黃篤學(xué)， 陳 越， 胡亞軍， 榮 輝， 黃海鵬， 王少華

（1.河鋼集團礦業(yè)有限公司，河北 唐山063700； 2.黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱150036）

邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展以及礦山閉坑后的綜合利用，是影響礦山開采技術(shù)經(jīng)濟的重要因素之一［1］。 河鋼集團司家營北區(qū)露天礦由司家營鐵礦和研山鐵礦組成，地表長2.9 km，寬1.6 km，按設(shè)計最終境界邊坡高度將達(dá)到602 m，南北向單面邊坡暴露面積約115 萬平方米，屬于大型深凹露天礦高陡邊坡。 目前，整個礦區(qū)除下盤局部靠幫外，其余均為工作幫狀態(tài)。 雖然礦山針對邊坡穩(wěn)定和安全開展了大量研究及實踐工作，但受巖性、水、邊坡和巖層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、人工爆破擾動等各種因素的綜合影響［2-3］，仍發(fā)生過多次規(guī)模不等的局部滑坡災(zāi)害，嚴(yán)重威脅采場底部采礦人員及設(shè)備的安全。 因此對采場邊幫潛在滑坡破壞模型進(jìn)行預(yù)判分析并制定相應(yīng)治理方案變得尤為重要。

1 邊坡地質(zhì)概況

司家營礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置為燕山褶皺帶山海關(guān)隆起之昌黎凸起的西南邊緣地帶，褶皺構(gòu)造發(fā)育，邊坡巖體位于司家營向斜的東翼、新河背斜的西翼，區(qū)內(nèi)發(fā)育少量褶皺和小型彎曲。

采區(qū)內(nèi)中元古界長城系大紅峪組石英砂巖作為沉積蓋層呈角度不整合覆蓋在新太古界單塔子巖群白廟子組黑云變粒巖、混合巖化黑云變粒巖、鉀長石化云母片巖等變質(zhì)巖系及BIF（太古代沉積變質(zhì)鐵礦）之上。采場上盤邊坡（西幫）屬于反傾邊坡，上部由第四系粉土、黏土和粉細(xì)砂組成（正逐步剝離），下部為石英砂巖。 巖層傾向近西，傾角40°～55°。 采場下盤邊坡（東幫）屬于順層巖質(zhì)邊坡，第四系和石英砂巖已經(jīng)全部被剝離，因此以鉀長石化白云母片巖、黑云變粒巖夾BIF 為主，邊坡總體產(chǎn)狀為傾向270°，傾角50°～60°。其中位于下部層位的鉀長石化白云母片巖經(jīng)風(fēng)化后呈土黃色，極易破碎，遇水后呈泥狀，是易造成邊坡失穩(wěn)滑塌的巖石類型。 根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)鉆孔資料，初步推測強風(fēng)化層底部埋深約100 m，中風(fēng)化層底部埋深約140 m，以下為弱風(fēng)化層。

2 邊坡潛在破壞模式分析

2.1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面分析

為了進(jìn)一步查清邊幫巖體結(jié)構(gòu)面空間展布特征，為區(qū)分風(fēng)化帶、評價巖體質(zhì)量和確定巖體力學(xué)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用RG 電視測井儀和3GSM 三維巖體不接觸測量技術(shù)，對采場進(jìn)行礦巖體裂隙和結(jié)構(gòu)面數(shù)字?jǐn)z影測量。 受施工及測量場地所限，鉆孔數(shù)據(jù)以東幫為主。 孔內(nèi)勘察所得節(jié)理產(chǎn)狀如表1 所示。 結(jié)果表明，露天采場東幫深部巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面是順傾結(jié)構(gòu)面，傾角多位于40°～60°之間，傾向多位于230°～270°之間，結(jié)構(gòu)面與邊坡傾向一致，是造成邊坡失穩(wěn)的不良因素之一，極不利于采場東幫邊坡的穩(wěn)定。

表1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計表

3GSM 結(jié)構(gòu)面攝影測量以東幫＋20 m 平臺測點為例，將現(xiàn)場所獲取的測點左右視圖導(dǎo)入ShapeMetrix 3D軟件分析系統(tǒng)，圈定出重點測量區(qū)域，系統(tǒng)經(jīng)過技術(shù)處理，得到巖體表面的三維視圖，并根據(jù)三維圖上主要節(jié)理裂隙的分布情況及3GSM 分組原則對其進(jìn)行分組，繪制出如圖1 所示的赤平極射投影。 結(jié)果顯示，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為：129.21°∠60.76°，286.91°∠47.33°，351.49°∠66.98°。

