蒙库铁矿南帮滑坡灾害治理技术研究

2022-11-11候雅东陈孝聪唐龙元吕新伟

能源与环保 2022年10期

候雅东，王锋，陈孝聪，唐龙元，吕新伟

(中国冶金地质总局新疆地质勘查院，新疆乌鲁木齐 830000)

人类的生产活动如矿山开挖、筑路、建坝等加剧滑坡的发生。经过一个多世纪的努力，人们已逐渐摸清了滑坡的规律，了解了边坡破坏机理并建立了一整套边坡稳定性分析方法。露天采矿产生的高陡边坡规模是其它工程领域内所罕见的。由于露天采矿场地无选择性，特别是在矿产资源日益减少的今日，露天矿边坡地质条件往往十分恶劣，国内外露天矿边坡破坏屡见不鲜。众所周知，采矿生产以经济效益为中心，以少剥岩多采矿为宗旨，和其它领域工程相比较，露天矿边坡又是服务年限较短的边坡，各种因素制约着采场边坡的稳定性。所有这些要求对露天采场边坡的工程地质、水文地质条件、岩体力学强度的充分掌握，对边坡稳定性分析方法要特别考究，尽量排除非精确因素。因此，矿山边坡工程所承担的风险相对很大，必须利用有限的基础资料，做出对边坡稳定性最客观的评价，并且尽量提高边坡角，为矿山减少成本，增加效益[1-6]。本文以新疆金宝矿业蒙库铁矿为例，研究了滑坡灾害治理技术，对重点区域不稳定区段做有针对性的边坡加固治理设计，做到超前性、主动性，预期效果投入小，见效大。

1 边坡工程地质

1.1 边坡所在位置

根据以往边坡稳定性研究成果(表1)，本次滑坡治理区域边坡位于工程地质分区的Ⅳ区。4区设计最高标高+1 200 m，最低标高+852 m，边坡最大垂高348 m，设计整体边坡角为47°～49°。

表1 边坡稳定性研究计算结果Tab.1 Slope atability study calculation results

本次治理设计区域位于处于南帮上盘199线—207勘探线，宽度为180～200m，标高+984～+1 104 m。岩性主要有斜长角闪片麻岩、黑云母变粒岩、黑云母角闪片岩组成，中风化—微风化，岩层节理面倾角45°～65°，境界设计单台阶坡面角为63°～68°。本区域节理裂隙发育，多与岩层走向平行，或者小角度斜交，节理密度约2条/m2； F3断层穿过1044平台靠南帮附近，且此处岩性局部为黑云母角闪片岩，在剥岩过程中，此处形成厚度较薄的结构面，易风化。

1.2 边坡地质特征

本次治理区域位于露天采场南帮，岩性以角闪斜长片麻岩、变粒岩为主，边坡总体形状平顺。边坡地质特征如图1所示。

图1 边坡地质特征Fig.1 Slope geological features

主要岩体结构面力学参数见表2

表2 主要岩体结构面力学参数Tab.2 Mechanical parameters of main rock mass structural plane

2 滑坡区域破坏模式分析

2.1 边坡破坏模式分析

本区各类节理构造发育，尤其顺坡向的节理构造，其特点是以大光面出露在一个或多个台阶、波状起伏，常引起边坡滑塌。小规模的可造成单台阶上部边坡岩体的滑坡，较大规模可造成一至多个台阶的滑坡，甚至形成连坡，这是本区边坡频繁发生破坏的主要原因。优势节理面与边坡走向小角度斜交，会进一步加剧该类型滑坡的破坏。节理破坏机理及照片如图2所示。

图2 节理破坏机理及照片Fig.2 Joint failure mechanism and photos

边坡岩体中小型的原生裂隙、劈理、片理十分发育，其延长一般为几厘米至几米，特点是：①数量特别巨大，边坡岩体中随处可见；②在整体上具有产状的多样性，在不同的地点，又具有不同方向上优势的产状；③将岩体切割成许多菱形的楔体，加大岩体的破碎程度，加快岩体的风化程度，从而降低了该区边坡岩体的岩石力学强度和抗风化能力，使得边坡岩体极易遭受破坏。在爆破振动影响下，局部台阶发生崩塌、楔形破坏，破坏高度一般为单台阶，截止目前，多处于浅层破坏。

