烏努格吐山銅鉬礦巖質邊坡穩定性分析及治理

宋 擴 劉 星 盧敬標

（1.中國黃金集團內蒙古礦業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.非煤露天礦山災害防控國家礦山安全監察局重點實驗室）

烏努格吐山銅鉬礦區位于滿洲里市西南22 km處，工作區范圍約9.54 km2，行政區劃屬內蒙古自治區新巴爾虎右旗，為內蒙古東北地區深凹露天礦山的典型代表之一，其地質條件復雜，巖體節理構造發育，隨著露天開采向深部發展，在降雨入滲及凍融循環影響下，邊坡安全已成為制約礦山安全生產的重要因素之一［1］。

本研究應用Midas GTS NX軟件，通過有限元強度折減法（SRM）對西幫膠帶運輸系統下方邊坡開展數值模擬研究，分析F5斷層對邊坡穩定性的影響，得到安全系數計算結果，并進行邊坡加固處理，使邊坡安全穩定性系數滿足規范要求。

1 邊坡區地質環境條件

1.1 地層特征

西幫膠帶運輸系統邊坡巖體主要由第四系松散土層和燕山晚期侵入巖組成。第四系松散土層以殘坡積亞黏土和碎石土為主，厚度1.2～10.5 m；燕山晚期侵入巖以次英安角礫熔巖、次斜長花崗斑巖為主，其中，未風化次英安質角礫熔飽和單軸抗壓強度為43.9 MPa，微風化次斜長花崗斑巖飽和單軸抗壓強度為38.1 MPa，未風化次斜長花崗斑巖飽和單軸抗壓強度為59.9 MPa。

1.2 地質構造

礦區主要斷裂系統為北東向、北西向2組，其中，F5為北東向斷層，局部出露在研究區域，對邊坡穩定性有一定影響。F5斷層長度約1 500 m，傾向95°，傾角40°～50°，沿斷層附近形成幾十米寬的擠壓破碎帶，見斷層泥［2］。

在露天礦采場西幫建設有礦石膠帶運輸系統，由于斷層F5傾向與邊坡傾向基本一致，且傾角較緩，邊坡存在失穩破壞的可能，這會造成膠帶運輸系統基礎垮塌，影響膠帶運輸系統的安全運行，從而影響到采場的供礦工作，因此需要開展邊坡穩定性分析工作。

2 邊坡現狀穩定性分析

現狀邊坡整體處于穩定狀態，在西幫膠帶運輸系統下方邊坡F5斷層附近存在1處滑坡隱患，使用Midas GTS NX軟件對邊坡進行數值模擬計算，并根據穩定性計算結果判斷是否采取相關治理措施［3-4］。

2.1 強度折減法

本次研究選取的方法為有限元強度折減法（SRM）［5］。在有限元數值分析技術中的應用可以表述為保持重力加速度不變，將抗剪強度指標c和φ同時除以一個折減系數Fs，得到1組新的抗剪強度指標c'和φ'，然后將該組抗剪強度指標重新代入計算，重復上述步驟，直到有限元數值分析計算的邊坡達到臨界破壞狀態，若繼續對抗剪強度指標進行折減，則邊坡將會發生破壞，此時的折減系數即是邊坡的最小安全系數。其表達式為

式中，c為結構面或巖體黏聚力，kPa；φ為結構面或巖體摩擦角，（°）；c'，φ'為折減后黏聚力和摩擦角。

2.2 計算模型及參數

本次計算選取西幫膠帶運輸系統下方邊坡典型斷面進行穩定性分析。根據勘探資料，確定斷層賦存狀態，并設置模型各個巖土層的厚度，邊坡概化模型（圖1）的尺寸為150 m×100 m×60 m，邊坡巖土體自上而下分別簡化為松散土層、次斜長花崗斑巖和次英安角礫熔巖，斷層厚度1～2 m。根據室內巖石物理力學試驗測試結果，運用Hoek-Brown準則［6］確定巖土層力學參數，對模型材料進行賦值。西幫膠帶運輸系統下方邊坡模型選用的巖土層材料物理力學參數見表1。

2.3 邊坡現狀數值模擬分析

邊坡的應變、應力和位移特征云圖如圖2～圖4所示，可以看出，強度折減法（SRM）能確定西幫膠帶運輸系統下方邊坡潛在的滑動面位置，并較準確地給出邊坡穩定性安全系數，同時，在邊坡加固設計優化過程中其數值計算結果能夠作為很好的參考依據。斷層F5是控制邊坡穩定性的關鍵因素，邊坡發生的應變變形集中在斷層F5附近，并在斷層剪出部位產生最大值。邊坡內部應力由于自重作用，最大等效應力主要集中在邊坡深部，靠近地表和坡面位置等效應力減小。坡體最大位移發生在斷層上部及地表附近，最大位移為7～10 cm，坡底底部位移為4～6 cm。通過有限元強度折減法（SRM）計算，邊坡安全系數為1.02，不滿足《非煤露天礦邊坡工程技術規范》［7］對安全穩定性系數的要求，需要采取加固措施。

