金宝铁矿南帮边局部破坏机理与防护措施研究

黄 磊

（新疆金宝矿业有限责任公司）

深凹露天矿是目前冶金矿山露天开采的发展趋势，其边坡稳定与经济效益的矛盾日益凸显［1］。新疆金宝铁矿为典型深凹露天矿，其南帮边坡受断层带、褶皱、顺层陡倾层面等一系列不利地质结构，造成边坡台阶边坡发生局部破坏，分析评价金宝铁矿南帮边坡总体稳定性，并对局部台阶破坏进行整治，对矿山安全生产至关重要。基于结构面摄影测量技术，对南帮断层、节理裂隙结构等进行详细测量，获取南帮边坡岩体结构特征。采用经验法、数值计算法等对边坡顺层破坏、局部倾倒落石形成机理及稳定性进行详细分析。研究表明，陡倾顺层层状结构边坡局部倾倒崩塌、楔形破坏是造成局部台阶破坏的主要因素。在采取清理措施可消除大多数不稳定性块体，对局部区域提出了相应的加固与落石防护等综合治理措施。

1 自然地理概况及工程地质条件

1.1 自然地理概况

金宝铁矿位于阿勒泰市南东75 km，海拔高程1 000～1 300 m。矿区北东和南西两侧地形切割强烈，沟谷多呈V型；矿区地形切割较浅，沟谷多呈U型，为构造剥蚀和构造侵蚀作用形成。年平均气温4.2 ℃，11 月至次年3 月为冰冻期，年均降水量212.56 mm。矿区场地抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度值为0.20g［2］。

1.2 南帮边坡工程地质条件

矿区南帮主要工程地质岩组为变粒岩、片麻岩、黑云母角闪片岩、磁铁矿、大理岩、斜长角闪岩和断层等组成。根据矿区工程地质条件可分为Ⅳ-1、Ⅳ-2和Ⅳ-3工程地质分区（图1）。

南帮Ⅳ-1剖面终了边坡高度为281 m，边坡角为47°，现状边坡高度为136 m，边坡角为44～53°。边坡岩体结构为层状结构，边坡破坏模式为受褶皱层面的控制的小型局部滑塌。Ⅳ-2 剖面终了边坡高度为323 m，边坡角为46°，现状边坡高度为120 m，边坡角为42°。该区域边坡上部区域呈强风化散体结构，下部呈块状结构，陡倾顺层结构面是控制边坡稳定的主要因素。

1.3 边坡岩体结构

利用ShapMetrix 3D 近景摄影测量系统对新疆金宝露天南帮开展结构面调查，代表性的测点节理产状见表1。边坡呈层状结构，边坡结构面倾角大于台阶剖面角。

1.4 边坡岩体力学参数

开展边坡岩体物理力学性质试验，根据岩体结构调查和边坡岩体质量分级，采用Hoek-Brown 方法确定边坡岩体力学参数，如表2所示。

2 露天边坡变形破坏机理

2.1 Ⅳ-1区边坡变形破坏机理

Ⅳ-1 剖面主要受陡倾层状岩体控制，在边坡爆破振动等损伤和扰动下，赤平极射投影分析表明边坡主要表现为倾倒、崩塌破坏（图2）。有元模拟模拟表明，边坡中部大理岩褶皱轴部是拉应力集中的区域，加之其层状结构面发育，是稳定性较差区域［4］。现状边坡塑性区主要分布于1 080 m 台阶上部，该区域是褶皱轴部，同时是风化带部位，因此揭露后应根据情况酌情采取治理措施（图3）。开采终了时塑性区在中下部出现较小（图4）。

2.2 Ⅳ-2区边坡变形破坏机理

Ⅳ-2 剖面主要受陡倾层状岩体控制，在边坡爆破振动等损伤和扰动下，赤平极射投影分析表明边坡主要表现为楔形—平面破坏［4］（图5）。数值分析表明，边坡塑性区出现在F3 断层、角闪片岩处，断层和陡倾结构面对局部组合台阶边坡不利，总体边坡坡脚未出现明显塑性区贯通破坏（图6、图7）。

3 露天边坡稳定性分析

依据文献［5］选定边坡工程设计安全系数：天然工况FOS=1.20；爆破工况FOS=1.18；地震工况FOS=1.15。分别采用极限平衡法中Bishop 法、Spencer 法和M-P 法等对Ⅳ-1 剖面、Ⅳ-2 剖面总体稳定性进行稳定性分析，计算结果见表3。

由表3可知，Ⅳ-1剖面边坡整体稳定性系数均满足文献［5］要求，边坡处于稳定状态。边坡1 080 m台阶上部局部受斜长角闪岩、F3 断层和褶皱层面的控制，是褶皱轴部，同时是风化带部位，局部滑塌，在采取压脚措施后，该区域边坡已经处于基本稳定状态。为保护1 080 m水平运输道路，可适当开展落石防护。

由表3可知，Ⅳ-2剖面边坡整体稳定性系数均满足文献［5］要求，边坡处于稳定状态。该区域受结构面、F3 断层和陡倾结构面的影响较大。区内结构面组合形成楔形、平面型破坏较多，目前局部组合台阶边坡处于基本稳定状态，安全储备不足，建议在后期继续针对局部断层出露位置开展局部边坡治理。

4 南帮露天边坡防护措施

针对南帮边坡局部落石和顺层—楔形块体滑塌破坏，提出采用被动防护网和局部锚杆支护措施进行防护。采用RocFall 软件对Ⅳ-1 区落石运动特征参数进行计算，计算输入相关参数［6］：清扫平台正向恢复系数0.32，切向恢复系数0.82，摩擦角20°；坡面正向恢复系数0.40，切向恢复系数0.90，摩擦角28°；滚石的初始水平速度为0.4 m/s，初始垂直速度0.2 cm/s，落石块度按50～1 000 kg进行敏感性分析。

1 080 m 运输道路是落石防护的对象，图8 计算结果表明在1 080 m水平采用布置防护网可以拦截大部分落石。根据落石弹跳高度和能量计算结果（图9、图10），在1 080 m平台设置防护网高度3.5 m，按照防护450 kg落石能量，防护能级为200 kJ。

此外，采场边帮并段台阶之间设有5 m 宽度的安全平台和8 m、15 m 宽的清扫平台，平台堆积落石较少，仅局部区域残留较多落石。建议矿山定期清理边坡浮石，消除边帮落石带来的安全隐患。在平台边缘修筑拦石挡墙，保留部分碎石等作为卸能作用。

采场南帮台阶局部出现局部块体与断层面顺层组合的楔形体破坏，岩石较为破碎，受爆破震动影响，易垮落。对于不稳定块体采取全长粘结式锚杆局部加固，并挂网喷浆防止降雨和融雪水入渗，可保证局部块体的稳定性［3］。

5 结语

（1）新疆金宝铁矿南帮边坡工程地质调查及结构面摄影测量表明，断层带、褶皱、顺层陡倾层面等一系列不利地质结构是造成台阶边坡发生局部破坏的主要原因。

（2）采用经验法、数值计算法研究表明陡倾顺层层状结构边坡局部倾倒崩塌、楔形破坏是造成台阶局部破坏的主要模式，但总体边坡处于稳定状态，建议对局部采取防护措施。

（3）在采取清理措施可消除大多数不稳定性块体，对局部区域采用被动防护网可保障运输道路安全。台阶局部顺层块体破坏采用清理或全长粘结式锚杆挂网支护，取得了良好的效果。