鄭祿璟 鄭祿林 常曉娜 韓 斌

(1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州貴陽550001;2.英屬哥倫比亞大學采礦學院，加拿大溫哥華V5Z1L5;3.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083)

邊坡穩(wěn)定性是影響露天礦山安全高效生產(chǎn)的重要因素，同時也與礦山地質(zhì)環(huán)境的保護密切相關(guān)。影響露天礦山穩(wěn)定性的影響因素可分為內(nèi)因和外因兩大類。內(nèi)因主要包括巖石性質(zhì)如礦物組成和結(jié)構(gòu)類型以及邊坡地質(zhì)構(gòu)造如斷層、層理、節(jié)理等，是巖體的固有性質(zhì);外因主要包括水、開挖爆破、以及風化等，是巖體所處的外界環(huán)境。貴州錦豐金礦巖石類型主要為泥巖、砂巖，以及泥巖和砂巖的互層結(jié)構(gòu)，巖體具有強度低較破碎、易風化崩解、遇水易泥化等特點，露天開采過程中，邊坡的東南西北4個方位都出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。針對以上情況，本研究對錦豐金礦露天邊坡破壞的影響因素進行分析，并結(jié)合礦山實際提出有效治理措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

錦豐露天礦區(qū)處于賴子山背斜東翼的鼻狀突起部位，其礦床主要賦存于北東、北西向斷裂帶中。礦區(qū)巖層主要為中三疊統(tǒng)邊陽組、尼羅組、許滿組沉積巖，其巖性總體上以砂巖、黏土巖為主，其中砂巖單軸抗壓強度為27～59 MPa，黏土巖單軸抗壓強度為21.1～37.2 MPa，在分布上砂巖、黏土巖構(gòu)成厚薄不均的互層。

礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的褶皺有林壇背斜、爛泥溝向斜及上冗半向斜。次有北東、北西西向、近東西向的褶曲疊加于上述北西向主體褶皺構(gòu)造之上，以及與主干斷裂構(gòu)造伴生的同斜褶曲、倒轉(zhuǎn)褶曲、平臥褶曲等。

礦區(qū)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，主要有北西向、北東向及南北向3個走向組。北西向組主要有F14、F5、F3、F4、F6、F8、F20，廣布于礦區(qū)中部、東部及北部，為礦區(qū)之主體構(gòu)造;北東向組斷裂構(gòu)造主要有F2、F13、F10;南北向組有F1、F9、F7等，其中F2、F3、F6為礦區(qū)控礦斷層(如圖1所示)。

圖1 錦豐控礦斷層Fig.1 Jinfeng deposit controlling faults

1.2 氣候條件

錦豐礦區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏季炎熱。據(jù)錦豐現(xiàn)場2008—2013年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，年平均氣溫為24.9℃，最低月平均氣溫為11.8℃(1—2月)，最高月平均氣溫33.4℃(7—8月)。年蒸發(fā)量1 408 mm，年降雨量1 118.80 mm，降雨量多集中在5—9月，降雨量達872.10 mm，占全年降雨量的77.95%。單日最大降雨量為224 mm。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

2.1 巖體結(jié)構(gòu)面

巖體結(jié)構(gòu)面是巖體在形成過程中或開裂之后出現(xiàn)的具有一定產(chǎn)狀、規(guī)模、形態(tài)和特性的面、縫、層、帶狀的地質(zhì)界面，包括斷層、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層及層間錯動等。結(jié)構(gòu)面使巖體表現(xiàn)出非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性的特征，對巖體的變形、破壞發(fā)展具有直接影響。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及對邊坡失穩(wěn)實例的觀察分類，錦豐露天邊坡主要變型破壞模式主要有以下5種類型。

2.1.1 平面破壞

平面破壞與邊坡幾何條件緊密相關(guān)。發(fā)生此類邊坡失穩(wěn)破壞的多為含有軟弱夾層的順層邊坡，即巖層的走向和傾向與邊坡的走向和傾向近似一致(實際工程中邊坡走向與巖層走向夾角小于20°)。當巖層傾角介于內(nèi)摩擦角和邊坡坡面角之間時，順層邊坡巖體通常沿最不利的剪切滑動面向邊坡面方向滑動，造成平面失穩(wěn)破壞(圖2)。如采坑西部邊坡660～ 640 m水平曾出現(xiàn)順層塌方，方量約60 m3(圖3)。

