铜山采场危险边坡治理研究*

初利群 毛思羽

（1.黑龙江多宝山铜业股份有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.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）

由于矿山地质岩性的复杂性，露天矿开采过程中边坡失稳是最为常见的工程问题［1］，其关系到露天采场的正常开采生产及工作人员的生命安全。张振海［2］介绍了常用的边坡治理方式及其选用依据，常用的治理措施是削坡减载以及锚杆锚索加固，有不少学者都对这2 种治理措施给出了肯定的评价。在加固治理方案中，吕拥军等［3］在排土场边坡的治理中采用了抗滑桩、锚索加固的综合治理措施，使得排土场边坡安全系数满足规范要求；张洪宇［4］等对研山铁矿局部边坡进行了预应力锚索加固并辅以挂网喷浆，通过对边坡内部应力变化情况的长期监测，表明该支护方案较为成功；胡胜华［5］对采用锚索进行建筑边坡支护治理的应用进行了介绍和推广，并较详细地介绍了锚索的施工工艺技术。在削坡治理方案中，安振华［6］通过数值模拟软件对比了某矿山边坡削坡减载治理前后边坡的安全系数变化情况，得出削坡减载技术极大改善了边坡稳定性，有助于安全生产；刘星星等［7］则对比了爆破削坡方式和机械削坡方式，得出爆破削坡造成边坡位移及孔隙水压力的增幅和增长速度均大于机械削坡，爆破削坡后还需加强工程防护工作。

针对黑龙江黑河市铜山采场中的隐患边坡进行治理，并采用削坡和加固2 种治理方案，通过软件计算出治理前后边坡稳定性的变化情况，以比较2种治理方案的优缺点。

1 工程概况

多宝山铜山矿区位于寒温带大陆性季风气候区，夏季短暂，冬季寒冷漫长，冰冻期近8 个月之久。历年最高气温为37℃，最低气温为-43.7℃，年平均气温1.1℃～1.8℃。春季干旱多风，最大风速15 m/s。秋凉早霜，无霜期105 d 左右。矿区年降雨量531～586 mm，最大日降雨量61.2 mm，6—8月份为雨季，年蒸发量869～990 mm。

根据多宝山铜山采场的设计要求，露采场边坡单台阶高度15 m，台阶坡面角65°～70°，近地表坡度为45°；安全平台宽度3～7 m；清扫平台宽度为8 m，每隔2个安全平台设置1个清扫平台。

针对现场情况对该区段内较大裂隙进行实测，附在现场现状实测地形图上（图1），并设置2 条主要剖面进行稳定性分析。

2 现状边坡稳定性计算

2.1 边坡主要剖面分析

根据边坡勘察钻孔的地质资料，剖面1—1 和剖面2—2的地质信息见图2。从图中可以看出，各剖面主要的岩体是第四纪堆积层（Q）、安山岩、凝灰岩（T）、断层、英云闪长岩（C2Tm）、闪长玢岩、和砂岩等；+495 m 平台上部边坡坡面现状边坡角明显低于边坡境界设计边坡角，说明+495 m 平台以上的坡面岩性很差，无法按照设计境界线施工；此外，现场检测到裂隙的部位在剖面图上用红色区域表示（新测裂隙），断层距离边坡坡面较近，且裂隙都出现在构造破碎带处，说明断层的存在是造成边坡出现裂缝和下沉等不利因素的主要原因。根据以往的地质勘察资料，边坡主要控制岩体的岩石力学参数见表1。

2.2 许用安全系数的确定

依据最新《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016—2014）边坡安全等级划分及基本规定，该边坡安全等级属于Ⅰ级；矿山边坡除了受到地下水的侵蚀和重力作用外，还受到了周边爆破作用以及潜在地震荷载作用，因此该露天采场边坡受到的荷载类型包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组合荷载，其许用安全系数应满足表2的要求。

注：荷载组合I为自重+地下水，荷载组合II为自重水+地下水+爆破动力；荷载组合III为自重+地下水+地震力。

2.3 稳定性计算结果

用Geo-Studio 软件计算两剖面在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ工况条件下的边坡稳定性，选用的分析方法是Morgensternprice。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），按地震烈度7度取综合地震系数，综合考虑对边坡稳定性的影响。综合地震系数计算公式为

