大坑稀土矿边坡稳定性分析及加固措施研究

程 哲 刘 伟 袁宪强

（1.赣州稀土矿业有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.赣州稀土集团有限公司）

江西省大坑稀土矿采用原地浸矿法开采［1］。原地浸矿时，不断注入矿体中的溶液挤出已发生交换作用的稀土浸出液，使土壤及岩体不断沙化、酸化，力学强度降低，极易引发滑坡灾害［2］。针对稀土边坡失稳机理，各科研工作者做了大量研究。徐狮等［3］结合BP神经网络与模糊综合评判方法对边坡稳定性进行研究，能较为准确地对边坡稳定性进行预测。饶运章等［4］采用室内模型与数值模拟相结合的方法，探究了注液和降雨2种情况下稀土边坡的稳定性。目前，边坡稳定性分析常采用数值模拟计算安全系数的方式评估边坡的稳定性。针对失稳边坡，多采用挡土墙、抗滑桩、锚杆（预应力锚索）、削坡减载等方式加固边坡［5］。但由于地质问题的复杂性和多变性，在实际工程中，仍有许多问题值得探讨。

本研究首先采用数值模拟的方法，针对天然状态、浸矿状态、地震作用三者耦合下的边坡稳定性进行分析，针对失稳边坡提出合理的加固措施。

1 工程概况及技术参数

1.1 自然地理概况

大坑稀土矿属山丘地貌，地势西高东低、北高南低，区内沟谷发育。最高海拔标高为524 m，最低海拔标高为350 m，相对高差多在40～70 m；区域最高洪水位标高为351 m。区内山坡坡度一般为20°～35°，局部可达45°，植被较为发育。

1.2 工程地质条件

大坑稀土矿为单一的轻稀土矿床，矿床类型属花岗岩风化壳离子吸附型轻稀土矿床。区内构造型式简单，仅为一些小型断裂裂隙；地层单一，仅沿沟谷分布第四系地层；岩浆岩出露广泛，均为酸性花岗岩。受风化作用强弱不均及地形地貌等因素影响，区内岩体风化壳的发育程度有所差异。自上而下可划分为砂质黏土层、全风化层、强风化层。取不同岩层的岩石试样进行室内试验，并基于广义Hoek-Brown准则［6］获取岩体力学参数，详见表1。

1.3 边坡勘察成果

本次赣州稀土矿业有限公司大坑稀土矿3个富集站首采矿块边坡勘查工作实物工作量详见表2。

经过实地勘察，1#首采矿块整体高42 m，边坡角为28°；2#首采矿块整体高60 m，边坡角为34°；1#首采矿块整体高40 m，边坡角为18°。岩体质量等级为IV～III级。结合赣州市定南、龙南和信丰三鲜稀土矿滑坡点的情况来看，滑坡主要集中在高丘陵地貌区，坡脚集中在20°～35°。滑坡主要发育在边坡的凹坡处，降雨量越大，发生滑坡的几率越高。且随着浸矿液的不断注入，注液浅井底部与全风化层相接触的基准面上边坡变形较大、

根据出露的地层岩性及地下水在含水介质中的赋存特征，地下水类型主要为上部第四系松散岩类孔隙水和风化网状裂隙水，其中以风化网状裂隙水为主。第四系松散岩类孔隙水赋存于第四系全新统坡洪积层及残坡积层中，多呈不连续条带状沿河两岸展布。风化网状裂隙水主要赋存于花岗岩风化带网状裂隙里，其含水性在各地及垂直方向上很不均匀。正常情况下，地下水水位埋深较大，坡面一般无地下水，仅在持续降雨或强降雨情况下，水位迅速抬升，在产生动静水压力的同时，造成潜在结构面抗剪强度迅速降低，从而引发边坡失稳变形。

2 边坡稳定性分析

根据现场观测及相关文献表明［7-8］，黏性土土坡及破碎、风化岩坡滑坡时，其滑面接近于一个圆弧面，又称圆弧滑动。与平面滑动和楔体滑动不同，圆弧滑动主要采用力矩计算。针对大坑矿区矿体特性及边坡破坏模式分析，采用极限平衡法中的瑞典圆弧法和毕肖普法分析边坡稳定性。

本次模拟针对3个首采矿块的典型边坡进行稳定性分析，分别计算边坡在天然状态（仅考虑自重及地下水作用）、天然状态+浸矿开采状态、天然状态+浸矿开采状态+地震作用下的安全系数。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》的要求［9］，天然状态下边坡安全系数不小于1.15、天然状态+浸矿开采状态下边坡安全系数不小于1.10、天然状态+浸矿开采状态+地震作用下边坡安全系数不小于1.05。

2.1 天然状态下边坡稳定性分析

根据江西理工大学、中南大学等院所的相关研究成果［10-11］，确定考虑长时间降雨情况下，坡顶地下水位埋深1 m，坡脚处水位埋深为0 m，矿体内浸润面高度定为矿体厚度的75%，即在天然状态下矿体的四分之三处于饱水状态，天然状态下边坡的稳定性计算结果见图1。

