金寶鐵礦南幫順傾邊坡滑坡機理研究及治理工程實踐

柴利蒙，孫東東，楊天鴻*，鄧文學，藍秋華，李金多

(1.東北大學資源與土木工程學院；2.新疆金寶礦業有限責任公司)

引 言

目前，中國金屬礦山有10 000余座，黑色金屬礦山約4 900座[1]。其中，鐵礦以露天開采方式為主，占比達70 %以上。新疆地區鐵礦資源儲量豐富，特別是富鐵礦儲量居全國第二位，在露天開采勘查過程中發現礦區出露的地層以層狀結構的沉積巖和變質巖為主，順傾邊坡分布廣泛[2]。隨著露天開采的進行，采坑逐漸加深，邊坡高度增大，導致邊坡穩定性下降[3-5]。尤其是一些層狀邊坡由于層理、片理發育，在巖體質量分級中屬于較差的巖體，當巖層傾向和邊坡傾向同向(即順傾邊坡)時，加之爆破震動、地震、降雨或冰雪融水等外部因素影響，極易發生滑坡災害[6-9]。對于大型露天礦而言，其邊坡穩定性已成為直接影響礦山安全生產與發展的重大問題[10-12]。

國內外相關學者對層狀邊坡的穩定性問題進行了廣泛的研究。陳從新等[13]根據相似理論建立地質力學模型，研究了邊坡巖體的巖層傾角對邊坡穩定性的影響，試驗結果表明，順層邊坡的主要變形方式為滑動變形，破壞模式為滑移-拉裂破壞，滑動過程為分級滑動，越往后拉裂面傾角越小。ALEJANO等[14]總結了層狀邊坡潰屈破壞和滑劈破壞的具體模式，并提出了穩定性系數計算公式與數值分析和物理模擬方法。邱俊等[15]結合大量邊坡傾倒破壞實例對順傾和反傾邊坡傾倒破壞形成條件及發育規模特征進行了對比研究，得到順傾邊坡發生傾倒時的一般坡高(h)、邊坡坡角(β)、巖層傾角(α)，并提出了層狀巖質邊坡“傾倒臨界傾角(δ)”的概念。當順傾邊坡的δ≈60°，α>δ時,邊坡將可能產生傾倒破壞;當α<δ時,邊坡通常產生“滑移-彎曲”或“滑移-拉裂”破壞。白潤才等[16]以白音華1號露天煤礦為工程背景，利用Flac3D軟件對其北幫順傾邊坡的應力、應變及位移變化進行了數值模擬分析，研究了邊坡的滑坡模式和穩定性，得到北幫順傾邊坡的滑坡模式為組合滑動。王剛等[17]運用有限元數值模擬方法研究了山西某露天煤礦順傾邊坡的變形破壞機理和潛在滑坡模式，并給出了相應的治理措施。吳朝松等[18]研究了含水條件下研山鐵礦東幫順傾巖質邊坡的穩定性問題，得到了飽水時間對最終邊坡角的影響，為制定滑坡防治措施提供了依據。

綜上所述，現階段相關研究主要側重于分析層狀巖質邊坡的滑坡模式，對順傾邊坡加固防護方案分析研究較少。本文以新疆金寶礦業有限責任公司(下稱“金寶鐵礦”)南幫順傾巖質邊坡為研究對象，基于前人研究結果，獲取巖石與巖體力學參數；選取已滑坡區域剖面，運用數值模擬方法對南幫邊坡的滑坡機理進行分析；并對已滑坡區域和滑坡風險區進行加固，以期獲得合理的邊坡加固方案，保證礦山的安全生產。

1 工程概況及南幫結構面勘查

1.1 礦山概況

金寶鐵礦位于新疆維吾爾自治區富蘊縣，年產量400萬t，屬大型露天礦山。礦區整體海拔為1 000～1 300 m，地形北東高、南西低，相對高差為50～300 m；礦區北東和南西兩側的地形受切割影響嚴重，溝谷多呈“V”形；而礦區地形切割較淺，多呈“U” 形[19]。礦區年平均降水量271.31 mm，年平均蒸發量1 477.2 mm，11月至次年3月為冰凍期，凍土深1 m，積雪厚0.8～1.0 m。

露天采場長約2 000 m、寬約730 m。南幫設計最終邊坡角為47°；臺階高度為12 m，并段高度為24 m；終了階段坡面角為65°～70°；安全平臺寬度大于等于5 m，清掃平臺寬度大于等于8 m，安全平臺、清掃平臺相間布置。汽車運輸平臺寬度雙車道為15 m，單車道為9 m。封閉圈標高為1 080 m，礦坑全景如圖1所示，露天坑底標高為852 m，現狀984 m靠幫到界。