2.2 潜在危害分析

本次研究设计治理区域边坡主要位于南帮，根据已有资料、现状情况等综合分析判断，该区边坡总体稳定性尚好。但由于局部边坡岩性复杂、断层、节理、裂隙发育，特别是不利于边坡稳定的节理构造十分发育，会加重边坡发生单台阶滑塌、沉降的可能。特别是上部各区域沿设计境界采矿剥离后，单台阶设计角度为65°～70°，现状边坡岩体发育一组与边坡走向近平行、顺坡向的大型节理构造，倾角均缓于台阶设计坡面角，节理成组发育，间距小，仅0.5～3.0 m，切割边坡岩体呈薄层状，从现场踏勘，该区域节理面均为硬性结构面。滑坡模式表现为平面破坏，局部存在楔形破坏的可能。岩质边坡裂缝的形成，标志着边坡进入脆性变形破坏阶段。而且由于岩质边坡从脆性变形到发生滑坡时间非常快。因此，应立即对各个区段滑坡体进行综合治理，以杜绝安全隐患。从目前来看滑坡体暂时处于平衡状态，但尚未开展综合治理，仍潜在二次滑塌的可能性，如果滑坡体得不到治理，势必会危及下部台阶的安生产全。

3 滑坡区域边坡稳定性分析

3.1 典型剖面的选取

针对本次滑坡治理区域，南帮199线—207线滑坡体沿走向设置了3条主剖面(图3)，A-A剖面对应的是东侧失稳区域，B-B剖面对应的是南帮西区已滑并段光面区域，C-C剖面对应的是南帮东区滑坡失稳区域，本次研究对该3处剖面均进行了边坡稳定性计算。

图3 南帮边坡典型剖面平面位置Fig.3 Plane position of typical section of southern slope

3.2 稳定性计算及结果

在对3条剖面进行边坡稳定性计算中，分别考虑以下几种计算条件：①对主剖面按照采矿设计角进行单台阶边坡稳定性计算；②对主剖面2类组合台阶2个类型的段高分别进行边坡稳定性计算及分析其剩余下滑力。计算中分别考虑自重、地下水、地震力、爆破振动力等不同的荷载组合工况。

单台阶平面破坏计算模型和南帮平面破坏计算模型如图4所示。

图4 单台阶平面破坏计算模型和南帮平面破坏计算模型Fig.4 Single-step plane failure calculation model and southern slope failure calculation model

破坏模式主要为单滑面破坏，采用极限平衡方法进行稳定性计算[7-9]，计算结果见表3、表4。综合加固之后，对边坡也进行了稳定性分析计算，计算结果见表5。

表3 南帮上盘优势节理面单台阶边坡稳定性分析结果Tab.3 Analysis results of the stability of single-step slope on the dominant joint face of the Nanbang Shangwan

表4 南帮组合台阶稳定性分析结果Tab.4 Stability analysis results of the southern slope assemblage steps

表5 南帮组合台阶综合治理后稳定性分析结果Tab.5 Analysis results of stability after comprehensive treatment of southern slope composite steps

(1)针对24 m段高单台阶，按照采矿设计角度进行靠帮并段，当遇到南帮几组优势大型节理面时，其安全稳定性系数，在荷载组合Ⅰ及荷载组合Ⅲ均小于1.0，不能满足规范及安全要求，经分析计算，顺层平面滑动面角度多为48°～52°，以50°为主，该结果也同现场实际情况是吻合的。

(2)对于组合台阶来说[10]，计算中考虑2个类型的剖面A-A和B-B，分别代表滑坡体东侧失稳区域和中部已滑区域。根据本区域滑坡机理分析以及后续发展研判，后续滑坡基本还是以两个左右的组合台阶顺层滑动为主，48 m段高。经分析计算，A-A剖面边坡安全稳定性系数较低，达不到规范允许安全系数，继续发生类似滑动的概率较大，且剩余下滑力较大，需要进行综合锚固治理。已滑动后的B-B剖面边坡安全稳定系数处于1.10～1.15，虽达不到规范允许安全系数，但处于基本稳定状态，受到两侧围岩体的约束，目前现状继续滑动概率不大，但随着采矿台阶的下降，边坡高度的增大，且受到多种因素的影响，其稳定性将会进一步下降。