从图1可以看出，在天然状态下，3个首采矿段边坡的安全系数均大于1.15，说明天然状态下边坡较为稳定，不会发生大规模滑坡。由于区域边坡上部呈强风化散体结构，下部岩体也受到不同风化程度的影响，潜滑面呈近似圆弧状，且局部区域越陡，越容易出现边坡滑移，若边坡坡度较为均匀，则潜滑面为从坡顶延伸至坡脚的大型圆弧面。潜滑面位于表土层及全风化层中，说明大坑稀土矿边坡更容易发生表层滑坡及中层滑坡。

2.2 浸矿开采下边坡稳定性分析

大坑稀土矿采用原地浸矿法开采，浸矿液通过注液井，在一定的水头压力下，连续不断地注入矿体，浸取液与矿体中的稀土离子发生交换作用，使稀土离子进入浸出液，不断注入矿体中的溶液挤出已发生交换作用的稀土浸出液，不仅降低了边坡的稳定性，而且使岩土体的抗剪强度大大降低。因此在浸矿开采下不可忽视水的渗透作用。天然状态+浸矿开采状态下边坡稳定性分析结果见图2。

从图2可以看出，在考虑渗透作用及动水压力下，边坡安全系数大幅降低，安全系数均小于1.10，边坡处于失稳状态。且对于局部区域较陡的边坡更容易发生推移式滑坡，而对于坡度均匀的陡坡则更容易出现牵引式破坏。结合图1可知，在边坡坡度较陡的开采矿段，矿体厚度越大，地下水浸润面越高，饱水体积越大，边坡安全性越差。另外，矿体埋深对浸矿状态下边坡稳定性影响较大，埋深越浅边坡稳定性越差，浸矿开采时应予以重视。

2.3 地震作用下边坡稳定性分析

赣南地区为6度地震区，本次稳定性计算地震烈度按6度考虑。天然状态+浸矿开采状态+地震作用下边坡稳定性分析结果见图3。

从图3可以看出，在考虑地震作用下，边坡的安全系数进一步减小。说明边坡遭受的工况越复杂，稳定性越弱。相较于图2，在考虑地震作用下，边坡的安全系数下降幅度较小，潜滑面的大小几乎不变，说明地震对边坡的稳定性影响较小。

3 安全处理及加固措施

依据上述计算结果，大坑稀土矿在浸矿开采下的安全系数小于1.10，因此需采取加固措施。结合以往开采经验及试验矿块的试验情况，以留取保安矿体、避开雨季浸矿、控制优化注液高度（不超过矿体厚度的60%）为首选安全措施，在采取上述措施不能满足安全规范要求时或高陡边坡安全储备不足的情况下采用加固措施。具体措施见表3、表4。

按表3、表4措施对边坡进行加固，按照最复杂的工况即考虑天然状态+浸矿开采状态+地震作用，采用毕肖普法计算边坡稳定性，计算结果见图4。

从图4可以看出，首采矿块位置在留取25 m保安矿柱，同时避开雨季浸矿和控制注液高度的前提下，采用抗滑桩等加固措施可以保证边坡稳定，浸矿安全。

4 现场应用

根据上述分析结果，采用抗滑桩对边坡进行加固，首采区域1#矿块、3#矿块采用抗滑桩进行加固。设计布置4排桩，桩尺寸为φ160 mm，桩间距为1.5 m，排距为1.5 m，桩深约20 m（须穿过滑面至基岩深5 m，具体深度可根据现场情况适当进行调整）。

桩内放置4根HRB400型φ25 mm钢筋，均匀分布于桩内，通过HRB335型φ6 mm钢筋（箍筋）绑扎，抗滑桩开孔方向沿水平方向下倾25°。桩头设A3钢板埋置于框格梁内，地表框格梁高600 mm，宽500 mm，混凝土强度为C30，每片框格梁长度为4.5 m，宽度为3.0 m，设置6个抗滑桩，框格梁形成“井”字形与抗滑桩浇筑在一起。

根据抗滑桩所在位置的地形及地质条件，首采区域1#矿块设计布置4排桩，单排长度为45 m，单排30根桩，共10片框架，计120根桩。首采区域1#矿块设计布置4排桩，单排长度为65 m，单排40根桩，共12片框架，计180根桩。首采区域3#矿块设计布置4排桩，单排长度为108 m，单排72根桩，共24片框架，计216根桩。

考虑到采场地表地形条件，抗滑桩施工选用φ160 mm冲击式砂钻进行钻孔，该种钻机操作简单、成孔效率高、对地形适应能力强，可满足现场钻孔施工要求。

对不同工况下加固后边坡进行验算，计算结果统计见表5。

按上述方案加固后的边坡稳定系数均大于1.15，满足规范要求。相关方案也已得到企业认可，矿山目前正在按照上述方案对稀土边坡进行加固。

5 结论

（1）仅考虑天然状态，边坡安全系数大于1.15，边坡整体稳定性较好。考虑渗流作用、动水压力及地震作用时，边坡处于失稳状态，需采取加固措施。

（2）工况越复杂，边坡的稳定性越差；其中浸矿开采对边坡稳定性影响最大，稀土边坡稳定性分析不可忽视渗透作用及动水压力的影响。

（3）针对失稳边坡，在留设保安矿桩、避开雨季浸矿和控制注液高度的前提下，采用抗滑桩等加固措施，可以保证边坡稳定、浸矿安全。