圖1 金寶鐵礦礦坑全景

1.2 南幫滑坡現狀

金寶鐵礦南幫終了邊坡高度達323 m，屬于陡傾層狀巖質邊坡。南幫邊坡工程地質條件較差，巖性復雜，不利于邊坡穩定的節理構造十分發育。近幾年，隨著不斷向深部開采，金寶鐵礦南幫區域逐漸靠幫，受自身巖性、構造等影響，在爆破震動、雨水、凍融等外部因素作用下，發生了不同規模的順層滑坡、崩塌、崩落等現象，尤其是201#勘探線—208#勘探線，已發生3次較大規?；?，分別發生在203#勘探線和207#勘探線附近。其中，203#勘探線2019年12月在礦區南上盤984～1 056 m發生第一次滑坡，2020年5月 在1 056～1 104 m發生了第二次滑坡。同時，在1 152 m平臺出現約220 m的長裂縫，裂縫寬度為12～18 cm；201#勘探線—208#勘探線1 080 m平臺出現約300 m的長裂縫，潛在滑坡風險較大。本文以203#勘探線附近發生的滑坡(如圖2所示)為例進行研究，選取滑坡區域AA剖面分析其滑坡機理，并對已滑坡區域AA剖面和東側滑坡風險區的BB剖面進行加固和穩定性分析，以保障礦山的安全生產。203#勘探線滑坡寬度約100 m，高度約120 m(984 m平臺至1 104 m平臺)，為順傾滑坡，表層巖性為角閃斜長片麻巖。

圖2 203#勘探線滑坡區域

1.3 結構面鉆孔勘查

使用數字鉆孔攝像技術對研究區域1 080 m平臺的3個鉆孔，進行了結構面鉆孔攝像勘查，通過圖像特征對孔內現象進行定性描述和定量分析，獲取67條節理，其中1號鉆孔的內部節理空間展布情況如圖3-a)所示。對鉆孔影像進行處理分析，采用DIPS軟件繪制極射赤平投影圖，如圖3-b)所示。統計數據表明：優勢結構面的傾向多集中在20°～40°，傾角多為45°～90°，其中大多數為50°～75°，其余的結構面傾角為45°以下。

2 邊坡滑坡機理分析

2.1 滑坡機理分析

南幫研究區域邊坡巖性為片麻巖，片理化結構，賦存于邊坡坡面傾向傾角相同的順傾層理，但層理走向與南幫整體走向斜交15°～20°，所以203#勘探線滑坡順傾層理在南幫西側切斷出露。爆破震動波(尤其是掘溝爆破)傳播到邊坡表面反射成拉伸波拉裂巖層，融雪和降雨、地下水順層理形成水楔壓力作用，促進巖層開裂滑移。北幫邊坡由于陽光照射作用，地下水對邊坡影響明顯減弱。區段巖層屬于中厚層狀結構，呈斜長板狀貼靠在西幫邊坡坡面，并段后安全平臺的側向支撐作用是保障斜長板穩定的關鍵，因此邊坡設計的安全平臺和清掃平臺寬度不夠，斜長板達到一定長度，導致了順傾滑移-剪切滑坡。綜上可知，該滑坡的滑坡模式為下部剪切上部拉裂的切層破壞。

2.2 已滑坡剖面數值模擬

本文使用二維有限元數值模擬軟件Phase2，該軟件可用于開挖和支護設計[20-21]，其優勢在于運用強度折減法的節理有限元法(JFEM-SSR)對所建立的節理邊坡模型進行分析時可同時考慮節理和巖體屬性。

通過前人巖石力學試驗，經Hoek-Brown法[22-23]綜合分析得到所需的5種巖體力學參數[24]，結果如表1所示。

本次研究設計治理南幫上盤中部984～1 104 m區域,邊坡高度超過200 m，受爆破震動與降雨影響較明顯，且布置有多條主要運輸道路，對邊坡安全生產管理至關重要。根據GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術規范》規定，選定加固后研究區域邊坡在工況一(自重+地下水)時工程安全系數為1.20，工況二(自重+地下水+爆破震動)時工程安全系數為1.18。

