研山鐵礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析及控制技術

張樹東

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山063009;2.河北鋼鐵集團礦業(yè)公司司家營研山鐵礦，河北 唐山063700)

露天邊坡的穩(wěn)定性是影響礦山能否安全生產(chǎn)的重要因素，也是礦山地質環(huán)境保護對象。影響邊坡的穩(wěn)定性的影響因素主要可以分為主觀因素和客觀因素兩大類。主觀因素包括邊坡角度設計大小、開采擾動以及人為破壞;客觀因素主要包括邊坡體的巖性如礦物組成、成分類型、以及邊坡的地質構造如斷層、節(jié)理等［1-2］。河北鋼鐵集團下屬的研山鐵礦邊坡上部主要為黏土和碎石的混合散體，具有風化易崩解、遇水易泥化等特點，礦山在正常開采過程中，采場東北幫的不同部位均出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。針對以上工程實際情況，對研山鐵礦露天邊坡失穩(wěn)破壞的影響因素進行分析，并結合礦山條件提出有效治理措施。

1 工程概況

研山鐵礦Ⅰ采場東北邊幫坡頂為采場+30 m 永久固定公路，公路下方邊幫目前已開挖到6 ～18 m 水平，由于揭露出的臺階邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、風化破碎，且臺階上部有第四系殘坡積覆蓋層，受風化、雨水沖刷及開挖卸荷等不利因素影響，邊坡部分坡體出現(xiàn)張裂滑塌破壞，導致現(xiàn)有臺階坡不能按設計靠界并段。由于巖體破碎帶及雨水沖刷作用，現(xiàn)有邊坡出現(xiàn)多處沖溝破壞，對坡頂固定公路的安全運營形成隱患。為保證采場邊幫正?？拷?、臺階安全穩(wěn)定，保證下方生產(chǎn)臺階的正常推進，確保坡頂固定運輸公路安全，對北幫6 m 平臺以上邊坡進行了現(xiàn)場踏勘，分析了影響邊坡穩(wěn)定性的主導因素與演變規(guī)律、潛在變形破壞的形成機制及發(fā)展趨勢，提出了邊坡治理方案，為確保礦山安全生產(chǎn)提供了保障。

2 邊坡破壞類型調查與分析

影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，如巖體中的斷層、節(jié)理、層理等不連續(xù)結構特征;雨水沖刷、人工削坡等改變斜坡外形，引起坡體應力分布的變化;風化作用等引起斜坡坡體強度發(fā)生變化;此外，區(qū)域構造應力的變化、地震、爆破、地下靜水壓力和動水壓力，以及施工荷載等都對斜坡穩(wěn)定具有直接影響。在這些因素的綜合作用下，邊坡可能發(fā)生整體或局部的失穩(wěn)破壞。根據(jù)現(xiàn)場調查，分析認為影響該礦采場邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素如下。

(1)坡體工程地質條件。采場邊坡主體主要是由粉質黏土和碎石構成，整體呈松散狀態(tài)，可視為黏土和碎石構成的松散體，其黏結力較小，在雨水作用下容易崩解、軟化，因而極易造成邊坡產(chǎn)生沖溝。

(2)水對邊坡體的影響。由于臺階上部有第四系殘坡積覆蓋層，受風化、雨水沖刷及開挖卸荷等不利因素影響，常常會改變地下水的滲流系統(tǒng)，從而使邊坡原有的地下水位明顯提高，引起邊坡地下水位的增高，加大潛在滑坡面上的孔隙水壓力，從而引起動水壓差，降低松散質地地體邊坡的穩(wěn)定性，進而使邊坡坡體出現(xiàn)張裂，甚至滑塌破壞。

(3)外界擾動因素。采場東北幫邊坡，上部有固定公路，生產(chǎn)產(chǎn)生的廢石和礦石經(jīng)常經(jīng)由此路動輸，上部動載作用是引起該處邊坡破壞的主要因素;同時，在進行爆破破巖時，爆破震動破壞也是引起坡體失穩(wěn)的主因;爆破作業(yè)后的礦石，通常在邊角處作業(yè)，經(jīng)長期在坡體下方開挖，常常會因為超挖而破壞坡角，使坡體失去支撐，打破斜面坡體原有的力學平衡體系，造成局部剪切應變和剪切破壞。同時上部的動載和坡體的自重致使坡體向臨近空面的方向松動，并逐漸演化為連續(xù)的潛在滑面和松動裂縫，并加劇各裂隙間相互貫通，最終引起邊坡整體滑動。