式中，KH为水平向地震系数，7度烈度地震区KH=0.1；CZ为综合影响系数，一般取0.25；ai为考虑滑体重心高度的系数，一般取1.0。

在稳定性计算中考虑地震动力对铜山采场露天边坡稳定性的影响，按照Ⅶ度设防，取震动影响系数KC=0.025。

各剖面稳定性计算结果统计见表3。可以得出现状边坡的安全系数无法满足规范要求，存在较大的安全隐患，易出现滑坡等安全事故，对矿山后续的开采产生较大影响。

3 治理方案设计

边坡治理实质就是提高抗滑力，减少下滑力，使边坡满足允许安全系数要求，通常采取的工程稳固措施有如下3种：

（1）直接加固措施，如预应力锚索及锚杆、抗滑桩、抗滑挡墙、压力注浆等。

（2）辅助稳固措施，如削坡减载、地下水疏干工程、地表水截排工程等。

（3）边坡防护措施，如喷锚网护坡、浆砌片石护坡、块石压坡等。

针对北侧边坡实际情况，其受到断层影响的坡面主要在+480 m 平台以上，存在局部的安全隐患，而且根据地质勘察资料得知断层的影响是坡面出现裂缝的主要原因，所以需要针对边坡断层进行治理，一般的边坡防护措施很难取得较好的效果，适合的治理方法是削坡减载和直接加固措施，削坡的目的是削去断层，减小下滑力，从根源处解决问题；而加固方案主要是采用锚杆-锚索-框架梁组合加固措施，可以增大抗滑力，从而提高边坡的稳定性。

3.1 全削坡方案

削坡方案基于现状边坡裂缝分布情况，根据现状边坡稳定性分析结果，对已经到界的+495～+480 m斜坡道以上的平台进行削坡，目的是将潜在滑动面以上的不稳定性边坡体进行清除，以实现削坡后的边坡安全稳定。各剖面的削坡方结构参数见表4，其中台阶高度、主要道路宽度和安全平台都与原设计相符合，台阶坡面角根据现场实际情况调整到40°。具体的削坡方案见图3，本方案主要以削坡为主，采场所在区域的雨季主要集中在6—8 月份，且采场本身地下水位偏高，参考雷丁丁［8］对降雨入渗导致边滑坡的某边坡的治理方案：削坡减载的同时加强地下水引排，治理效果更加明显。本次设计也辅以排水孔等辅助措施降低地下水位。

3.1.1 削坡后各剖面稳定性计算结果

根据以上削坡方案用软件进行稳定性计算，选用的分析方法是Morgenstern-price，计算结果统计见表5。可以看出，削坡后剖面的安全系数满足规范要求。

3.1.2 削坡前后现场对比

全削坡方案削去了主要断层，并降低了地下水位，消除了边坡的不利条件，有利于维持边坡的稳定，保证了后续开采的安全性。削坡前后的现场现状见图4，现场斜坡道的道路变宽了，有利于车辆的运输以及下部边坡靠帮，但削坡方案已经超出了矿区目前的征地界线，故需要矿方增加征地面积。

3.2 加固方案

针对受到软弱层和风化带影响较大的隐患边坡［9］，可以采用混凝土框格梁连接锚杆和长锚杆布置加固方案。主要针对出现安全问题的区域采取锚杆锚索框架梁综合治理加固措施以保证边坡的稳定性。将剖面1—1 和剖面2—2 作为主要控制剖面进行下滑力计算，从而确定锚杆锚索的布置规模，通过理正软件对剖面潜在滑坡体进行剩余下滑力计算，计算结果表明剖面1 和剖面2 每延米的剩余下滑力为1 047.451 kN和1 331.915 kN。

按照单根锚索锚固力为750 kN，锚杆轴向拉力为250 kN 进行设计，框架梁截面400 mm× 400 mm，用C30混凝土浇筑，纵横梁间距与锚索（杆）间距和排距保持一致，纵横梁节点即为锚索或锚杆的锚头位置。框架梁布置间距垂直间距3 m，水平间距为4 m。各剖面具体锚杆锚索布置见图5，根据断层的位置以及滑弧的大小，锚杆锚索的长度为10～18 m，并辅以排水管以降低地下水位。

根据加固设计方案，用软件进行稳定性计算，选用的分析方法是Morgenstern-price，计算结果统计见表6。可以看出，加固后剖面的安全系数满足规范要求。

3.3 方案比较

针对铜山矿北侧边坡1068～1076勘探线间治理区域的削坡方案和加固方案，最终选择何种施工方案还需矿方根据矿山实际情况进行抉择。

（1）全削坡方案。全削坡方案特点是施工工艺简单，施工难度及费用较低；削坡可以立马进行，不影响采场的后续开采；施工方式较灵活，可以根据现场具体情况适当增减削坡量。但会破坏采场现状，对矿山后续的开采以及线路规划会有一定的影响，如果削坡台阶均已靠帮，削坡前还需征地，将花费较长时间。

（2）加固方案。加固方案特点是后续开采的影响较小，不会破坏原有地形，但施工工艺复杂，需要配备专门的施工队伍，此外，施工费用较大、施工周期较长。

4 结论

（1）由于断层的存在，尤其是坡面靠近断层的情况下，会降低边坡的稳定性，从而出现坡面裂隙、导致地表部分下沉，还可能造成滑坡等安全事故，在矿山露天开采之前，探明矿区的地质条件和研究矿区主要岩体物理化学性质非常重要。

（2）铜山采场由于受到断层的影响，出现了滑坡前的一些征兆，需要针对断层采取一定的治理措施，本次研究主要采用了削坡减载和锚杆锚索框架梁加固2种治理方案，治理后边坡的稳定性都达到了规范要求，但2种方案各有其优缺点，可以酌情采用。