圖2 平面破壞原理Fig.2 Princip le of planer failure

圖3 西部邊坡平面塌方Fig.3 Planer failure on west wall

2.1.2 楔形破壞

邊坡中存在2組與邊坡斜交且相互形成楔形體的結(jié)構(gòu)面。當2結(jié)構(gòu)面的組合相交線與邊坡傾向一致，且傾角介于內(nèi)摩擦角和邊坡坡面角之間時，易發(fā)生楔形破壞(圖4)。如采坑南部邊坡540～530 m水平曾出現(xiàn)較大面積的楔形體塌方，塌方量約為650 m3(圖5)。

圖4 楔形體破壞原理Fig.4 Princip le of wedge failure

圖5 南部邊坡楔形體塌方Fig.5 Wedge failure on south wall

2.1.3 傾倒破壞

當巖層走向與邊坡走向近似一致且?guī)r體結(jié)構(gòu)面較陡時，巖塊在自重、開挖等多重作用下向外向下產(chǎn)生傾倒破壞(圖6)。如北部邊坡680～660 m水平曾出現(xiàn)傾倒式塌方(圖7)。

圖6 傾倒式破壞原理Fig.6 Princip le of topp ling failure

圖7 北部邊坡傾倒式塌方Fig.7 Toppling failure on north wall

2.1.4 圓弧形破壞

邊坡巖石條件較差，如高度風化或者連續(xù)破碎的巖石或巖石回填體，易發(fā)生滑動面近似圓弧形式的破壞。破壞區(qū)域一般節(jié)理裂隙極其發(fā)育，巖體為碎裂或散體結(jié)構(gòu)(圖8)。如西部邊坡560～525 m水平曾出現(xiàn)大范圍圓弧形塌方，塌方量多達5 000 m3(圖9)。

圖8 圓弧形破壞原理Fig.8 Princip le of circular failure

圖9 西部邊坡圓弧形塌方Fig.9 Circular failure on west wall

2.1.5 土質(zhì)邊坡滑坡

松散土質(zhì)邊坡易受雨水影響出現(xiàn)沉降，最終導致整體塌方。土質(zhì)邊坡內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角較小，在雨水作用下，其孔隙水壓力增大導致土體粒間結(jié)合力變差、透水性增強，土壓力平衡改變，出現(xiàn)塌方。錦豐露天金礦西部邊坡660～620 m水平及北部邊坡680～640 m水平均有10多m的松散土體覆蓋。開挖后，原有應(yīng)力平衡受到破壞，加之雨水影響，西部土質(zhì)邊坡大面積下沉，北部680 m水平局部邊坡出現(xiàn)塌方(圖10)。

圖10 北部土質(zhì)邊坡坍塌Fig.1 0 Soil slope failure on north wall

2.2 水的影響

影響露天邊坡穩(wěn)定性的水包括地表水和地下水，地表水又可通過滲流轉(zhuǎn)為地下水。水與露天邊坡的穩(wěn)定性密切相關(guān)。根據(jù)歷年數(shù)據(jù)，錦豐金礦露天邊坡的失穩(wěn)破壞60.3%發(fā)生在雨季(5—9月)，并且邊坡失穩(wěn)與降雨量的大小密切相關(guān)。水的影響主要包括靜水壓力、動水壓力和軟化。

2.2.1 靜水壓力

水體充填到邊坡巖體張裂隙而產(chǎn)生壓力，邊坡坡面、平臺的陡傾張裂隙充水，滑體承受靜水壓力。遇連續(xù)降雨或暴雨時，此類靜水壓力對平面破壞和傾倒破壞具有較大促進作用。同時，水對邊坡穩(wěn)定性的影響程度與地下水位及巖石透水性密切相關(guān)。地下水位越高，巖石導水性越差，對邊坡穩(wěn)定性影響越大。

2.2.2 動水壓力

某些巖層邊坡滲水性較強，地下水滲流在水力梯度作用下對邊坡產(chǎn)生動水壓力，滲入巖體孔隙中，降低結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)，降低抗剪切強度，不利于邊坡穩(wěn)定。

