大孤山鐵礦北幫滑體綜合治理方案優(yōu)選

劉志超,黃廣明,李亞川

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

0 引言

隨著露天礦山采剝作業(yè)持續(xù)進(jìn)行,巖體內(nèi)部原始應(yīng)力狀態(tài)被打破,原有軟弱結(jié)構(gòu)面逐漸被揭露,在次生應(yīng)力場(chǎng)和外界不利因素等的影響下,邊坡巖體容易發(fā)生變形,造成邊坡巖體崩塌、散落和滑動(dòng)破壞[1-2]。露天礦山邊坡角與礦山經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)有著直接聯(lián)系,邊坡角過(guò)緩可以提高邊坡穩(wěn)定程度,但增加了剝巖量,降低了經(jīng)濟(jì)效益,反之邊坡角過(guò)陡雖可節(jié)省大量剝巖費(fèi)用,但容易造成邊坡變形滑塌[3-4]。目前雖有較多礦山正在由露天開采逐步轉(zhuǎn)為地下開采,但仍然有部分礦山通過(guò)擴(kuò)幫強(qiáng)化開采[5-8]。隨著開采深入,邊坡加高加陡,其原有的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生變化,變形滑移破壞等事故的發(fā)生日益增多,不但對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成了極大影響,也嚴(yán)重制約了礦山整體生產(chǎn)能力。

鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)有限公司大孤山鐵礦(下稱“大孤山鐵礦”)為特大型深凹露天鐵礦[9],其北幫邊坡已有兩處發(fā)生滑塌破壞,不但嚴(yán)重威脅采場(chǎng)作業(yè)人員和設(shè)備安全,而且對(duì)礦山經(jīng)濟(jì)效益也造成了重大損失?；诖?以北幫現(xiàn)有滑體為研究對(duì)象,結(jié)合礦區(qū)開采技術(shù)條件提出合理的綜合治理方案,并通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比確定滑體治理的最終方案。

1 工程概況

大孤山鐵礦北幫邊坡屬于工程地質(zhì)分區(qū)Ⅲ區(qū),邊坡巖體主要由上部千枚巖和下部太古代花崗巖兩種巖性構(gòu)成。采場(chǎng)北幫邊坡平均傾向?yàn)?50°,現(xiàn)有靠界邊幫臺(tái)階已開挖至－66 m 標(biāo)高。靠界邊坡高度為166 m,邊坡巖性為千枚巖,屬軟弱巖類,巖體呈層狀碎裂結(jié)構(gòu),因開挖后暴露時(shí)間較長(zhǎng),坡面巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀,巖體松散破碎,抗剪切強(qiáng)度極大降低,臺(tái)階坡普遍變形失穩(wěn)。經(jīng)過(guò)赤平投影圖解法分析,北幫邊坡可形成平面滑塌破壞,且破壞規(guī)模不僅局限于單體并段臺(tái)階,還可延伸至包含多個(gè)并段的組合臺(tái)階。

采場(chǎng)北幫目前已出現(xiàn)兩處滑體,均位于千枚巖坡邊幫臺(tái)階,如圖1 所示?；w1 上緣標(biāo)高為＋78 m,剪出口標(biāo)高為－54 m,滑體高度為132 m,平均水平寬度為75 m;滑體2上緣位于＋18 m 平臺(tái),剪出口位于－54 m 平臺(tái),滑體高度為72 m,水平寬度為45 m。為保持礦山持續(xù)生產(chǎn)作業(yè),對(duì)滑坡區(qū)域內(nèi)的變形臺(tái)階進(jìn)行擴(kuò)幫卸載,初步計(jì)劃卸載至＋18 m 平臺(tái)。

圖1 大孤山鐵礦北幫邊坡滑體

2 北幫邊坡穩(wěn)定性分析

結(jié)合采場(chǎng)現(xiàn)有靠幫邊界及下部未開采的設(shè)計(jì)邊幫,采用Slide軟件對(duì)北幫典型剖面對(duì)現(xiàn)有邊坡和原設(shè)計(jì)終了邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)原設(shè)計(jì)邊坡角的適宜性進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證[10]。根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算所采用的千枚巖強(qiáng)度參數(shù)見表1。

表1 邊坡極限平衡計(jì)算參數(shù)

爆破振動(dòng)荷載與地震荷載是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素,為了減輕爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,大孤山鐵礦采用小藥量、多爆破的減振技術(shù),并取得了顯著的應(yīng)用效果,因此,本次計(jì)算不考慮爆破荷載影響[11]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)有關(guān)規(guī)定[12],結(jié)合礦區(qū)實(shí)際工程情況,北幫邊坡地震穩(wěn)定性分析只考慮水平向地震慣性力而不需考慮垂直向地震慣性力。典型剖面極限平衡計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型剖面終了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖解(不計(jì)地震力)

