柴利蒙，孫東東，楊天鴻*，鄧文學(xué)，藍(lán)秋華，李金多

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院；2.新疆金寶礦業(yè)有限責(zé)任公司)

引 言

目前，中國(guó)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(kāi)采方式為主，占比達(dá)70 %以上。新疆地區(qū)鐵礦資源儲(chǔ)量豐富，特別是富鐵礦儲(chǔ)量居全國(guó)第二位，在露天開(kāi)采勘查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)礦區(qū)出露的地層以層狀結(jié)構(gòu)的沉積巖和變質(zhì)巖為主，順傾邊坡分布廣泛[2]。隨著露天開(kāi)采的進(jìn)行，采坑逐漸加深，邊坡高度增大，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降[3-5]。尤其是一些層狀邊坡由于層理、片理發(fā)育，在巖體質(zhì)量分級(jí)中屬于較差的巖體，當(dāng)巖層傾向和邊坡傾向同向(即順傾邊坡)時(shí)，加之爆破震動(dòng)、地震、降雨或冰雪融水等外部因素影響，極易發(fā)生滑坡災(zāi)害[6-9]。對(duì)于大型露天礦而言，其邊坡穩(wěn)定性已成為直接影響礦山安全生產(chǎn)與發(fā)展的重大問(wèn)題[10-12]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)層狀邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛的研究。陳從新等[13]根據(jù)相似理論建立地質(zhì)力學(xué)模型，研究了邊坡巖體的巖層傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，順層邊坡的主要變形方式為滑動(dòng)變形，破壞模式為滑移-拉裂破壞，滑動(dòng)過(guò)程為分級(jí)滑動(dòng)，越往后拉裂面傾角越小。ALEJANO等[14]總結(jié)了層狀邊坡潰屈破壞和滑劈破壞的具體模式，并提出了穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式與數(shù)值分析和物理模擬方法。邱俊等[15]結(jié)合大量邊坡傾倒破壞實(shí)例對(duì)順傾和反傾邊坡傾倒破壞形成條件及發(fā)育規(guī)模特征進(jìn)行了對(duì)比研究，得到順傾邊坡發(fā)生傾倒時(shí)的一般坡高(h)、邊坡坡角(β)、巖層傾角(α)，并提出了層狀巖質(zhì)邊坡“傾倒臨界傾角(δ)”的概念。當(dāng)順傾邊坡的δ≈60°，α>δ時(shí),邊坡將可能產(chǎn)生傾倒破壞;當(dāng)α<δ時(shí),邊坡通常產(chǎn)生“滑移-彎曲”或“滑移-拉裂”破壞。白潤(rùn)才等[16]以白音華1號(hào)露天煤礦為工程背景，利用Flac3D軟件對(duì)其北幫順傾邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了邊坡的滑坡模式和穩(wěn)定性，得到北幫順傾邊坡的滑坡模式為組合滑動(dòng)。王剛等[17]運(yùn)用有限元數(shù)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(jī)理和潛在滑坡模式，并給出了相應(yīng)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(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，得到了飽水時(shí)間對(duì)最終邊坡角的影響，為制定滑坡防治措施提供了依據(jù)。

綜上所述，現(xiàn)階段相關(guān)研究主要側(cè)重于分析層狀巖質(zhì)邊坡的滑坡模式，對(duì)順傾邊坡加固防護(hù)方案分析研究較少。本文以新疆金寶礦業(yè)有限責(zé)任公司(下稱“金寶鐵礦”)南幫順傾巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，基于前人研究結(jié)果，獲取巖石與巖體力學(xué)參數(shù)；選取已滑坡區(qū)域剖面，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)南幫邊坡的滑坡機(jī)理進(jìn)行分析；并對(duì)已滑坡區(qū)域和滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)進(jìn)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(chǎn)。

1 工程概況及南幫結(jié)構(gòu)面勘查

1.1 礦山概況

金寶鐵礦位于新疆維吾爾自治區(qū)富蘊(yùn)縣，年產(chǎn)量400萬(wàn)t，屬大型露天礦山。礦區(qū)整體海拔為1 000～1 300 m，地形北東高、南西低，相對(duì)高差為50～300 m；礦區(qū)北東和南西兩側(cè)的地形受切割影響嚴(yán)重，溝谷多呈“V”形；而礦區(qū)地形切割較淺，多呈“U” 形[19]。礦區(qū)年平均降水量271.31 mm，年平均蒸發(fā)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(chǎng)長(zhǎng)約2 000 m、寬約730 m。南幫設(shè)計(jì)最終邊坡角為47°；臺(tái)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(tái)寬度大于等于5 m，清掃平臺(tái)寬度大于等于8 m，安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)相間布置。汽車(chē)運(yùn)輸平臺(tái)寬度雙車(chē)道為15 m，單車(chē)道為9 m。封閉圈標(biāo)高為1 080 m，礦坑全景如圖1所示，露天坑底標(biāo)高為852 m，現(xiàn)狀984 m靠幫到界。