2.2.3 軟 化

水的軟化作用隨巖性不同差異很大。邊坡中親水性較強或存在易溶性礦物的軟弱巖層或軟弱結(jié)構(gòu)面，經(jīng)水體侵蝕后易發(fā)生泥化、溶解，使巖體原有結(jié)構(gòu)遭到破壞并對結(jié)構(gòu)面起到潤滑作用，影響邊坡穩(wěn)定。

2.3 爆 破

露天礦爆破是在邊坡的靜態(tài)載荷基礎(chǔ)上施加動態(tài)作用，從而改變邊坡巖體的內(nèi)部應(yīng)力。爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波對爆破漏斗以外巖體造成損傷，包括促使裂紋的產(chǎn)生、擴展和惡化。多次爆破、反復加載會使受損巖體逐漸失衡并發(fā)生破壞。爆破并不是對整個開挖巖體造成影響，而是對介于挖掘邊界和未受擾動原巖之間的巖體產(chǎn)生損害。爆破影響區(qū)域的厚度H決定于爆破參數(shù)設(shè)計。Hoek and Karzulovic認為根據(jù)生產(chǎn)爆破可大致估計爆破影響區(qū)域的范圍(見表1，T為影響深度)。

表1 生產(chǎn)爆破影響區(qū)域范圍Table1 The affect area of production blasting

此外，風化、巖石開挖等因素也會對露天邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度影響。

3 工程治理措施及效果

針對影響錦豐露天礦山邊坡穩(wěn)定性的主要因素及破壞模式，并根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，分別提出相應(yīng)治理措施。主要包括邊坡加固、排水及控制爆破。

3.1 邊坡加固

錦豐露天邊坡治理措施主要有長錨索、噴錨網(wǎng)、抗滑樁、HDPE防滲膜、攔截網(wǎng)等。在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中根據(jù)邊坡的破壞模式、邊坡的重要性以及服務(wù)年限進行支護參數(shù)設(shè)計、支護選型及組合。

3.1.1 平面破壞加固技術(shù)參數(shù)及效果

南部邊坡總高度170 m，總體邊坡角37°，屬于典型的順層邊坡，巖層走向與邊坡走向夾角小于20°，傾角為38°～42°，580～520 m水平曾出現(xiàn)過大面積平面滑坡，2009年削坡后采用長錨索+噴錨網(wǎng)進行支護。

(1)支護要領(lǐng)。由于平面破壞的潛在滑移面通常較淺，因此對長錨索長度要求較低，能夠穿過潛在滑移面2～3 m即可滿足支護要求。

(2)技術(shù)參數(shù)。錨索長度一般選擇8～12 m，水平間距為2 m，垂直間距為2.5 m(第1排距坡頂線1.5 m)。錨網(wǎng)網(wǎng)格為20 cm×20 cm，錨桿長1.8 m，噴漿厚度不小于60 cm，強度不低于15 MPa。

(3)應(yīng)用效果。根據(jù)礦區(qū)巖石易風化剝蝕等特點，采用噴錨網(wǎng)對邊坡進行封閉，保證長錨索錨固頭不被破壞，從而實現(xiàn)邊坡的整體穩(wěn)定。支護效果如圖11。

圖1 1南部邊坡平面破壞支護(單位:m)Fig.1 1 Support design of planar failure on south wall(unit:m)

3.1.2 楔形體破壞加固技術(shù)參數(shù)及效果

東南部邊坡635～590 m水平斷層面和巖層結(jié)構(gòu)面形成楔形體結(jié)構(gòu)，若不采取支護手段可能存在大面積楔形體塌方的風險。

(1)支護要領(lǐng)。由于楔形體塌方的潛在滑移面深淺不一，所需長錨索的長度也有不同，需要根據(jù)潛在滑移面深度選擇相應(yīng)錨索進行加固。

(2)技術(shù)參數(shù)。長錨索長度選擇8～20 m，水平間距為2 m，垂直間距為2.5 m(第1排距坡頂線1.5 m)。錨網(wǎng)網(wǎng)格為20 cm×20 cm，錨桿長1.8 m，，噴漿厚度不小于60 cm，強度不低于15 MPa。

(3)應(yīng)用效果。由于此處巖體完整性較好，為降低大面積噴錨網(wǎng)支護產(chǎn)生的高昂成本，采用掛網(wǎng)代替噴錨網(wǎng)進行支護(局部區(qū)域噴錨網(wǎng))。按照此種支護方式及參數(shù)利用Swedge軟件進行模擬，未進行支護時，安全系數(shù)為0.72，支護后安全系數(shù)為1.22，如圖12所示。

