蒙庫鐵礦南幫滑坡災(zāi)害治理技術(shù)研究

候雅東，王 鋒，陳孝聰，唐龍元，呂新偉

(中國冶金地質(zhì)總局 新疆地質(zhì)勘查院，新疆 烏魯木齊 830000)

人類的生產(chǎn)活動如礦山開挖、筑路、建壩等加劇滑坡的發(fā)生。經(jīng)過一個多世紀(jì)的努力，人們已逐漸摸清了滑坡的規(guī)律，了解了邊坡破壞機(jī)理并建立了一整套邊坡穩(wěn)定性分析方法。露天采礦產(chǎn)生的高陡邊坡規(guī)模是其它工程領(lǐng)域內(nèi)所罕見的。由于露天采礦場地?zé)o選擇性，特別是在礦產(chǎn)資源日益減少的今日，露天礦邊坡地質(zhì)條件往往十分惡劣，國內(nèi)外露天礦邊坡破壞屢見不鮮。眾所周知，采礦生產(chǎn)以經(jīng)濟(jì)效益為中心，以少剝巖多采礦為宗旨，和其它領(lǐng)域工程相比較，露天礦邊坡又是服務(wù)年限較短的邊坡，各種因素制約著采場邊坡的穩(wěn)定性。所有這些要求對露天采場邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖體力學(xué)強(qiáng)度的充分掌握，對邊坡穩(wěn)定性分析方法要特別考究，盡量排除非精確因素。因此，礦山邊坡工程所承擔(dān)的風(fēng)險相對很大，必須利用有限的基礎(chǔ)資料，做出對邊坡穩(wěn)定性最客觀的評價，并且盡量提高邊坡角，為礦山減少成本，增加效益[1-6]。本文以新疆金寶礦業(yè)蒙庫鐵礦為例，研究了滑坡災(zāi)害治理技術(shù)，對重點區(qū)域不穩(wěn)定區(qū)段做有針對性的邊坡加固治理設(shè)計，做到超前性、主動性，預(yù)期效果投入小，見效大。

1 邊坡工程地質(zhì)

1.1 邊坡所在位置

根據(jù)以往邊坡穩(wěn)定性研究成果(表1)，本次滑坡治理區(qū)域邊坡位于工程地質(zhì)分區(qū)的Ⅳ區(qū)。4區(qū)設(shè)計最高標(biāo)高+1 200 m，最低標(biāo)高+852 m，邊坡最大垂高348 m，設(shè)計整體邊坡角為47°～49°。

表1 邊坡穩(wěn)定性研究計算結(jié)果Tab.1 Slope atability study calculation results

本次治理設(shè)計區(qū)域位于處于南幫上盤199線—207勘探線，寬度為180～200m，標(biāo)高+984～+1 104 m。巖性主要有斜長角閃片麻巖、黑云母變粒巖、黑云母角閃片巖組成，中風(fēng)化—微風(fēng)化，巖層節(jié)理面傾角45°～65°，境界設(shè)計單臺階坡面角為63°～68°。本區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，多與巖層走向平行，或者小角度斜交，節(jié)理密度約2條/m2； F3斷層穿過1044平臺靠南幫附近，且此處巖性局部為黑云母角閃片巖，在剝巖過程中，此處形成厚度較薄的結(jié)構(gòu)面，易風(fēng)化。

1.2 邊坡地質(zhì)特征

本次治理區(qū)域位于露天采場南幫，巖性以角閃斜長片麻巖、變粒巖為主，邊坡總體形狀平順。邊坡地質(zhì)特征如圖1所示。

圖1 邊坡地質(zhì)特征Fig.1 Slope geological features

主要巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表2

表2 主要巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of main rock mass structural plane

2 滑坡區(qū)域破壞模式分析

2.1 邊坡破壞模式分析

本區(qū)各類節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，尤其順坡向的節(jié)理構(gòu)造，其特點是以大光面出露在一個或多個臺階、波狀起伏，常引起邊坡滑塌。小規(guī)模的可造成單臺階上部邊坡巖體的滑坡，較大規(guī)模可造成一至多個臺階的滑坡，甚至形成連坡，這是本區(qū)邊坡頻繁發(fā)生破壞的主要原因。優(yōu)勢節(jié)理面與邊坡走向小角度斜交，會進(jìn)一步加劇該類型滑坡的破壞。節(jié)理破壞機(jī)理及照片如圖2所示。