由圖2可知,典型剖面終了邊坡不計(jì)地震力時(shí)最小安全系數(shù)為0.973,小于1.0,終了邊坡不穩(wěn)定。最危險(xiǎn)滑面位于千枚巖區(qū)域,不計(jì)地震力時(shí)安全系數(shù)小于1.20的滑面貫穿整體邊坡。由于千枚巖巖體長(zhǎng)期暴露,風(fēng)化嚴(yán)重,強(qiáng)度將會(huì)逐步降低,雖然正在進(jìn)行的削坡減載對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性起到一定作用,但安全儲(chǔ)備仍不足,急需采取其他措施進(jìn)行綜合治理。

3 北幫滑體綜合治理方案

針對(duì)滑體治理方案,目前比較成熟的工程措施主要包括改變邊坡幾何形態(tài)、完善排水系統(tǒng)、優(yōu)化支檔工程、改良邊坡巖土體等[13-16]。由于礦山邊坡所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、巖體弱面發(fā)育不均衡以及造成邊坡滑塌破壞因素的多樣化等特征,僅采用單一工程措施往往難以滿足治理要求,必須結(jié)合邊坡實(shí)際條件和各種外在因素綜合考慮,從而用最經(jīng)濟(jì)的方法達(dá)到最佳治理效果。

3.1 削方卸載

當(dāng)采場(chǎng)邊幫出現(xiàn)張裂變形潛在滑體時(shí),為保證滑體下方安全開采,往往對(duì)已經(jīng)變形且潛在失穩(wěn)的邊幫采取開挖卸載措施。由于計(jì)算出的不穩(wěn)定區(qū)段主要位于千枚巖出露區(qū)域,因此削方卸載計(jì)算范圍也限于－150～－174 m 斜坡路之上的千枚巖臺(tái)階坡段。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,典型剖面千枚巖區(qū)域臺(tái)階坡總體邊坡角為41.9°,極限平衡計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)在自然工況和地震工況條件下分別為0.973 和0.929,均不滿足規(guī)范要求,顯然邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。圖4為邊坡角為40°、38°、36°、35.8°時(shí)削方狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,為了使計(jì)算圖解簡(jiǎn)潔清晰、突出重點(diǎn),圖4中只列出了自然工況條件下安全系數(shù)小于1.2,地震工況條件下安全系數(shù)小于1.15,即小于規(guī)范要求的安全限值的坡體范圍。

圖4 典型剖面削坡卸載安全系數(shù)計(jì)算圖解

由表2可知,隨著邊坡角逐漸放緩,邊坡安全系數(shù)逐漸增加,表明穩(wěn)定程度逐漸升高。當(dāng)削坡卸載邊坡角為36°時(shí),在自然工況條件下邊坡最小安全系數(shù)已達(dá)到規(guī)范要求,但在地震工況條件下的邊坡最小安全系數(shù)尚不滿足規(guī)范要求。當(dāng)按35.8°邊坡角進(jìn)行削坡減載時(shí),邊坡在自然工況條件下的安全系數(shù)為1.234,大于規(guī)范要求的1.20安全限值;在地震工況條件下的安全系數(shù)為1.15,符合規(guī)范要求的1.15安全限值,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 典型剖面削坡卸載計(jì)算結(jié)果

3.2 加固治理

目前,典型剖面邊坡靠界并段臺(tái)階已開挖至－74 m 水平。由于坡頂張裂、臺(tái)階滑塌,正在對(duì)上部邊坡采取削方減載措施。減載自坡頂114 m水平向下分4個(gè)臺(tái)階至18m水平,分級(jí)臺(tái)階高度為24 m。對(duì)卸載后的邊坡穩(wěn)定性極限平衡進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,卸載后現(xiàn)狀邊坡自然工況條件下的最小安全系數(shù)為1.107,地震工況條件下的最小安全系數(shù)為1.048,兩種工況條件下的邊坡安全系數(shù)均達(dá)不到規(guī)范限值,表明邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但沒(méi)有足夠的安全儲(chǔ)備。邊坡最小安全系數(shù)所對(duì)應(yīng)的弧線位于＋18 m 平臺(tái)以下的組合臺(tái)階,表明邊坡破壞最先發(fā)生于卸載臺(tái)階以下的組合臺(tái)階。

圖5 北幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖解

＋18 m 平臺(tái)以上的臺(tái)階削坡卸載措施起到了減小滑體規(guī)模、推遲滑體形成的作用,但并不能消除下部臺(tái)階的潛在破壞失穩(wěn)。構(gòu)成邊幫臺(tái)階的千枚巖在暴露的環(huán)境中快速風(fēng)化,地下水對(duì)千枚巖的軟化浸蝕,這些不利因素造成邊坡表層巖體抗剪強(qiáng)度不斷降低,可發(fā)生臺(tái)階規(guī)模的淺層滑塌破壞。