圖1 結(jié)構(gòu)面赤平極射投影

2.2 邊坡潛在破壞模式分析

邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害過程，而破壞模式是邊坡穩(wěn)定性分析的基本依據(jù)［4］。 不同破壞模式對應(yīng)不同的滑動面和治理方式。 以N26 線為例，對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡赤平極射投影運動分析，結(jié)果如圖2 所示。 結(jié)果顯示，礦區(qū)邊坡潛在破壞模式主要分為平面破壞、楔形破壞、崩塌傾倒破壞3 種類型。其中東幫順層邊坡主要潛在破壞模式為平面型破壞，以順層滑移破壞、滑移拉裂破壞和滑劈破壞為主，破壞規(guī)模往往達(dá)到2 個臺階。 楔形破壞模式在采場中分布較多，其規(guī)模受結(jié)構(gòu)面規(guī)?？刂?，大者可達(dá)整個臺階高度，而小者則不足1 m，是一種極典型的邊坡局部破壞模式。 但從邊坡整體規(guī)模角度來說，楔形體破壞影響小，僅需在坡角處作業(yè)時引起足夠重視即可。 崩塌、傾倒破壞主要存在于邊坡西幫和北幫上部水平大紅峪組砂巖和下部板狀黑云變粒巖中。 另外礦區(qū)第四系特厚沖積層以圓弧形滑坡破壞模式為主，隨著第四系逐漸剝離，此種破壞模式將不再成為治理重點。

圖2 N26 線滑坡赤平極射投影運動分析

3 邊坡整體穩(wěn)定性分析

基于早期勘探、測繪和生產(chǎn)勘探獲取的地質(zhì)資料，通過3Dmine 軟件對礦區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)三維地質(zhì)建模。三維模型中主要包含了開采境界模型、斷層和巖性分界面模型以及地層模型［5］。

將上述模型導(dǎo)入FLAC3D軟件，利用其強大的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析功能，對礦區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。 分析結(jié)果顯示，現(xiàn)狀工況下，采場東幫在N24 ～N28 號勘探線之間臺階呈現(xiàn)出剪切破壞狀態(tài)，N14～N16 號勘探線之間臺階也有少量剪切破壞特征。 當(dāng)開挖至2022 年時，破壞范圍將有所擴大，且礦坑底部出現(xiàn)少量位移反彈現(xiàn)象，當(dāng)開挖至最終境界，破壞范圍進(jìn)一步擴大，且位移反彈更加明顯。 由此可見在宏觀上大致確定需重點監(jiān)測及加固區(qū)域應(yīng)該在東幫N24～N28 勘探線運輸?shù)缆废?18 及-42 臺階。

針對重點治理區(qū)域建立1 856 m × 900 m 的數(shù)值模型如圖3 所示，通過對露天開采境界之內(nèi)巖體一步開挖，形成坡高572 m、最終邊坡角34°的開采邊坡數(shù)值模型。 選擇更適用于順層巖質(zhì)邊坡破壞機理分析的各向異性模型，結(jié)果表明，各向異性模型考慮了優(yōu)勢節(jié)理方向（傾角55°的順傾向節(jié)理）的影響，滲流通道具有明顯的方向性，滲流對邊坡穩(wěn)定性影響主要為浮托力作用，滲流應(yīng)力耦合作用不強烈。 在潛在破壞模式方面，各向異性模型計算得出邊坡?lián)p傷區(qū)在風(fēng)化帶出現(xiàn)平面型破壞區(qū)，當(dāng)巖層傾角達(dá)到45°時，邊坡?lián)p傷區(qū)最大，而當(dāng)邊坡層理傾角達(dá)到55°，即現(xiàn)場實測優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面傾角時，邊坡?lián)p傷區(qū)呈近似平面型破壞。

圖3 N26 剖面計算數(shù)值模型

4 治理方案

4.1 排水方案

礦坑?xùn)|幫距離河流60～800 m，治理前每天涌水量（4～5）萬立方米左右，滲流速度可達(dá)2 000 m／d。 采用地下連續(xù)墻堵水為主、排水管疏干排水為輔的疏堵結(jié)合治水方法后，堵水率達(dá)80%以上，保證了礦山正常生產(chǎn)。 但利用紅外熱像儀對東邊坡進(jìn)行全方位掃描觀測，仍可發(fā)現(xiàn)明顯出水點，不利于邊坡的穩(wěn)定性，需要采取放水孔疏干，匯集到排水溝內(nèi)。

具體布置方案為：主運輸?shù)缆飞戏脚潘?，擬在N24～N26 線按每組50 m 間距布置，其他區(qū)域按每組100 m 間距布置，排水孔長度70 m。 對于-67 m 平臺排水孔，按每組100 m 間距布置，排水孔長度80 m，5°的向上仰角，每個位置施工3 個孔，成20°夾角傘形分布，共布置放水孔19 組。