圖2 節(jié)理破壞機(jī)理及照片F(xiàn)ig.2 Joint failure mechanism and photos

邊坡巖體中小型的原生裂隙、劈理、片理十分發(fā)育，其延長一般為幾厘米至幾米，特點是：①數(shù)量特別巨大，邊坡巖體中隨處可見；②在整體上具有產(chǎn)狀的多樣性，在不同的地點，又具有不同方向上優(yōu)勢的產(chǎn)狀；③將巖體切割成許多菱形的楔體，加大巖體的破碎程度，加快巖體的風(fēng)化程度，從而降低了該區(qū)邊坡巖體的巖石力學(xué)強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力，使得邊坡巖體極易遭受破壞。在爆破振動影響下，局部臺階發(fā)生崩塌、楔形破壞，破壞高度一般為單臺階，截止目前，多處于淺層破壞。

2.2 潛在危害分析

本次研究設(shè)計治理區(qū)域邊坡主要位于南幫，根據(jù)已有資料、現(xiàn)狀情況等綜合分析判斷，該區(qū)邊坡總體穩(wěn)定性尚好。但由于局部邊坡巖性復(fù)雜、斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育，特別是不利于邊坡穩(wěn)定的節(jié)理構(gòu)造十分發(fā)育，會加重邊坡發(fā)生單臺階滑塌、沉降的可能。特別是上部各區(qū)域沿設(shè)計境界采礦剝離后，單臺階設(shè)計角度為65°～70°，現(xiàn)狀邊坡巖體發(fā)育一組與邊坡走向近平行、順坡向的大型節(jié)理構(gòu)造，傾角均緩于臺階設(shè)計坡面角，節(jié)理成組發(fā)育，間距小，僅0.5～3.0 m，切割邊坡巖體呈薄層狀，從現(xiàn)場踏勘，該區(qū)域節(jié)理面均為硬性結(jié)構(gòu)面。滑坡模式表現(xiàn)為平面破壞，局部存在楔形破壞的可能。巖質(zhì)邊坡裂縫的形成，標(biāo)志著邊坡進(jìn)入脆性變形破壞階段。而且由于巖質(zhì)邊坡從脆性變形到發(fā)生滑坡時間非常快。因此，應(yīng)立即對各個區(qū)段滑坡體進(jìn)行綜合治理，以杜絕安全隱患。從目前來看滑坡體暫時處于平衡狀態(tài)，但尚未開展綜合治理，仍潛在二次滑塌的可能性，如果滑坡體得不到治理，勢必會危及下部臺階的安生產(chǎn)全。

3 滑坡區(qū)域邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 典型剖面的選取

針對本次滑坡治理區(qū)域，南幫199線—207線滑坡體沿走向設(shè)置了3條主剖面(圖3)，A-A剖面對應(yīng)的是東側(cè)失穩(wěn)區(qū)域，B-B剖面對應(yīng)的是南幫西區(qū)已滑并段光面區(qū)域，C-C剖面對應(yīng)的是南幫東區(qū)滑坡失穩(wěn)區(qū)域，本次研究對該3處剖面均進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性計算。

圖3 南幫邊坡典型剖面平面位置Fig.3 Plane position of typical section of southern slope

3.2 穩(wěn)定性計算及結(jié)果

在對3條剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算中，分別考慮以下幾種計算條件：①對主剖面按照采礦設(shè)計角進(jìn)行單臺階邊坡穩(wěn)定性計算；②對主剖面2類組合臺階2個類型的段高分別進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算及分析其剩余下滑力。計算中分別考慮自重、地下水、地震力、爆破振動力等不同的荷載組合工況。

單臺階平面破壞計算模型和南幫平面破壞計算模型如圖4所示。

圖4 單臺階平面破壞計算模型和南幫平面破壞計算模型Fig.4 Single-step plane failure calculation model and southern slope failure calculation model

破壞模式主要為單滑面破壞，采用極限平衡方法進(jìn)行穩(wěn)定性計算[7-9]，計算結(jié)果見表3、表4。綜合加固之后，對邊坡也進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計算，計算結(jié)果見表5。

表3 南幫上盤優(yōu)勢節(jié)理面單臺階邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of the stability of single-step slope on the dominant joint face of the Nanbang Shangwan

表4 南幫組合臺階穩(wěn)定性分析結(jié)果Tab.4 Stability analysis results of the southern slope assemblage steps

表5 南幫組合臺階綜合治理后穩(wěn)定性分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of stability after comprehensive treatment of southern slope composite steps