(3)若通盘考虑到南帮上盘中部984～1 104 m区域边坡可能的组合台阶破坏，计算中考虑2个类型的剖面A-A和B-B，分别代表滑坡体东侧区域和中部已滑区域。经分析计算，A-A、B-B剖面顺层破坏滑动面角度46°～47°，边坡安全稳定性系数大于1.04，但达不到规范允许安全系数。在后续设计方案中考虑到对该南帮几处边坡进行综合锚固治理，针对治理后的边坡也进行了相应的稳定性分析计算，计算结果表明其安全系数可满足规范要求。

(4)总体来说，以24 m或48 m段高的1个或2个组合台阶顺层滑动为主，若不加以及时处理，则可能会造成更多组合台阶(3到4个或以上)的并段。

(5)露天采场边坡随着边坡高度增加，卸荷应力调整、爆破振动、融雪雨水入渗等均对其稳定性有影响，其边坡稳定状态是动态的过程，因此后续在治理过程中可根据地质情况和监测数据进行信息化施工和动态设计。

(6)在本区域实施治理过程中，对+984m及+972 m平台预留处不小于20 m宽度。实施治理完成后，根据治理效果、监测结果、稳定状况等，建议优化调整+984 m平台境界宽度。

4 滑坡体加固治理设计

4.1 设计方案的选择

(1)削坡减载[11-15]。针对本次滑坡区域，根据+1 080～+984 m边坡治理完成后，整体边坡的稳定情况，进一步确定是否采取主动加固措施，或者削坡减载以减小下滑力。

(2)回填压坡脚。临时施工期，将+1 008 m平台以下作为压坡区域。待其余部位加固完成后，可将压坡区域清除，然后进行相应锚固作业。

(3)疏干排水。主要应当根据边坡含水体的地质特征、水力性质、渗透性能以及较大的构造位置、优势不连续面与优势渗流带的空间分布来确定疏干排水部位。一般，岩体的渗透系数在10～5 cm/s者，疏干很可能成功，渗透性很差的岩体，难以疏干。总体来说，区内地表水体不发育，大气降水是矿区地下水的唯一补给来源，矿体大部分位于侵蚀基准面以下，地形有利于自然排水，露天采坑地下水易于疏干。地下水类型主要为基岩风化带裂隙水，矿床水文地质条件简单，地下水并非是引起本区域滑坡的主因。因此，不宜将疏干排水作为本滑坡主要的治理措施，但可作为辅助治理措施，在治理区域设置一定数量的排水孔，周边设置截排水沟等。

(4)挡墙结构。挡墙一般只能加固1个台阶规模的滑体，由于其基脚不能有变位，该区域滑坡体的治理，不宜大规模采用重力式挡墙或类似结构。

(5)抗滑桩结构。抗滑桩在公路系统、铁路系统、水利系统等滑坡治理工程中较常采用的一种抗滑措施。根据桩径大小、结构配置等。抗滑桩的实施一般采用人工挖孔和机械钻孔2个方式。机械钻孔所需作业场地较大，无论是采用冲击钻或者泥浆护壁，都会对现有边坡或者滑坡体造成较大的扰动。人工挖孔桩，设置深度15 m以上，在矿山靠帮台阶的滑坡治理中存在2个难点：①作业安全，本身处于滑动带中，再加上井下作业，空间狭小，安全性较低；②需要在孔内凿岩爆破，增加了对周边原岩的扰动。根据分析，所以在此次滑坡治理设计中，不建议采用抗滑桩结构。