圖12 東南部楔形體破壞支護Fig.1 2 Support effect of wedge failure on south east wall

3.1.3 圓弧形破壞加固技術(shù)參數(shù)及效果

西部邊坡處于F3和F2斷層交匯處，邊坡巖體極其破碎，曾出現(xiàn)方量超過5 000 m3的圓弧形塌方。

(1)支護要領(lǐng)。對于該大型圓弧形滑坡，由于滑移面底部巖層傾角小(15°～20°)，采用抗滑樁對潛在滑移面進行加固可大大的增加其抗滑力，因此選用長錨索和抗滑樁對該區(qū)域進行加固。

(2)技術(shù)參數(shù)。在潛在滑移面底部安裝一排抗滑樁，深10 m，水平間距2 m，傾角75°(與巖層近似垂直)。抗滑樁采用10#工字鋼安裝，全孔灌漿。錨索長度根據(jù)不同臺階的潛在滑移面選擇，長度為12～20 m，水平間距2 m，垂直間距2.5 m(第1排距坡頂線1.5m)。錨網(wǎng)網(wǎng)格為20 cm×20 cm，錨桿長1.8 m，噴漿厚度不小于60 cm，強度不低于15 MPa。

(3)應(yīng)用效果?？够瑯犊捎行фi住潛在滑移面的底部，長錨索給巖層提供預應(yīng)力，將潛在滑動區(qū)有效錨固在穩(wěn)定區(qū)域巖體中，確保了邊坡的整體穩(wěn)定。噴錨網(wǎng)可有效防止巖體表層風化、雨水滲入邊坡。支護設(shè)計如圖13。

圖1 3西部邊坡圓弧形破壞支護(單位:m)Fig.1 3 Support design of circular failure on west wall(unit:m)

3.1.4 傾倒式破壞加固技術(shù)參數(shù)及效果

傾倒式破壞多發(fā)生在采坑北部邊坡。此區(qū)域巖層多為砂巖和泥巖互層，且破壞區(qū)域多以中厚層砂巖為主。

(1)支護要領(lǐng)。根據(jù)傾倒式破壞的力學原理，可采用上向長錨索+鋼帶的支護方式進行加固，使得長錨索產(chǎn)生的抗滑力達到最大。

(2)技術(shù)參數(shù)。支護孔鉆孔方向為上向10°～15°，錨索長度一般選用8～10m。鋼帶長8m，寬0.3 m。

(3)應(yīng)用效果。從錦豐北部邊坡大量的支護實踐表明，該種支護方式對于傾倒式塌方具有良好支護效果，且支護成本低，普遍應(yīng)用于存在傾倒式破壞風險的邊坡。

3.1.5 土質(zhì)邊坡滑坡支護方式及加固效果

(1)支護要領(lǐng)。水是影響土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的最大因素，該類邊坡加固時可考慮采用地表防水和地下水疏通相結(jié)合的方式進行。

(2)應(yīng)用效果。HDPE防滲膜具有防水效果好、抗拉和耐風化等特點，采用厚1.0 mm防滲膜對采坑西部土質(zhì)邊坡進行防護，自防護后至今仍保持穩(wěn)定，見圖14。

圖14 西部土質(zhì)邊坡防護效果Fig.1 4 Support effect of soil slope failure on west wall

3.2 地表、地下水控制

錦豐礦區(qū)年降雨量大，根據(jù)近3 a現(xiàn)場降雨量統(tǒng)計，最大年降雨量達到1 341.6 mm，最大月降雨量為2009年6月(419.8mm)。因此錦豐露天礦作為凹陷式露天礦山，地表排水至關(guān)重要。雨水不僅影響正常的采礦作業(yè)，更是對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生極大威脅。

3.2.1 地表水控制

混凝土修筑而成的截(排)水溝能夠有效阻止地表水滲透到邊坡內(nèi)部。目前錦豐露天地表排水主要有東部620 m至南部600 m截水溝、西部580 m至520 m主運礦道排水溝及主采坑水泵排水，其中截(排)水溝采用溝底噴漿加水泥抹面方式進行防滲水處理，排水效果良好。

