齐大山铁矿5号运矿胶带边坡治理方案研究

2014-04-02常来山邓会境陶东海

中国矿业 2014年1期

常来山，邓会境，陶东海

(1.辽宁科技大学,辽宁鞍山 114051；2.鞍钢集团矿业公司,辽宁鞍山 114001)

露天矿边坡工程与水电、公路、铁路、土木工程相比，具有其独特的特点[1-3]：只能在既定的工程地质环境条件中进行开挖，具有工程赋存条件的无选择性；最终边坡是由上至下随采矿生产在几十年的采场服务期内逐步形成，具有时效性；边坡岩体允许产生一定的变形破坏，只要不影响矿山安全生产即可；露天矿边坡工程是复杂的动态地质工程问题，边坡上布置有铁路、公路或胶带等开拓运输系统，随采场下延而逐步发展变化，是矿山边坡的重点维护部位；人为因素和自然因素影响较大。采用汽车-胶带半连续运输系统的矿山，其胶带沿线的上部边坡和下部边坡走向较长，地质条件复杂，破坏风险较高，即便是小型的台阶滑坡、崩塌，也可能造成全矿的停产，因此是矿山的重点维护部位。

1 齐大山铁矿西帮5号运矿胶带边坡概况

齐大山铁矿采场至调军台选矿厂的运矿皮带在西帮边坡(图1)上通过，由1号、2号、4号和5号运矿胶带组成，担负着齐大山铁矿由采场至选厂运送矿石的主要任务。

图1 5号运矿胶带与边坡

齐大山铁矿西帮5号运矿胶带上部边坡主要由鞍山群千枚岩(Ph)组成，灰绿色片状构造，主要矿物有绿泥石、绢云母、石英等，鞍山群千枚岩与铁矿体呈断层接触，产状与矿体一致，鞍山群千枚岩的单轴抗压强度约为40MPa，属中等强度岩石。矿石5号运矿胶带上部边坡岩体为层状结构(图2)，片理面平直光滑，非常发育，结构面间距约为0.2～0.5m，片理面较陡(倾角70～80°)，台阶边坡面与片理面平行，大部分台阶边坡面由片理面构成，其他方位结构面(如节理等)发育一般，未见顺坡向缓倾角结构面发育。

图2 千枚岩与层状结构边坡岩体

齐大山铁矿西帮5号运矿胶带上部边坡岩体对皮带运营存在安全威胁的地段长约240m，坡顶标高为19～20m，5号运矿胶带由-0.4m水平下降至-42.0m水平，边坡高20.4～61.3m，边坡角39.2～60.2°，平均46.1°；边坡上有+6m、-6m、-18m和-30m等四个水平平台，5号运矿胶带上部台阶边坡高7.9～30.1m，台阶坡面角50.2°～78.8°，平均63.5°。齐大山铁矿西帮5号运矿胶带上部整体边坡的边坡角对于整体边坡而言还是比较缓的，但台阶边坡的坡面角则较陡，个别地段已近于直立。

2 西帮5号运矿胶带边坡破坏模式分析

通过现场踏勘与调查可以确认，除一处已发生的小型楔体破坏外，未见可构成楔体破坏的结构面组合。对于台阶边坡来说，其破坏模式有两种：①双滑面剪切破坏(图3)，即上滑面为片理面，下滑面为岩体剪断面；②陡立岩层的倾倒坍塌破坏，没有确定滑面，随风化、震动等因素的作用而形成滚石坠落于坡脚。对于整体边坡而言，由于结构面的尺寸相对于边坡较小，破坏模式可简化为圆弧型剪切破坏(图3)。

图3 边坡剪切破坏模式

3 整体与台阶边坡的稳定性计算分析

齐大山铁矿西帮5号矿石胶带上部边坡地形地质如图4所示，边坡稳定性计算选取A、B、C、和D四个剖面，采用极限平衡法中的简布法(Janbu)法，圆弧滑面计算以毕肖普(Bishop)法校核，最危险滑弧优化搜索采用单纯形法。

