大孤山鐵礦北幫滑體綜合治理方案優選

劉志超,黃廣明,李亞川

(中勘冶金勘察設計研究院有限責任公司,河北 保定市 071051)

0 引言

隨著露天礦山采剝作業持續進行,巖體內部原始應力狀態被打破,原有軟弱結構面逐漸被揭露,在次生應力場和外界不利因素等的影響下,邊坡巖體容易發生變形,造成邊坡巖體崩塌、散落和滑動破壞[1-2]。露天礦山邊坡角與礦山經濟效益和安全生產有著直接聯系,邊坡角過緩可以提高邊坡穩定程度,但增加了剝巖量,降低了經濟效益,反之邊坡角過陡雖可節省大量剝巖費用,但容易造成邊坡變形滑塌[3-4]。目前雖有較多礦山正在由露天開采逐步轉為地下開采,但仍然有部分礦山通過擴幫強化開采[5-8]。隨著開采深入,邊坡加高加陡,其原有的穩定狀態發生變化,變形滑移破壞等事故的發生日益增多,不但對礦山安全生產造成了極大影響,也嚴重制約了礦山整體生產能力。

鞍鋼礦業集團有限公司大孤山鐵礦(下稱“大孤山鐵礦”)為特大型深凹露天鐵礦[9],其北幫邊坡已有兩處發生滑塌破壞,不但嚴重威脅采場作業人員和設備安全,而且對礦山經濟效益也造成了重大損失。基于此,以北幫現有滑體為研究對象,結合礦區開采技術條件提出合理的綜合治理方案,并通過技術經濟對比確定滑體治理的最終方案。

1 工程概況

大孤山鐵礦北幫邊坡屬于工程地質分區Ⅲ區,邊坡巖體主要由上部千枚巖和下部太古代花崗巖兩種巖性構成。采場北幫邊坡平均傾向為150°,現有靠界邊幫臺階已開挖至－66 m 標高。靠界邊坡高度為166 m,邊坡巖性為千枚巖,屬軟弱巖類,巖體呈層狀碎裂結構,因開挖后暴露時間較長,坡面巖體呈強風化狀,巖體松散破碎,抗剪切強度極大降低,臺階坡普遍變形失穩。經過赤平投影圖解法分析,北幫邊坡可形成平面滑塌破壞,且破壞規模不僅局限于單體并段臺階,還可延伸至包含多個并段的組合臺階。

采場北幫目前已出現兩處滑體,均位于千枚巖坡邊幫臺階,如圖1 所示。滑體1 上緣標高為＋78 m,剪出口標高為－54 m,滑體高度為132 m,平均水平寬度為75 m;滑體2上緣位于＋18 m 平臺,剪出口位于－54 m 平臺,滑體高度為72 m,水平寬度為45 m。為保持礦山持續生產作業,對滑坡區域內的變形臺階進行擴幫卸載,初步計劃卸載至＋18 m 平臺。

圖1 大孤山鐵礦北幫邊坡滑體

2 北幫邊坡穩定性分析

結合采場現有靠幫邊界及下部未開采的設計邊幫,采用Slide軟件對北幫典型剖面對現有邊坡和原設計終了邊坡穩定性進行計算,并對原設計邊坡角的適宜性進行復核驗證[10]。根據室內物理力學性質試驗結果,計算所采用的千枚巖強度參數見表1。

表1 邊坡極限平衡計算參數

爆破振動荷載與地震荷載是影響邊坡穩定性的主要因素,為了減輕爆破振動對邊坡穩定性的影響,大孤山鐵礦采用小藥量、多爆破的減振技術,并取得了顯著的應用效果,因此,本次計算不考慮爆破荷載影響[11]。根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)有關規定[12],結合礦區實際工程情況,北幫邊坡地震穩定性分析只考慮水平向地震慣性力而不需考慮垂直向地震慣性力。典型剖面極限平衡計算結果如圖2所示。

圖2 典型剖面終了邊坡穩定性計算圖解(不計地震力)

由圖2可知,典型剖面終了邊坡不計地震力時最小安全系數為0.973,小于1.0,終了邊坡不穩定。最危險滑面位于千枚巖區域,不計地震力時安全系數小于1.20的滑面貫穿整體邊坡。由于千枚巖巖體長期暴露,風化嚴重,強度將會逐步降低,雖然正在進行的削坡減載對提高邊坡穩定性起到一定作用,但安全儲備仍不足,急需采取其他措施進行綜合治理。

3 北幫滑體綜合治理方案

針對滑體治理方案,目前比較成熟的工程措施主要包括改變邊坡幾何形態、完善排水系統、優化支檔工程、改良邊坡巖土體等[13-16]。由于礦山邊坡所處地質環境復雜、巖體弱面發育不均衡以及造成邊坡滑塌破壞因素的多樣化等特征,僅采用單一工程措施往往難以滿足治理要求,必須結合邊坡實際條件和各種外在因素綜合考慮,從而用最經濟的方法達到最佳治理效果。

3.1 削方卸載

當采場邊幫出現張裂變形潛在滑體時,為保證滑體下方安全開采,往往對已經變形且潛在失穩的邊幫采取開挖卸載措施。由于計算出的不穩定區段主要位于千枚巖出露區域,因此削方卸載計算范圍也限于－150～－174 m 斜坡路之上的千枚巖臺階坡段。計算結果如圖3所示。