圖1 金寶鐵礦礦坑全景

1.2 南幫滑坡現(xiàn)狀

金寶鐵礦南幫終了邊坡高度達(dá)323 m，屬于陡傾層狀巖質(zhì)邊坡。南幫邊坡工程地質(zhì)條件較差，巖性復(fù)雜，不利于邊坡穩(wěn)定的節(jié)理構(gòu)造十分發(fā)育。近幾年，隨著不斷向深部開(kāi)采，金寶鐵礦南幫區(qū)域逐漸靠幫，受自身巖性、構(gòu)造等影響，在爆破震動(dòng)、雨水、凍融等外部因素作用下，發(fā)生了不同規(guī)模的順層滑坡、崩塌、崩落等現(xiàn)象，尤其是201#勘探線—208#勘探線，已發(fā)生3次較大規(guī)?；?，分別發(fā)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(qū)南上盤(pán)984～1 056 m發(fā)生第一次滑坡，2020年5月 在1 056～1 104 m發(fā)生了第二次滑坡。同時(shí)，在1 152 m平臺(tái)出現(xiàn)約220 m的長(zhǎng)裂縫，裂縫寬度為12～18 cm；201#勘探線—208#勘探線1 080 m平臺(tái)出現(xiàn)約300 m的長(zhǎng)裂縫，潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大。本文以203#勘探線附近發(fā)生的滑坡(如圖2所示)為例進(jìn)行研究，選取滑坡區(qū)域AA剖面分析其滑坡機(jī)理，并對(duì)已滑坡區(qū)域AA剖面和東側(cè)滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的BB剖面進(jìn)行加固和穩(wěn)定性分析，以保障礦山的安全生產(chǎn)。203#勘探線滑坡寬度約100 m，高度約120 m(984 m平臺(tái)至1 104 m平臺(tái))，為順傾滑坡，表層巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖。

圖2 203#勘探線滑坡區(qū)域

1.3 結(jié)構(gòu)面鉆孔勘查

使用數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)對(duì)研究區(qū)域1 080 m平臺(tái)的3個(gè)鉆孔，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面鉆孔攝像勘查，通過(guò)圖像特征對(duì)孔內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行定性描述和定量分析，獲取67條節(jié)理，其中1號(hào)鉆孔的內(nèi)部節(jié)理空間展布情況如圖3-a)所示。對(duì)鉆孔影像進(jìn)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的傾向多集中在20°～40°，傾角多為45°～90°，其中大多數(shù)為50°～75°，其余的結(jié)構(gòu)面傾角為45°以下。

2 邊坡滑坡機(jī)理分析

2.1 滑坡機(jī)理分析

南幫研究區(qū)域邊坡巖性為片麻巖，片理化結(jié)構(gòu)，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(cè)切斷出露。爆破震動(dòng)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(jìn)巖層開(kāi)裂滑移。北幫邊坡由于陽(yáng)光照射作用，地下水對(duì)邊坡影響明顯減弱。區(qū)段巖層屬于中厚層狀結(jié)構(gòu)，呈斜長(zhǎng)板狀貼靠在西幫邊坡坡面，并段后安全平臺(tái)的側(cè)向支撐作用是保障斜長(zhǎng)板穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此邊坡設(shè)計(jì)的安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)寬度不夠，斜長(zhǎng)板達(dá)到一定長(zhǎng)度，導(dǎo)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(shù)值模擬

本文使用二維有限元數(shù)值模擬軟件Phase2，該軟件可用于開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)計(jì)[20-21]，其優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)用強(qiáng)度折減法的節(jié)理有限元法(JFEM-SSR)對(duì)所建立的節(jié)理邊坡模型進(jìn)行分析時(shí)可同時(shí)考慮節(jié)理和巖體屬性。

通過(guò)前人巖石力學(xué)試驗(yàn)，經(jīng)Hoek-Brown法[22-23]綜合分析得到所需的5種巖體力學(xué)參數(shù)[24]，結(jié)果如表1所示。

本次研究設(shè)計(jì)治理南幫上盤(pán)中部984～1 104 m區(qū)域,邊坡高度超過(guò)200 m，受爆破震動(dòng)與降雨影響較明顯，且布置有多條主要運(yùn)輸?shù)缆?，?duì)邊坡安全生產(chǎn)管理至關(guān)重要。根據(jù)GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，選定加固后研究區(qū)域邊坡在工況一(自重+地下水)時(shí)工程安全系數(shù)為1.20，工況二(自重+地下水+爆破震動(dòng))時(shí)工程安全系數(shù)為1.18。