選取203#勘探線已滑坡區域AA的滑前剖面，并對剖面建立有限元節理網格模型，如圖4所示，針對模型施加位移邊界，在模型底部施加全方向固定約束，限制位移；在模型左右邊界施加x向約束，限制巖體水平位移；對模型整體施加y向約束，限制移動，模擬圍巖約束；邊坡坡面未設置其他邊界約束，可在重力及其他外力作用下自由移動。模型下部長567 m，右側高度321 m，左側高度150 m，劃分為15 278個網格，12 790個節點。模型中根據現場踏勘和結構面測試結果加入順傾75°層理和45°～75°隨機節理。由于滑坡區域片麻巖較破碎，層理間距8 m，節理間距10 m；其他區域層理間距10 m，節理間距10 m。在工況二受爆破震動影響下,根據實際情況設定水平向右震動荷載影響系數為0.012。

圖4 AA剖面數值模型

根據有限元模擬計算繪制出2次滑坡前表面位移,如圖5所示。根據位移云圖，第一次滑坡體從1 056 m 平臺沿節理滑至984 m平臺。第一次滑坡后，受陡傾節理影響，邊坡底部凌空，1 080～1 104 m形成滑坡體?；麦w高差、厚度與實際情況基本一致。2次滑坡前臨界系數分別為0.97和1.03，均低于規范允許的安全系數，模擬結果與實際滑坡情況基本一致。

3 加固方案及可行性研究

根據已有資料、現狀、勘查報告等綜合分析，判斷已滑AA剖面與失穩BB剖面的巖性、內部節理分布等基本一致，滑坡模式相同，故選取與已滑AA剖面相同的力學參數對BB剖面進行數值模擬。BB剖面安全系數為1.06，達不到允許安全系數，繼續發生和AA剖面類似滑動的概率較大，AA剖面滑坡后邊坡變陡，依然不穩定，故需對AA剖面和BB剖面所在區域進行加固治理。

露天礦邊坡滑坡體治理方式主要有削坡減載、回填壓坡腳和人工加固。削坡減載即降低邊坡高度或放緩坡腳，改變邊坡巖體的應力狀態。但是，削坡會影響1 104 m的運輸道路，因此不采用該方案?；靥顗浩履_采用廢石料堆填滑坡體前緣，增加抗滑力?？紤]到9—10月雨季對散體的沖刷會對下方開采造成影響，此方案也不宜采用。人工加固措施分為主動式加固(如錨桿、錨索等)和被動式加固(如擋墻、抗滑樁等)。被動式加固中擋墻適用于規模小、下滑力小的邊坡，且一般只能加固一個臺階滑體，對巖質邊坡加固時，邊坡高度需小于10 m，而金寶鐵礦南幫治理區單臺階高度為24 m?？够瑯缎枰斯ね诳栈驒C械鉆孔，增加了對原巖的擾動。此外，作業時處于滑動帶中，再加之井下作業，空間狹小，安全性低。因此，金寶鐵礦的露天邊坡加固措施采用人工主動式加固。

由于治理區域位于開采幫，每天都受爆破震動影響，在動荷載作用下，會逐漸弱化巖體結構面強度，且隨著采場下降，爆破震動對上部邊坡影響加大。依據DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設計與施工技術規范》、GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術規范》等規范對金寶鐵礦南幫上盤中部984～1 104 m 區域邊坡實施錨梁結構加固治理。選取預應力錨索和全長黏結性錨桿(參數如表2所示)，設置格構梁，增加加固邊坡的整體性，使坡面受力均勻，可以很大程度抵消爆破震動對邊坡的影響。加固后剖面如圖6所示，按照金寶鐵礦南幫滑坡治理研究設計報告，豎梁水平間距為3 m，橫梁排距為4.5 m。

圖6 984～1 104 m邊坡加固示意圖

對所選剖面進行加固后的位移云圖如圖7所示，AA剖面加固后2種工況下安全系數分別為1.23，1.27，BB剖面加固后在2種工況下安全系數分別為1.21，1.24，均高于規范允許的安全系數。由此可知，采取該加固方式可保證礦山的安全生產。

圖7 AA剖面和BB剖面加固后位移云圖

4 結 論

1)對研究區域結構面鉆孔攝像結果進行分析，得出區域內優勢結構面傾角多為50°～75°，傾向多為20°～40°。

2)基于滑坡區域工程地質勘查和滑坡機理分析，得出研究區域滑坡模式為下部剪切上部拉裂的切層破壞。

3)根據穩定性結果得到南幫邊坡易滑坡風險區域，提出針對順層邊坡長錨索錨桿與格構梁相配合的加固措施，驗算了該方案滿足規程要求，對邊坡加固方案和治理效果研究具有借鑒意義。