由圖3可知,典型剖面千枚巖區域臺階坡總體邊坡角為41.9°,極限平衡計算出的邊坡安全系數在自然工況和地震工況條件下分別為0.973 和0.929,均不滿足規范要求,顯然邊坡處于失穩狀態。圖4為邊坡角為40°、38°、36°、35.8°時削方狀態下邊坡安全系數的計算結果,為了使計算圖解簡潔清晰、突出重點,圖4中只列出了自然工況條件下安全系數小于1.2,地震工況條件下安全系數小于1.15,即小于規范要求的安全限值的坡體范圍。

圖4 典型剖面削坡卸載安全系數計算圖解

由表2可知,隨著邊坡角逐漸放緩,邊坡安全系數逐漸增加,表明穩定程度逐漸升高。當削坡卸載邊坡角為36°時,在自然工況條件下邊坡最小安全系數已達到規范要求,但在地震工況條件下的邊坡最小安全系數尚不滿足規范要求。當按35.8°邊坡角進行削坡減載時,邊坡在自然工況條件下的安全系數為1.234,大于規范要求的1.20安全限值;在地震工況條件下的安全系數為1.15,符合規范要求的1.15安全限值,邊坡處于穩定狀態。

表2 典型剖面削坡卸載計算結果

3.2 加固治理

目前,典型剖面邊坡靠界并段臺階已開挖至－74 m 水平。由于坡頂張裂、臺階滑塌,正在對上部邊坡采取削方減載措施。減載自坡頂114 m水平向下分4個臺階至18m水平,分級臺階高度為24 m。對卸載后的邊坡穩定性極限平衡進行計算,結果如圖5所示。由圖5可知,卸載后現狀邊坡自然工況條件下的最小安全系數為1.107,地震工況條件下的最小安全系數為1.048,兩種工況條件下的邊坡安全系數均達不到規范限值,表明邊坡處于基本穩定狀態,但沒有足夠的安全儲備。邊坡最小安全系數所對應的弧線位于＋18 m 平臺以下的組合臺階,表明邊坡破壞最先發生于卸載臺階以下的組合臺階。

圖5 北幫邊坡穩定性計算圖解

＋18 m 平臺以上的臺階削坡卸載措施起到了減小滑體規模、推遲滑體形成的作用,但并不能消除下部臺階的潛在破壞失穩。構成邊幫臺階的千枚巖在暴露的環境中快速風化,地下水對千枚巖的軟化浸蝕,這些不利因素造成邊坡表層巖體抗剪強度不斷降低,可發生臺階規模的淺層滑塌破壞。

圖6表明了現狀邊坡在不采取加固治理措施情況下繼續向下開挖至－102 m 水平時的邊坡穩定狀況。計算結果表明,－102 m 水平邊坡安全系數降低至1.011時,邊坡處于極限平衡狀態,此時邊坡雖未發生滑移破壞,但臺階坡體已處于擠壓變形階段,坡體內部發生了局部損傷,部分臺階可出現張裂變形,在外界不利因素的作用下,極易發生整體邊坡破壞。

圖6 現狀邊坡欠開挖至-102 m 時的穩定性計算圖解

在多種邊坡治理工程措施中,錨固工程具有適應性強、技術成熟、施工快速等優勢,礦山不穩定邊坡的加固治理通常采用大噸位預應力錨索進行加固,通過錨索對潛在不穩定坡體施加預應力,增加其抗滑力,限制坡體向臨空方向產生位移,避免滑體形成。采取預應力錨索和錨樁的綜合加固措施后,邊坡穩定性計算圖解如圖7所示。由圖7可知,經加固后的邊坡最小安全系數為1.198,符合規范要求安全限值,邊坡處于安全穩定狀態。

圖7 加固邊坡穩定性計算圖解

3.3 方案對比與優選

針對大孤山鐵礦北幫終了邊坡千枚巖臺階潛在失穩問題,給出了削坡減載方案和加固治理方案,以下是兩種方案的詳細對比。

(1)治理費用。削坡減載方案測算的剝巖量為542萬m3,換算成質量為1480萬t。按采場剝巖成本10元/t 計算,削坡減載工程措施費用為1.48億元。加固治理方案內容包括預應力錨索、垂直錨樁、現澆鋼筋混凝土、漿砌石截排水溝,治理工程概算費用共計3000萬元,比削坡減載方案節省投資1.18億元。

(2)對生產的影響。若實施削坡減載方案,則北幫千枚巖臺階區必須先從上至下分級削方至現有－78 m 水平,導致現有臺階坡腳部位生產停止,影響靠幫臺階的推進,其東端還將造成一定范圍的壓礦現象。加固治理工程不占用生產作業空間,臺階開挖揭露出工作面后,治理施工只占用臺階之間留置的平臺空間,材料設備占用空間可根據開挖生產隨時調整,對生產的影響輕微。

(3)廢棄物。削坡減載措施需剝巖542萬m3,按松散系數系數1.5 計算,共產生松散渣土813萬m3。礦山排土場總容積為9153萬m3,削坡減載產生渣土需占用排土場容積的8.9%,相應減少排土場服務年限8.9%。相比之下,加固治理方案不產生廢棄物。

從綜合治理費用、對生產的影響和廢棄物3個方面因素對兩種方案進行對比分析,推薦采用加固治理方案作為滑體最終綜合治理方案。

4 結論

(1)通過選取大孤山鐵礦北幫典型剖面進行極限平衡計算,得出終了邊坡不計地震力時最小安全系數為0.973,邊坡不穩定,若不采取加固處理向下開挖,極易發生整體邊坡破壞。

(2)提出了削坡減載和加固處理兩種治理方案,經過多方面技術經濟指標對比分析,確定采用預應力錨索、錨樁等加固的綜合治理方案對北幫滑體進行治理。