選取203#勘探線已滑坡區(qū)域AA的滑前剖面，并對(duì)剖面建立有限元節(jié)理網(wǎng)格模型，如圖4所示，針對(duì)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(duì)模型整體施加y向約束，限制移動(dòng)，模擬圍巖約束；邊坡坡面未設(shè)置其他邊界約束，可在重力及其他外力作用下自由移動(dòng)。模型下部長(zhǎng)567 m，右側(cè)高度321 m，左側(cè)高度150 m，劃分為15 278個(gè)網(wǎng)格，12 790個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和結(jié)構(gòu)面測(cè)試結(jié)果加入順傾75°層理和45°～75°隨機(jī)節(jié)理。由于滑坡區(qū)域片麻巖較破碎，層理間距8 m，節(jié)理間距10 m；其他區(qū)域?qū)永黹g距10 m，節(jié)理間距10 m。在工況二受爆破震動(dòng)影響下,根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定水平向右震動(dòng)荷載影響系數(shù)為0.012。

圖4 AA剖面數(shù)值模型

根據(jù)有限元模擬計(jì)算繪制出2次滑坡前表面位移,如圖5所示。根據(jù)位移云圖，第一次滑坡體從1 056 m 平臺(tái)沿節(jié)理滑至984 m平臺(tái)。第一次滑坡后，受陡傾節(jié)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(shí)際情況基本一致。2次滑坡前臨界系數(shù)分別為0.97和1.03，均低于規(guī)范允許的安全系數(shù)，模擬結(jié)果與實(shí)際滑坡情況基本一致。

3 加固方案及可行性研究

根據(jù)已有資料、現(xiàn)狀、勘查報(bào)告等綜合分析，判斷已滑AA剖面與失穩(wěn)BB剖面的巖性、內(nèi)部節(jié)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(xué)參數(shù)對(duì)BB剖面進(jìn)行數(shù)值模擬。BB剖面安全系數(shù)為1.06，達(dá)不到允許安全系數(shù)，繼續(xù)發(fā)生和AA剖面類似滑動(dòng)的概率較大，AA剖面滑坡后邊坡變陡，依然不穩(wěn)定，故需對(duì)AA剖面和BB剖面所在區(qū)域進(jìn)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(yīng)力狀態(tài)。但是，削坡會(huì)影響1 104 m的運(yùn)輸?shù)缆?，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(duì)散體的沖刷會(huì)對(duì)下方開(kāi)采造成影響，此方案也不宜采用。人工加固措施分為主動(dòng)式加固(如錨桿、錨索等)和被動(dòng)式加固(如擋墻、抗滑樁等)。被動(dòng)式加固中擋墻適用于規(guī)模小、下滑力小的邊坡，且一般只能加固一個(gè)臺(tái)階滑體，對(duì)巖質(zhì)邊坡加固時(shí)，邊坡高度需小于10 m，而金寶鐵礦南幫治理區(qū)單臺(tái)階高度為24 m?？够瑯缎枰斯ね诳栈驒C(jī)械鉆孔，增加了對(duì)原巖的擾動(dòng)。此外，作業(yè)時(shí)處于滑動(dòng)帶中，再加之井下作業(yè)，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(dòng)式加固。

由于治理區(qū)域位于開(kāi)采幫，每天都受爆破震動(dòng)影響，在動(dòng)荷載作用下，會(huì)逐漸弱化巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，且隨著采場(chǎng)下降，爆破震動(dòng)對(duì)上部邊坡影響加大。依據(jù)DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》、GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范對(duì)金寶鐵礦南幫上盤(pán)中部984～1 104 m 區(qū)域邊坡實(shí)施錨梁結(jié)構(gòu)加固治理。選取預(yù)應(yīng)力錨索和全長(zhǎng)黏結(jié)性錨桿(參數(shù)如表2所示)，設(shè)置格構(gòu)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(dòng)對(duì)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(shè)計(jì)報(bào)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(duì)所選剖面進(jìn)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(shù)分別為1.23，1.27，BB剖面加固后在2種工況下安全系數(shù)分別為1.21，1.24，均高于規(guī)范允許的安全系數(shù)。由此可知，采取該加固方式可保證礦山的安全生產(chǎn)。

圖7 AA剖面和BB剖面加固后位移云圖

4 結(jié) 論

1)對(duì)研究區(qū)域結(jié)構(gòu)面鉆孔攝像結(jié)果進(jìn)行分析，得出區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面傾角多為50°～75°，傾向多為20°～40°。

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

3)根據(jù)穩(wěn)定性結(jié)果得到南幫邊坡易滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，提出針對(duì)順層邊坡長(zhǎng)錨索錨桿與格構(gòu)梁相配合的加固措施，驗(yàn)算了該方案滿足規(guī)程要求，對(duì)邊坡加固方案和治理效果研究具有借鑒意義。