3.2.2 仰斜泄水孔

邊坡內(nèi)賦存有地下水，其水源主要為地表降雨下滲，雨水下滲后主要集中在構(gòu)造帶，如西部F2F3斷層帶、F6斷層帶、巖石破碎區(qū)以及順反傾斜巖層處，如南部邊坡(順層巖層)和北部局部區(qū)域(反傾斜巖層)?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，采用仰斜泄水孔(向上傾斜約5～10°)進行排水能夠有效減小地下水壓，具有明顯效果。泄水孔參數(shù)主要為10 m×10 m×30 m(排距×孔距×孔深)，上向5°～10°，在泄水孔中插入PVC排水管(PVC管表面按一定參數(shù)鉆小孔，泄水孔內(nèi)的水經(jīng)由小孔流入PVC管內(nèi))，可有效保護孔壁，防止坍塌，將地下水引出。

3.3 控制爆破

根據(jù)巖石條件，錦豐金礦在靠近最終邊坡時采用高精度雷管逐孔起爆的爆破方式進行修邊爆破。修邊爆破是臨近最終邊坡或重要邊坡時預留16 m寬的區(qū)域暫不進行爆破，待正常生產(chǎn)爆破結(jié)束，開挖揭露出自由面之后再進行爆破，并通過對孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥量和爆破網(wǎng)絡(luò)等進行特殊控制調(diào)整的爆破方式。正常生產(chǎn)爆破孔網(wǎng)參數(shù)為6 m×7 m(孔距×排距)，孔徑165 mm，孔深10 m;修邊爆破孔網(wǎng)參數(shù)為4 m×5 m(孔距×排距)，孔徑115mm，孔深5m。同時，通過逐孔起爆，減小同段起爆藥量，有效控制爆破震動及飛石，降低爆破對邊坡的破壞程度。

為盡可能減小爆破對邊坡的破壞，錦豐金礦修邊爆破采用“多打孔少裝藥”的方式，由阿特拉斯L8鉆機按5 m臺階高度、115 mm炮孔進行布置。嚴格控制爆破寬度為4排孔，共16 m寬，自由面不能出現(xiàn)壓渣情況。多年現(xiàn)場經(jīng)驗表明，逐孔起爆的清渣修邊爆破技術(shù)能夠有效控制爆破震動，實現(xiàn)邊坡保護程度最大化。

4 結(jié)論

(1)錦豐露天金礦具有地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖體易風化、軟弱巖體遇水易泥化等特征，其主要破壞因素包括巖體構(gòu)造、降雨、爆破等。主要破壞模式有平面滑坡、楔形體塌方、圓弧形塌方、傾倒式坍塌及土體邊坡塌方。根據(jù)引起邊坡破壞的因素和模式，進行綜合加固，加固總面積達65 300 m2，使坡面角達到55°～60°，整體邊坡角達到34°～40°，邊坡最大高差達到275 m，實現(xiàn)了深凹露天礦陡幫開采，取得較好的經(jīng)濟效益。

(2)針對平面破壞、楔形體破壞、圓弧形破壞及傾倒式破壞分別采用不同的邊坡加固治理措施。大量實踐經(jīng)驗表明，平面和楔形體破壞采用長錨索+噴錨網(wǎng)支護具有良好的支護效果;圓弧形破壞采用長錨索+噴錨網(wǎng)+抗滑樁支護具有良好的加固效果;傾倒式破壞采用上向長錨索+鋼帶支護，不僅支護效果良好，且支護成本低;土質(zhì)邊坡采用HDPE防滲膜進行防雨處理取得良好的治理效果。

(3)水是影響錦豐露天邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一，露天截(排)水成為邊坡穩(wěn)定性控制的重要治理措施。通過在620 m水平至600 m水平修筑截水溝可有效攔截該區(qū)域上方的地表水，沿運礦道靠近邊坡一側(cè)修筑排水溝可有效阻止雨水滲入邊坡。采用仰斜泄水孔進行地下水排水，可有效降低邊坡內(nèi)部地下水位，從而降低地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(4)錦豐露天礦采用高精度雷管起爆的爆破方式進行修邊爆破。逐孔起爆的清渣修邊爆破技術(shù)能夠有效控制爆破震動，最大程度降低邊坡爆破區(qū)域影響范圍，實現(xiàn)邊坡保護的程度最大化，有效減少邊坡的支護量。

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