图4 边坡地形地质

稳定性计算参数根据齐大山铁矿扩建边坡稳定性研究成果选取，岩体密度为2.78t/m3，岩体抗剪强度C=400kPa，Φ=36°，结构面抗剪强度C=40kPa，Φ=20°，整体边坡和台阶边坡的剪切破坏模式的稳定性计算结果列于表1，从计算结果可以看出，稳定系数均大于2.0，即边坡抗剪切破坏的稳定性是较好的。

表1 边坡稳定性计算结果

4 西帮矿石5号运矿胶带边坡破坏危害分析

根据计算分析边坡整体抗剪切滑动的稳定性较好，因此边坡岩体对皮带运营的危害主要为台阶边坡岩体的倾倒坍塌。边坡岩体内的陡倾角结构面非常发育，在风吹日晒、雨雪冻融等风化因素的长期作用下，特别是冬季中岩体裂缝中的冰楔作用，裂缝逐渐延展加宽，岩石强度逐渐降低削弱，近于直立的岩层结构极易发生倾倒、弯折等坍塌破坏[4]。由于边坡与5号运矿胶带较近(坡底线与皮带中心线距离为4.1～8.9m，平均6.0m)，边坡坍塌出现的滚石对5号运矿胶带的安全将会产生较大的威胁，严重影响矿山的生产安全，因此对5号运矿胶带上部边坡进行及时主动的维护治理是十分必要的。

5 西帮矿石5号运矿胶带边坡治理方案研究

综合考虑边坡破坏模式、空间形态、服务年限、施工工期等因素的影响，最终确定边坡治理方案为12m全长粘结锚杆与SNS主动柔性防护网相结合的边坡主动加固措施(图5)。其原因如下所示。

图5 锚杆与SNS网护坡平面图

1) 由于边坡与5号运矿胶带较近，坡底线与皮带中心线距离仅为4.1～8.9m，已没有砌筑重力式挡墙或锚固式重力式挡墙以防护坡面坍塌的空间。

2) 边坡以坍塌形成滚石为危害后果，并无滑面。

3) 普通钢筋网与喷浆结合的方式是一种常用的坡面滚石治理方法，但它是一种被动方法，效果与主动方式相比要差。对于本地段边坡而言，边坡面由光滑的片理构成，且坡面较陡，喷浆效果无法保证，则不能封闭雨水进入裂隙，阻止裂隙的延伸扩展，形成的浮石体积稍大时则可能出现网损石落的后果。

4) 设计选用SNS主动柔性防护网作为主体措施，主要依据以下几点：①SNS主动柔性防护网是一种定型产品，施工技术成熟。②主动防护系统(GPS2型)在作用原理[5-6]上类似于锚杆、钢筋网、喷射混凝土的面层护坡体系，但其柔性特征具有独特的优点，将局部集中荷载向四周均匀传递，这样可以充分发挥整个系统的防护能力，系统可承受较大的荷载，降低了单根锚杆的锚固力要求。系统的开放性使地下水可以自由排泄，降低了水压升高引起边坡失稳的可能性，同时能抑制边坡风化剥蚀，并且适应性强，对坡面形态无特殊要求。③工程应用实例较多，具有较成熟的工程经验。

5) 由于SNS主动柔性防护网挂网锚杆为2.5～3m，而岩体片理面间距为0.2～0.5m，因此，在局部高陡部位应增加长锚杆与SNS主动柔性网结合，利用钢筋锚杆的抗剪与抗拉作用将多层岩体结合到一起，起到整体防护的作用。综上分析，对齐大山铁矿西帮5号运矿胶带边坡的治理采用12m

全长粘结锚杆与SNS主动柔性防护网相结合的综合加固措施是比较合理的。

6) 设计工程量与投资概算。边坡面浮石人工清运13200m2，Φ90mm锚孔穿孔与注浆2098m，Φ32mm锚杆钢筋主材与制安14.9t，钢垫板与对中支架主材与制安1.2t，SNS主动防护网购置与制安7400m2。工程投资概算为2,564,443元。