(1)針對24 m段高單臺階，按照采礦設(shè)計角度進(jìn)行靠幫并段，當(dāng)遇到南幫幾組優(yōu)勢大型節(jié)理面時，其安全穩(wěn)定性系數(shù)，在荷載組合Ⅰ及荷載組合Ⅲ均小于1.0，不能滿足規(guī)范及安全要求，經(jīng)分析計算，順層平面滑動面角度多為48°～52°，以50°為主，該結(jié)果也同現(xiàn)場實際情況是吻合的。

(2)對于組合臺階來說[10]，計算中考慮2個類型的剖面A-A和B-B，分別代表滑坡體東側(cè)失穩(wěn)區(qū)域和中部已滑區(qū)域。根據(jù)本區(qū)域滑坡機(jī)理分析以及后續(xù)發(fā)展研判，后續(xù)滑坡基本還是以兩個左右的組合臺階順層滑動為主，48 m段高。經(jīng)分析計算，A-A剖面邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)較低，達(dá)不到規(guī)范允許安全系數(shù)，繼續(xù)發(fā)生類似滑動的概率較大，且剩余下滑力較大，需要進(jìn)行綜合錨固治理。已滑動后的B-B剖面邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)處于1.10～1.15，雖達(dá)不到規(guī)范允許安全系數(shù)，但處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，受到兩側(cè)圍巖體的約束，目前現(xiàn)狀繼續(xù)滑動概率不大，但隨著采礦臺階的下降，邊坡高度的增大，且受到多種因素的影響，其穩(wěn)定性將會進(jìn)一步下降。

(3)若通盤考慮到南幫上盤中部984～1 104 m區(qū)域邊坡可能的組合臺階破壞，計算中考慮2個類型的剖面A-A和B-B，分別代表滑坡體東側(cè)區(qū)域和中部已滑區(qū)域。經(jīng)分析計算，A-A、B-B剖面順層破壞滑動面角度46°～47°，邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)大于1.04，但達(dá)不到規(guī)范允許安全系數(shù)。在后續(xù)設(shè)計方案中考慮到對該南幫幾處邊坡進(jìn)行綜合錨固治理，針對治理后的邊坡也進(jìn)行了相應(yīng)的穩(wěn)定性分析計算，計算結(jié)果表明其安全系數(shù)可滿足規(guī)范要求。

(4)總體來說，以24 m或48 m段高的1個或2個組合臺階順層滑動為主，若不加以及時處理，則可能會造成更多組合臺階(3到4個或以上)的并段。

(5)露天采場邊坡隨著邊坡高度增加，卸荷應(yīng)力調(diào)整、爆破振動、融雪雨水入滲等均對其穩(wěn)定性有影響，其邊坡穩(wěn)定狀態(tài)是動態(tài)的過程，因此后續(xù)在治理過程中可根據(jù)地質(zhì)情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化施工和動態(tài)設(shè)計。

(6)在本區(qū)域?qū)嵤┲卫磉^程中，對+984m及+972 m平臺預(yù)留處不小于20 m寬度。實施治理完成后，根據(jù)治理效果、監(jiān)測結(jié)果、穩(wěn)定狀況等，建議優(yōu)化調(diào)整+984 m平臺境界寬度。

4 滑坡體加固治理設(shè)計

4.1 設(shè)計方案的選擇

(1)削坡減載[11-15]。針對本次滑坡區(qū)域，根據(jù)+1 080～+984 m邊坡治理完成后，整體邊坡的穩(wěn)定情況，進(jìn)一步確定是否采取主動加固措施，或者削坡減載以減小下滑力。

(2)回填壓坡腳。臨時施工期，將+1 008 m平臺以下作為壓坡區(qū)域。待其余部位加固完成后，可將壓坡區(qū)域清除，然后進(jìn)行相應(yīng)錨固作業(yè)。

(3)疏干排水。主要應(yīng)當(dāng)根據(jù)邊坡含水體的地質(zhì)特征、水力性質(zhì)、滲透性能以及較大的構(gòu)造位置、優(yōu)勢不連續(xù)面與優(yōu)勢滲流帶的空間分布來確定疏干排水部位。一般，巖體的滲透系數(shù)在10～5 cm/s者，疏干很可能成功，滲透性很差的巖體，難以疏干。總體來說，區(qū)內(nèi)地表水體不發(fā)育，大氣降水是礦區(qū)地下水的唯一補(bǔ)給來源，礦體大部分位于侵蝕基準(zhǔn)面以下，地形有利于自然排水，露天采坑地下水易于疏干。地下水類型主要為基巖風(fēng)化帶裂隙水，礦床水文地質(zhì)條件簡單，地下水并非是引起本區(qū)域滑坡的主因。因此，不宜將疏干排水作為本滑坡主要的治理措施，但可作為輔助治理措施，在治理區(qū)域設(shè)置一定數(shù)量的排水孔，周邊設(shè)置截排水溝等。

