乌山露天矿运矿廊道边坡滑坡机制及加固措施*

2021-06-18吕海栋张鹏海王亚强张海涛杨天鸿3

现代矿业 2021年4期

吕海栋张鹏海王亚强刘洋张海涛杨天鸿3

（1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司；2.东北大学资源与土木工程学院）

滑坡是威胁露天矿山安全生产的重要原因之一［1］。近年来，在我国大型露天开采矿山中，滑坡事故时有发生，并且伴随着大量的经济损失和人员伤亡。针对滑坡这一严峻问题，国内外诸多专家学者展开了大量研究，并取得丰硕成果。王恭先［2］认为滑坡的形成主要包括以下2个方面：影响因素与形成条件，影响因素主要为降雨、地震等自然的因素，以及植被损坏、人为坡体开挖等人类活动因素，形成条件则是内在因素，包含地形地貌、地层岩性、地质构造等。黄润秋［3］认为大型滑坡的诱发因素取决于不同的地质环境特征和滑坡的地质体特征，其根本的原因为地形地貌条件。随着越来越多滑坡灾害事故的发生，边坡的加固工程也越发被重视，目前为止，抗滑支挡工程治理滑坡成为了较为有效的手段，并被普遍重视［4］。

以乌山露天矿为依托，针对该矿目前遇到的运矿廊道边坡稳定性问题，结合历史滑坡现象及边坡地质条件分析滑坡机制，并在此基础上结合边坡实际情况设计合理的加固措施，以保证边坡稳定以及运矿廊道的安全运转。

1 矿山概况

乌山露天矿隶属于中国黄金集团内蒙古矿业公司，矿区位于满洲里市西南24 km，距新巴尔虎右旗146 km，行政区划属内蒙古自治区新巴尔虎右旗呼伦镇管辖。

该矿矿床为特大型斑岩型铜钼矿床，境界内铜金属量154.6万t，钼金属量30.99万t。整体为长环形，长轴长度为2 600 m，短轴宽度为1 350 m，走向50°左右，总体倾向北西。倾角从东向西由85°渐变成75°。

当前境界边坡参数如下：①最终边坡角为36°～44°；②台阶高度为15 m，最终为30 m；③台阶坡面角65°，近地表30 m台阶坡面角为50°～55°；④当前最高开采标高为810 m，最低开采标高为630 m；⑤北矿段东南出口标高为825 m、西部出口为780 m，南矿段西南出口为825 m；⑥当前境界形成2个坑底，南矿段坑底最低标高为690 m，北矿段坑底最低标高为630 m，南北矿段拉通平台标高为750 m（图1）。

2 运矿廊道边坡滑坡机制

2.1 运矿廊道选址

目前，乌山露天矿仍然采用汽车运输矿石及废石，但随着露天坑开挖深度的不断增加，当前运距已超过经济运距。为了减少运距以节约成本，计划将原有单一汽车运输方式改为汽车—皮带联合运输方式。

皮带廊道一般选择架设于较稳定的到界台阶之上，同时考虑节约运距带来的经济效益。鉴于南矿段及北矿段西侧目前的开挖深度小、到界台阶的总高度小且距离选厂远，皮带廊道选址于南矿段产生的经济效益不明显。北矿段东侧的东帮、南帮以及西帮690 m以上台阶均已到界，但东帮目前为主要运输道路，运矿廊道在东帮架设必然会影响目前的生产运输，而南帮的东西向延伸长度较小，且因断层切割导致了多次滑坡，不利于运矿廊道的架设与稳定，因此，运矿廊道被设计架设于北矿段东侧的西帮之上，自西帮北部的690 m台阶延伸至西帮南部810 m台阶，水平长度约1 km，垂直高差约120 m。

2.2 运矿廊道边坡概况

乌山露天矿运矿廊道边坡岩性以次英安质角砾熔岩为主，北部为次斜长花岗斑岩，岩体中含有少量蒙脱石等黏土成分。运矿廊道上部边坡（720 m水平以上）的整体边坡角为51°，735～765 m并段台阶的台阶坡面角为60°，为典型的陡帮并段开采边坡（图2）。F4断层穿过运矿廊道边坡中部，该断层走向长约2 km，倾向延深840 m，走向55°，倾向北西，倾角75°，沿断层产生几米至十几米宽的挤压破碎带，见断层泥，并有晚期流纹斑岩等脉岩充填。

近年来，在运矿廊道边坡各平台受F4断层IV级结构面影响的区域陆续发现沉降、岩体开裂等边坡破坏现象，个别区域甚至出现了滑坡，影响到矿山后续安全生产及运矿廊道的施工进度。而一旦运矿廊道施工完成并开始运转，则运矿廊道边坡的稳定性是保证供矿的基础条件，因此，必须对该处边坡的失稳机理进行分析，并针对性地进行加固。

2.3 运矿廊道边坡滑坡及其机制

运矿廊道施工前，运矿廊道边坡735～765 m并段台阶较为破碎，且出现过3次滑坡（图3），其中，2次发生于断层F4处，1次发生于断层F4北侧约50 m的IV级结构面处。3次滑坡均为楔形体滑坡，滑坡范围小于30 m且为浅层破坏。