(6)预应力锚索、锚杆、框架梁结构体系[16-17]。对于一般的静态高度较低的边坡(如公路、水利行业的边坡)加固，单纯的预应力锚索加锚墩，这种锚固方式也是比较常见的。锚墩结构简单，其施工速度快、成本低。该结构主要应用在临时支护中，以及硬岩边坡小规模浅层滑坡区域或采用密集锚杆(锚)加固的边坡中。但是单纯的锚索及锚墩加固方式，对于顺层的沉积变质岩边坡在长期爆破震动的影响下，容易出现预应力松弛，由点及面地出现加固失效现象。对于矿山边坡，与其他行业的边坡相比，采场内每天都有爆破震动，在动荷载作用下，会逐渐弱化岩体的结构面强度，对节理裂隙有逐渐放大的趋势，而且随着采场的下降，爆破震动对上部边坡的影响会越来越大。对于沉积变质岩的顺层边坡(滑坡)，采用桩(钢轨桩)锚(锚杆、锚索)梁(横竖框架梁)结构，使得整个加固区域形成一个有效的整体，可以最大限度地抵消爆破震动对边坡的影响。特别是对于预应力锚杆(索)加固工程，框架梁将锚杆(索)的张拉力均布在整个加固范围内，有效地缓解了钻孔孔口附近的应力集中，减小了空口处位移变形和锚杆(索)预应力损失；采用预应力锚索加固时，框架梁的使用使得锚固段以外的边坡体处于完全压缩状态，增强了滑坡体的完整性。该结构的使用，增强了加固体系的完整性，从而提高了加固体的抗震能力。

4.2 加固治理设计

4.2.1 各边坡治理方法优缺点

对边坡治理的各种方法、措施、手段进行了综合研究，结合矿山的具体实际条件，对以上各治理措施优缺点、适用条件、投资造价等进行综合分析评判，见表6。

表6 各边坡治理方法优缺点分析Tab.6 Analysis of advantages and disadvantages of various slope management methods

在现状边坡的基础上，清除坡面上的松散体，实施桩锚梁加固方案，并结合排水孔等综合治理措施。南帮西区加固治理区域走向长度93～126 m，高程为+1 100～+984 m，总垂直高度约116 m，主要锚固区域垂直高度为96 m。南帮东区加固治理区域走向长度54～84 m，高程为+1 032～+996 m，垂直高度约36 m。

4.2.2 南帮西区滑坡体滑坡体综合治理

综合治理思路：①清理散体、危岩体；②长锚杆、预应力长锚索、钢轨桩、框架梁综合锚固结构；③破碎区域，喷锚网封闭；④坡体深层排水孔、周边截排水沟等；对坡面清坡后，对边坡进行锚固处理，对破碎坡面进行喷锚网处理，主要采用预应力锚索、长锚杆、钢轨桩、框架梁、喷锚网、排水孔等综合措施。后续在生产过程中需要加强位移监测、人工观测等。单台阶加固剖面如图5所示。南帮加固范围如图6所示。

图5 单台阶加固剖面Fig.5 Single step reinforcement section

图6 南帮加固范围示意Fig.6 Scope of reinforcement of the southern slope

目前，+1 100 m斜坡道区域以出现局部开裂沉降现象，可能是受到下部滑坡的牵引作用，但在+1 080 m平台或坡面暂未发现松动或者剪出口，从滑坡治理角度分析，如若具备条件，则将该变形区域削坡减载对下部滑坡治理非常有利。削坡减载角度控制在50°～60°，平台宽度10 m。具体实施条件及过程需要结合矿方已有的穿孔设备、炸药、现状道路运输情况等。后续也可根据位移监测情况，结合下部安全生产，预留出+984、+972 m平台足够宽度，先期对+984～+1 080 m区域进行综合锚固，待锚固完成后，再对上部进行削坡减载或综合锚固。

(1)清坡。对加固治理区域坡面浮石进行清理，然后才能进行喷锚网、脚手架搭设等后续工作。可先对滑坡体东侧区域进行清坡处理。

(2)预应力锚索、锚杆、喷锚网。预应力锚索和长锚杆结构如图7所示，喷锚网结构如图8所示。

图7 预应力锚索和长锚杆结构Fig.7 Prestressed anchor cables and long bolt structures

图8 喷锚网结构Fig.8 Anchor mesh structure

(3)横、竖梁。框架梁界面尺寸400 mm×400 mm，锚索节点处放大。框架梁结构如图9所示。

图9 框架梁结构Fig.9 Frame beam structure

(4)排水系统。滑坡治理区域坡面可根据地下水情况灵活设置适当数量的排水孔，每根排水孔长度15～25 m，选用φ90 mm的PE管，端部钻眼并包裹土工布，钻孔孔径90～110 mm，视现场坡面上出水情况确定孔位。加固治理区域台阶采用喷射素砼封闭，厚度5 cm，坡底处通过机械或人工开挖形成U形沟，素砼封闭形成台阶排水沟，避免雨雪水入渗坡体内。