(4)擋墻結(jié)構(gòu)。擋墻一般只能加固1個臺階規(guī)模的滑體，由于其基腳不能有變位，該區(qū)域滑坡體的治理，不宜大規(guī)模采用重力式擋墻或類似結(jié)構(gòu)。

(5)抗滑樁結(jié)構(gòu)。抗滑樁在公路系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、水利系統(tǒng)等滑坡治理工程中較常采用的一種抗滑措施。根據(jù)樁徑大小、結(jié)構(gòu)配置等。抗滑樁的實施一般采用人工挖孔和機(jī)械鉆孔2個方式。機(jī)械鉆孔所需作業(yè)場地較大，無論是采用沖擊鉆或者泥漿護(hù)壁，都會對現(xiàn)有邊坡或者滑坡體造成較大的擾動。人工挖孔樁，設(shè)置深度15 m以上，在礦山靠幫臺階的滑坡治理中存在2個難點：①作業(yè)安全，本身處于滑動帶中，再加上井下作業(yè)，空間狹小，安全性較低；②需要在孔內(nèi)鑿巖爆破，增加了對周邊原巖的擾動。根據(jù)分析，所以在此次滑坡治理設(shè)計中，不建議采用抗滑樁結(jié)構(gòu)。

(6)預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、框架梁結(jié)構(gòu)體系[16-17]。對于一般的靜態(tài)高度較低的邊坡(如公路、水利行業(yè)的邊坡)加固，單純的預(yù)應(yīng)力錨索加錨墩，這種錨固方式也是比較常見的。錨墩結(jié)構(gòu)簡單，其施工速度快、成本低。該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在臨時支護(hù)中，以及硬巖邊坡小規(guī)模淺層滑坡區(qū)域或采用密集錨桿(錨)加固的邊坡中。但是單純的錨索及錨墩加固方式，對于順層的沉積變質(zhì)巖邊坡在長期爆破震動的影響下，容易出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力松弛，由點及面地出現(xiàn)加固失效現(xiàn)象。對于礦山邊坡，與其他行業(yè)的邊坡相比，采場內(nèi)每天都有爆破震動，在動荷載作用下，會逐漸弱化巖體的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，對節(jié)理裂隙有逐漸放大的趨勢，而且隨著采場的下降，爆破震動對上部邊坡的影響會越來越大。對于沉積變質(zhì)巖的順層邊坡(滑坡)，采用樁(鋼軌樁)錨(錨桿、錨索)梁(橫豎框架梁)結(jié)構(gòu)，使得整個加固區(qū)域形成一個有效的整體，可以最大限度地抵消爆破震動對邊坡的影響。特別是對于預(yù)應(yīng)力錨桿(索)加固工程，框架梁將錨桿(索)的張拉力均布在整個加固范圍內(nèi)，有效地緩解了鉆孔孔口附近的應(yīng)力集中，減小了空口處位移變形和錨桿(索)預(yù)應(yīng)力損失；采用預(yù)應(yīng)力錨索加固時，框架梁的使用使得錨固段以外的邊坡體處于完全壓縮狀態(tài)，增強(qiáng)了滑坡體的完整性。該結(jié)構(gòu)的使用，增強(qiáng)了加固體系的完整性，從而提高了加固體的抗震能力。

4.2 加固治理設(shè)計

4.2.1 各邊坡治理方法優(yōu)缺點

對邊坡治理的各種方法、措施、手段進(jìn)行了綜合研究，結(jié)合礦山的具體實際條件，對以上各治理措施優(yōu)缺點、適用條件、投資造價等進(jìn)行綜合分析評判，見表6。

表6 各邊坡治理方法優(yōu)缺點分析Tab.6 Analysis of advantages and disadvantages of various slope management methods

在現(xiàn)狀邊坡的基礎(chǔ)上，清除坡面上的松散體，實施樁錨梁加固方案，并結(jié)合排水孔等綜合治理措施。南幫西區(qū)加固治理區(qū)域走向長度93～126 m，高程為+1 100～+984 m，總垂直高度約116 m，主要錨固區(qū)域垂直高度為96 m。南幫東區(qū)加固治理區(qū)域走向長度54～84 m，高程為+1 032～+996 m，垂直高度約36 m。