因此，从边坡角度、滑坡发生的空间位置、滑坡形态上分析，可以推断运矿廊道边坡的滑坡机制为断层及多组结构面切割作用下形成潜在楔形滑坡体，在冻融、降雨、爆破振动影响因素作用下，潜在楔形滑坡体与基岩摩擦阻力逐渐降低［5］，导致楔形体最终从高陡基岩边坡滑落。

虽然断层F4也延伸至765 m以上台阶，但由于上部断层厚度逐渐减小甚至尖灭，台阶坡面角及台阶高度逐渐降低，故未发生滑坡现象。

2.4 运矿廊道边坡稳定性分析

根据边坡破坏机制，基于极限平衡方法，利用Geo-slope软件自动搜索危险滑面对运矿廊道边坡剖面进行稳定性分析。由运矿廊道边坡稳定性评价结果可知（图4），潜在滑动面破坏模式下安全系数为1.05，小于乌山露天矿安全储备系数1.20。此结果表明，运矿廊道边坡自然状态下不能保持稳定，所以要进行针对性的边坡加固措施，保证运矿廊道的正常运行。

3 运矿廊道边坡加固

运矿廊道边坡经历过3次滑坡后暂时处于平衡状态，但仍存在二次滑塌的可能性。为了保证该处运矿廊道安全运转，必须对该处边坡进行加固处理。

3.1 加固方案的选择

露天矿山边坡加固措施包括削坡减载、回填压坡脚、降水疏干、人工加固措施。

削坡减载是通过改变边坡形状，降低边坡高度或者放缓边坡角，永久性地改变边坡岩体应力状态。由于运矿廊道边坡为陡帮并段开采，且顶部台阶已到界，削坡范围受限，进一步削坡可能会增加滑坡的隐患。

回填压坡脚是采用土石等材料堆填滑坡体前缘，以增加抗滑能力。由于滑坡位置高、平台宽度较小且下部台阶未到界，加之运矿廊道占用平台，回填坡脚无可行性。

降水疏干的首要目的是把边坡或者滑坡地段内水压力降到允许的程度，由于该区域无可见出水点，岩体较为干燥，可知地下水并非是引起本区域滑坡的主因，故降水疏干收效不大。

对于人工加固措施，主要分为两大类：其一为提高岩体的黏结强度和增加滑动面摩擦力的主动式加固措施，比如预应力锚索、锚杆等措施；其二为被动支挡结构的工程治理措施，比如各类挡墙、抗滑桩等。

挡墙一般只能加固一个台阶规模的滑体，由于其基脚不能有变位，它所能承受的滑坡推力是很有限的，且自身占用空间和自重较大，对下部边坡安全稳定不利。由于滑坡位置高、平台宽度小且下部台阶未到界，加之运矿廊道占用平台，挡墙亦无可行性。

抗滑桩一般布设于坡脚处用于抵抗滑坡体下滑产生的横向荷载，由于运矿廊道边坡滑坡位置较高，且抗滑桩所需的大尺寸钻孔施工会对现有边坡造成较大的扰动，因此在本次边坡加固中，不建议采用抗滑桩。

锚杆（索）是一种埋入岩层深处的受拉杆件，它一端与工程构筑物相连，另一端锚固在岩层中，以承受边坡下滑力。预应力锚索是对滑坡体进行主动抗滑的加固治理措施，通过预应力的施加，增强滑带的法向应力和减少滑体下滑力，有效地增强滑坡体的稳定性。该方法对边坡高度、平台宽度要求较低，因此，十分适合运矿廊道边坡的加固。

3.2 锚梁加固

乌山露天矿目前的采选能力已达8.5万t/d，采场内频繁的爆破振动荷载会逐渐弱化岩体结构面强度，增加结构面的开度，使雨水更易渗入其中，进一步降低结构面强度，导致楔形滑坡再次出现。

若采用单纯的锚杆（索）加固，容易因加固位置选取不当导致加固失效，比如，潜在楔形滑坡体处未安装锚杆（索）。因此，为了提高加固效果，可采用格构梁的加固方式，即采用锚（锚杆、锚索）梁（横竖框架梁）结构来对边坡进行加固（图5）。该加固方式可将锚杆（索）的张拉力均布在整个加固范围内，使加固边坡体处于完全压缩状态，减小结构面开度，增加结构面强度，提高边坡抵抗爆破振动荷载的能力。

除此以外，运矿廊道边坡岩体中含有少量蒙脱石、伊利石等黏土矿物，在冻融、降雨作用下，这些黏土矿物的体积膨胀会加速岩体的破坏，因此，还需要对边坡上的裸露岩体进行喷射混凝土，以降低水岩的相互作用。

3.3 加固效果检验

为了检验边坡加固的效果，在加固区域上方795 m台阶处安装了深孔测斜仪来监测坡体结构内部的变形状态。监测钻孔深50 m，共安装6个测斜仪传感器，深孔测斜仪在锚索张拉（2020年10月）前2个月开始正常运转并采集数据。图6为深孔测斜仪监测结果，X轴为传感器水平位移，Y轴为传感器埋深，从图中可以看出锚索张拉后边坡的变形量，尤其是更加靠近锚索的孔底附近，出现了明显的降低，并在随后的时间内保持稳定，说明目前的边坡稳定性和加固效果良好。