3 邊坡加固與分析

根據邊坡現狀穩定性分析結果，研究區邊坡破壞類型為斷層F5控制的平面滑動破壞，且研究區邊坡巖體發生伊利石化、鉀長石化、水云母化蝕變，導致邊坡表面巖體強度降低［8］，因此單純的錨索及錨墩加固方式在長期爆破震動的影響下，容易出現預應力松弛，并出現由點及面的加固失效現象。預應力錨索、錨桿、框架梁結構（圖5）施加預應力的作用，替代或部分替代了由于開挖坡體所失去的側向支撐力，使邊坡趨向或處于三向受壓的狀態，主動限制邊坡的變形，工程效果更有效，更經濟［9］。

3.1 錨桿（索）框架梁的優化設計

預應力錨索、錨桿、框架梁防護結構如圖6所示。錨桿（索）水平間距為3.0 m，排距為4.5 m，共布設4排錨桿、2排預應力錨索，每排布置19個錨桿（索），框架梁分布按錨桿（索）位置排列，最終形成54.0 m×22.5 m（長×寬）的預應力錨索、錨桿、框架梁錨固體系。錨桿為全長粘結式結構，桿體采用2×?28 mm螺紋鋼焊接，設計單根錨桿錨固力250 kN；錨索材料采用1×7-15.2-1860混凝土用預應力鋼絞線，每根錨索由8根鋼絞線組成，單根預應力錨索錨固力900 kN，預應力為200 kN，錨桿（索）孔內灌注為M30水泥砂漿；鋼筋混凝土框架梁采用C30混凝土，橫豎梁截面尺寸為400 mm×400 mm，錨索節點處混凝土截面尺寸放大，主筋采用?22 mm螺紋鋼。預應力錨索、錨桿、框架梁的力學參數見表2。

對滑動破壞的邊坡，錨桿（索）的布設角度應發揮錨桿（索）的抗滑作用，在施工可行條件下，錨桿（索）傾角宜按式（2）計算［10］：

式中，δ為錨桿（索）與水平面夾角，正值為仰角，負值為俯角，（°）；β為滑面（軟弱結構面）傾角，（°）；φ為滑面（軟弱結構面）內摩擦角，（°）。

經計算錨桿（索）傾角為-17.5°。

錨固工程是施工技術難度較大且隱蔽性較高的特殊工程，施工過程應符合規范要求，達到治理滑坡災害的目的。在進行預應力錨索、錨桿結構施工作業前，應對滑坡體區域邊坡的松散破碎區域、部分沉降變形區域、強風化層等先進行清理、清除。錨桿、預應力錨索孔位測放應準確，考慮到沉渣的影響，錨桿施工實際鉆孔深度應大于設計深度0.5 m，錨索施工實際鉆孔深度應大于設計深度1.0 m，成孔后用高壓空氣清孔。錨索施加預應力過程中，張拉到最后一級荷載且變形穩定后，卸荷至預應力荷載并鎖定錨索，并用C20混凝土及時封閉錨頭。框架梁應盡量做到橫平豎直，外表美觀，對于坡面凸凹不平區域，進行清理修整后可順坡面形態進行橫豎梁支模、扎筋、澆筑，保證框架梁節點處鋼筋混凝土緊貼坡面。

3.2 加固后數值模擬分析

加固后西幫膠帶運輸系統下方邊坡的應力和位移特征云圖如圖7、圖8所示。可以看出，在邊坡加固區域，尤其在斷層F5附近，有邊坡應力集中現象，這說明預應力錨索、錨桿、框架梁結構體系有效發揮了加固作用，使邊坡抗滑力在加固區域得到明顯的增大。加固后的邊坡位移得到控制，因滑坡體下部區域位移受到錨固體系的加固，使坡體發生的最大位移依然集中在斷層上部及地表附近，但最大位移下降為5～7 cm。通過有限元強度折減法（SRM）計算，邊坡安全系數為1.55，滿足《非煤露天礦邊坡工程技術規范》對礦山邊坡穩定性的要求。

4 結論

（1）強度折減法（SRM）能確定西幫膠帶運輸系統下方邊坡潛在的滑動面位置，較準確地給出邊坡穩定性安全系數，同時，在邊坡加固設計優化過程中其數值計算結果可以作為很好的參考依據。

（2）烏努格吐山銅鉬礦的西幫膠帶運輸系統下方邊坡穩定性受F5斷層影響，通過Midas GTS NX軟件數值模擬計算，邊坡發生的應變變形集中在斷層F5附近，其邊坡穩定性無法滿足規范要求，存在滑坡隱患，需采取加固措施。

（3）預應力錨索、錨桿、框架梁結構體系能夠增強邊坡區整體性，有效發揮加固作用，使邊坡抗滑力在加固區域明顯增大，并改善邊坡體位移場，從而提高西幫膠帶運輸系統下方邊坡的安全穩定性系數。