4.2 加固方案優(yōu)化

4.2.1 加固現(xiàn)狀

以重點治理區(qū)域東幫N26 線附近及附近區(qū)域-18～-67 m 水平為例，礦山目前采取的是錨索格構(gòu)梁的加固方案。 錨索間距5.0 m × 6.0 m，采用鉆機成孔。 之后以錨索處為節(jié)點布置格構(gòu)梁，格構(gòu)梁截面尺寸為30 cm × 30 cm，在格構(gòu)梁內(nèi)部分坡面及坡頂部位采用C25 混凝土噴射護(hù)坡，噴砼厚度5 cm。 開采到最終境界時，東幫邊坡暴露面積約115 萬平方米，若全部采用此方案大約需要花費9 億元。 因此，優(yōu)化加固參數(shù)并確定整體邊坡的加固方案意義重大。

4.2.2 優(yōu)化方案

鑒于現(xiàn)有加固方式雖然費用較高、但效果良好的實際情況，本次仍采用錨索格構(gòu)梁的治理措施，僅對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1） 優(yōu)化原則。 根據(jù)《非煤礦山露天邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)前邊坡高度高于200 m，邊坡工程屬于Ⅱ級安全等級，以自重＋地下水荷載組合下的安全系數(shù)為1.2 確定臨界滑動面深度。

2） 內(nèi)錨固端長度。 根據(jù)邊坡鉆孔攝像的節(jié)理發(fā)育程度分析，推測強風(fēng)化與微風(fēng)化中間存在約15 m 厚的中風(fēng)化層，建議以此作為錨索加固的持力層。 根據(jù)錨固力大小和材料屬性，結(jié)合數(shù)值分析錨桿受力情況及實測預(yù)應(yīng)力情況，建議錨固段取6 m，可基本滿足錨固設(shè)計要求。

3） 錨桿（錨索）間距優(yōu)化。 根據(jù)加固方案，-42 m平臺和-18 m 平臺之間垂直間距為6 m，下部邊坡垂直間距為5 m，在此基礎(chǔ)上設(shè)計3 種間距方案，垂直間距分別為4 m、5 m 和6 m。 錨桿參數(shù)為直徑26 mm，型號HRB335，抗拉強度設(shè)計值300 N／mm2。 注漿漿液參數(shù)：水泥的黏結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值為0.1 MPa，單位長度水泥漿剛度1 GPa，注漿體直徑100 mm。 利用FLAC3D強度折減法評價加固效果，間距為4 m × 4 m、5 m × 5 m、6 m × 6 m 時安全系數(shù)分別為1.35、1.34、1.32。 安全系數(shù)隨間距變大而減小，能滿足永久邊坡安全儲備要求。 因此，最終選擇加固間距為6 m × 6 m。

4） 優(yōu)化后加固參數(shù)確定。 錨索（桿）參數(shù)具體數(shù)據(jù)如表2 所示，間距選擇6 m 時，錨固模型如圖4 所示，MG1～MG7 采用錨索加固，邊坡在長期爆破振動、浸水弱化影響下，中風(fēng)化層巖體質(zhì)量可能進(jìn)一步降低，為防治滑體沿中風(fēng)化層中部從-38 m 臺階坡腳（-67 m平臺）剪出，甚至從中風(fēng)化與微風(fēng)化交界面滑移剪出，MG8～MG10 采用全段錨固錨桿加固方式鎖固坡腳。

表2 錨索（桿）參數(shù)

圖4 加固錨固模型

5） 最終境界錨固方式。 對于運輸平臺，用短錨桿加固其上一個臺階和下一個臺階；對于清掃平臺，用短錨桿加固其下一個臺階，防止滑塌，上個臺階不用加固，安全平臺不用加固。

5 結(jié) 論

1） 赤平極射投影結(jié)果顯示邊坡巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為：129.21°∠60.76°，286.91°∠47.33°，351.49°∠66.98°。

2） 分析確定了司家營北區(qū)露天采場邊坡潛在破壞模式，其中東幫邊坡主要破壞模式為順層滑移，即平面破壞模式，滑坡規(guī)模在1 ～2 個并段臺階，局部有單臺階有楔形破壞但是規(guī)模較小。 西幫邊坡主要破壞模式為反傾破碎巖體傾倒崩塌破壞。

3） 利用FLAC3D軟件分析礦區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性，確定東幫N24 ～N28 線為重點治理區(qū)域，提出了適用于該礦山的邊坡加固方案及具體優(yōu)化參數(shù)，并確定了最終境界錨固方式。