4.2.2 南幫西區(qū)滑坡體滑坡體綜合治理

綜合治理思路：①清理散體、危巖體；②長錨桿、預(yù)應(yīng)力長錨索、鋼軌樁、框架梁綜合錨固結(jié)構(gòu)；③破碎區(qū)域，噴錨網(wǎng)封閉；④坡體深層排水孔、周邊截排水溝等；對坡面清坡后，對邊坡進(jìn)行錨固處理，對破碎坡面進(jìn)行噴錨網(wǎng)處理，主要采用預(yù)應(yīng)力錨索、長錨桿、鋼軌樁、框架梁、噴錨網(wǎng)、排水孔等綜合措施。后續(xù)在生產(chǎn)過程中需要加強(qiáng)位移監(jiān)測、人工觀測等。單臺階加固剖面如圖5所示。南幫加固范圍如圖6所示。

圖5 單臺階加固剖面Fig.5 Single step reinforcement section

圖6 南幫加固范圍示意Fig.6 Scope of reinforcement of the southern slope

目前，+1 100 m斜坡道區(qū)域以出現(xiàn)局部開裂沉降現(xiàn)象，可能是受到下部滑坡的牽引作用，但在+1 080 m平臺或坡面暫未發(fā)現(xiàn)松動或者剪出口，從滑坡治理角度分析，如若具備條件，則將該變形區(qū)域削坡減載對下部滑坡治理非常有利。削坡減載角度控制在50°～60°，平臺寬度10 m。具體實施條件及過程需要結(jié)合礦方已有的穿孔設(shè)備、炸藥、現(xiàn)狀道路運輸情況等。后續(xù)也可根據(jù)位移監(jiān)測情況，結(jié)合下部安全生產(chǎn)，預(yù)留出+984、+972 m平臺足夠?qū)挾龋绕趯?984～+1 080 m區(qū)域進(jìn)行綜合錨固，待錨固完成后，再對上部進(jìn)行削坡減載或綜合錨固。

(1)清坡。對加固治理區(qū)域坡面浮石進(jìn)行清理，然后才能進(jìn)行噴錨網(wǎng)、腳手架搭設(shè)等后續(xù)工作。可先對滑坡體東側(cè)區(qū)域進(jìn)行清坡處理。

(2)預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、噴錨網(wǎng)。預(yù)應(yīng)力錨索和長錨桿結(jié)構(gòu)如圖7所示，噴錨網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索和長錨桿結(jié)構(gòu)Fig.7 Prestressed anchor cables and long bolt structures

圖8 噴錨網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Anchor mesh structure

(3)橫、豎梁。框架梁界面尺寸400 mm×400 mm，錨索節(jié)點處放大。框架梁結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 框架梁結(jié)構(gòu)Fig.9 Frame beam structure

(4)排水系統(tǒng)。滑坡治理區(qū)域坡面可根據(jù)地下水情況靈活設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的排水孔，每根排水孔長度15～25 m，選用φ90 mm的PE管，端部鉆眼并包裹土工布，鉆孔孔徑90～110 mm，視現(xiàn)場坡面上出水情況確定孔位。加固治理區(qū)域臺階采用噴射素砼封閉，厚度5 cm，坡底處通過機(jī)械或人工開挖形成U形溝，素砼封閉形成臺階排水溝，避免雨雪水入滲坡體內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)存在各類節(jié)理構(gòu)造發(fā)育，尤其順坡向的節(jié)理構(gòu)造，其特點是以大光面出露在1個或多個臺階、波狀起伏，常引起邊坡滑塌。小規(guī)模的可造成單臺階上部邊坡巖體的滑坡，較大規(guī)模可造成一至多個臺階的滑坡，甚至形成連坡，這是研究邊坡頻繁發(fā)生破壞的主要原因。

(2)邊坡巖體中小型的原生裂隙、劈理、片理十分發(fā)育，其延長一般為幾厘米至幾米。在爆破振動影響下，局部臺階發(fā)生崩塌、楔形破壞，破壞高度一般為單臺階，截止目前，多處于淺層破壞。

(3)本文確定蒙庫鐵礦南幫滑坡災(zāi)害治理思路為：①清理散體、危巖體；②長錨桿、預(yù)應(yīng)力長錨索、鋼軌樁、框架梁綜合錨固結(jié)構(gòu)；③破碎區(qū)域，噴錨網(wǎng)封閉；④坡體深層排水孔、周邊截排水溝等。