圖6表明了現(xiàn)狀邊坡在不采取加固治理措施情況下繼續(xù)向下開挖至－102 m 水平時(shí)的邊坡穩(wěn)定狀況。計(jì)算結(jié)果表明,－102 m 水平邊坡安全系數(shù)降低至1.011時(shí),邊坡處于極限平衡狀態(tài),此時(shí)邊坡雖未發(fā)生滑移破壞,但臺(tái)階坡體已處于擠壓變形階段,坡體內(nèi)部發(fā)生了局部損傷,部分臺(tái)階可出現(xiàn)張裂變形,在外界不利因素的作用下,極易發(fā)生整體邊坡破壞。

圖6 現(xiàn)狀邊坡欠開挖至-102 m 時(shí)的穩(wěn)定性計(jì)算圖解

在多種邊坡治理工程措施中,錨固工程具有適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)成熟、施工快速等優(yōu)勢(shì),礦山不穩(wěn)定邊坡的加固治理通常采用大噸位預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固,通過(guò)錨索對(duì)潛在不穩(wěn)定坡體施加預(yù)應(yīng)力,增加其抗滑力,限制坡體向臨空方向產(chǎn)生位移,避免滑體形成。采取預(yù)應(yīng)力錨索和錨樁的綜合加固措施后,邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖解如圖7所示。由圖7可知,經(jīng)加固后的邊坡最小安全系數(shù)為1.198,符合規(guī)范要求安全限值,邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 加固邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖解

3.3 方案對(duì)比與優(yōu)選

針對(duì)大孤山鐵礦北幫終了邊坡千枚巖臺(tái)階潛在失穩(wěn)問(wèn)題,給出了削坡減載方案和加固治理方案,以下是兩種方案的詳細(xì)對(duì)比。

(1)治理費(fèi)用。削坡減載方案測(cè)算的剝巖量為542萬(wàn)m3,換算成質(zhì)量為1480萬(wàn)t。按采場(chǎng)剝巖成本10元/t 計(jì)算,削坡減載工程措施費(fèi)用為1.48億元。加固治理方案內(nèi)容包括預(yù)應(yīng)力錨索、垂直錨樁、現(xiàn)澆鋼筋混凝土、漿砌石截排水溝,治理工程概算費(fèi)用共計(jì)3000萬(wàn)元,比削坡減載方案節(jié)省投資1.18億元。

(2)對(duì)生產(chǎn)的影響。若實(shí)施削坡減載方案,則北幫千枚巖臺(tái)階區(qū)必須先從上至下分級(jí)削方至現(xiàn)有－78 m 水平,導(dǎo)致現(xiàn)有臺(tái)階坡腳部位生產(chǎn)停止,影響靠幫臺(tái)階的推進(jìn),其東端還將造成一定范圍的壓礦現(xiàn)象。加固治理工程不占用生產(chǎn)作業(yè)空間,臺(tái)階開挖揭露出工作面后,治理施工只占用臺(tái)階之間留置的平臺(tái)空間,材料設(shè)備占用空間可根據(jù)開挖生產(chǎn)隨時(shí)調(diào)整,對(duì)生產(chǎn)的影響輕微。

(3)廢棄物。削坡減載措施需剝巖542萬(wàn)m3,按松散系數(shù)系數(shù)1.5 計(jì)算,共產(chǎn)生松散渣土813萬(wàn)m3。礦山排土場(chǎng)總?cè)莘e為9153萬(wàn)m3,削坡減載產(chǎn)生渣土需占用排土場(chǎng)容積的8.9%,相應(yīng)減少排土場(chǎng)服務(wù)年限8.9%。相比之下,加固治理方案不產(chǎn)生廢棄物。

從綜合治理費(fèi)用、對(duì)生產(chǎn)的影響和廢棄物3個(gè)方面因素對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析,推薦采用加固治理方案作為滑體最終綜合治理方案。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)選取大孤山鐵礦北幫典型剖面進(jìn)行極限平衡計(jì)算,得出終了邊坡不計(jì)地震力時(shí)最小安全系數(shù)為0.973,邊坡不穩(wěn)定,若不采取加固處理向下開挖,極易發(fā)生整體邊坡破壞。

(2)提出了削坡減載和加固處理兩種治理方案,經(jīng)過(guò)多方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析,確定采用預(yù)應(yīng)力錨索、錨樁等加固的綜合治理方案對(duì)北幫滑體進(jìn)行治理。