凝土相結(jié)合的治理方案。