3 邊坡控制技術

為保證采場邊幫正常靠界、臺階安全穩(wěn)定，保證下方生產(chǎn)臺階的正常推進，確保坡頂固定運輸公路安全，礦山技術人員設計并實施了邊破治理方案。邊坡治理應根據(jù)工程措施的技術可能性和必要性、工程措施的經(jīng)濟合理性、工程措施的社會環(huán)境特征與效應，并考慮工程的重要性及社會效應來制定具體的整治方案。防治原則應以預防為主，及時治理，對于規(guī)模較大、工程地質條件復雜的滑坡，應有選擇性地采用多種方法進行綜合治理。本次邊坡治理主要采用預應力錨固、全長黏結錨桿、掛網(wǎng)噴射混凝土及混凝土補砌沖溝等綜合治理措施。結合邊坡巖土體破碎情況自西向東劃分為3 個分區(qū)，根據(jù)各區(qū)邊坡實際狀況采用相應的防護治理措施。本次設計為初步方案設計，工作量布置宜應根據(jù)靠界后邊坡揭露實際情況進行適當調整。

3.1 人工削方清坡

東北幫現(xiàn)有臺階邊坡上部為第四系殘坡積覆蓋層，由于下伏巖層的滑塌破壞導致第四系地層呈陡傾狀，自穩(wěn)能力低，為保證下方臺階的正常推進靠界和臺階坡面平順，對邊坡上部陡傾第四系覆蓋層進行人工削方，削方坡度1∶ 0.75 ～1∶ 1.0，削方后在坡頂堆筑安全土擋。由于坡頂為運輸公路，為確保坡體安全穩(wěn)定、防止沖刷破壞，削方后采用全長黏結錨桿及掛網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護。

3.2 Ⅰ區(qū)邊坡防護

Ⅰ區(qū)主要為巖質邊坡，6 m 平臺以上臺階坡高度達30 m，目前18 m 以上臺階已靠界，由于邊坡高度大、巖體破碎，節(jié)理裂隙及軟弱破碎帶發(fā)育，易出現(xiàn)崩塌破壞，并導致6 ～18 m 臺階不能正常靠界并段。為保證邊坡安全穩(wěn)定和正常靠界，采用預應力錨索對該區(qū)臺階坡進行加固。為減少工程量、節(jié)約資金，根據(jù)清坡后邊坡巖體實際狀況，預應力錨索重點布置在具有潛在滑塌破壞的坡段，巖體較完整、坡體自穩(wěn)能力較強的坡段可不布置錨索。預應力錨索共設置3 排，18 m 以上臺階坡設置2 排，錨索長度為20 m，水平間距5 m;待18 m 水平以上預應力錨索張拉施工完畢后再對6 ～18 m 臺階開挖推進靠界，靠界后的6 ～18 m 臺階坡視實際狀況設置1 排預應力錨索，長度為18 m，水平間距5 m。預應力錨索采用4 ×7φ5 mm、1 860 MPa 高強度低松弛鋼絞線制作，錨索孔徑不小于110 mm，傾角15°，孔內灌注水灰比為0.5∶ 1 純水泥漿。預應力錨索設計鎖定荷載600 kN，坡面設C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土錨墩承臺。預應力錨索待錨固段漿體及錨墩強度達到設計強度的80%后進行張拉。對于風化破碎嚴重區(qū)域，應輔助于C20 掛網(wǎng)噴射混凝土進行防護。

3.3 Ⅱ區(qū)邊坡防護

Ⅱ區(qū)邊坡為上部第四系坡積層和全風化層、下部強風化基巖組成的二元結構邊坡，邊坡自穩(wěn)能力較低，局部地段臺階坡上部軟弱坡體受雨水沖刷形成沖溝。為確保邊坡安全穩(wěn)定，對坡體采用預應力錨索和全長黏結錨桿加固，坡面軟弱破碎巖體采用C20 掛網(wǎng)噴射混凝土封閉防護，防止因長期風化沖刷而進一步破壞。預應力錨索設置2 排，錨索長度分別為20、18 m，水平間距5 m;全長黏結錨桿長度6 、9 m，水平間距2.5 m。預應力錨索采用4 ×7φ5 mm、1 860 MPa高強度低松弛鋼絞線制作，鉆孔孔徑不小于110 mm，傾角15°。預應力錨索設計鎖定荷載600 kN，坡面設C30 現(xiàn)澆鋼筋混凝土錨墩承臺。全長黏結錨桿采用φ25 mm、HRB335 螺紋鋼筋制作，鉆孔孔徑90 mm，傾角15°。錨索、錨桿孔內灌注水灰比為0.5∶ 1 的純水泥漿。邊坡中上部風化破碎嚴重部位采用C20 掛網(wǎng)噴射混凝土防護，噴層厚度10 cm，坡頂噴層應包覆路緣安全土擋。噴射混凝土鋼筋網(wǎng)需與全長黏結錨桿端頭連接固定以增強護面結構的整體穩(wěn)定性能。噴射混凝土面層每隔15 ～20 m 設2 cm 寬伸縮縫，縫內填塞瀝青麻筋;面層埋設φ75 mm PVC 泄水管，間距3 m×3 m 梅花型布置。

對于坡面沖溝，需先清除現(xiàn)有回填物，然后再采用C20 素混凝土補砌的方式處理。為保證沖溝補砌體的安全穩(wěn)定，補砌坡腳應結合坡體加固措施設置預應力錨索或全長黏結錨桿加固，且補砌混凝土需采用如粉煤灰混凝土等重量較輕的類型。

3.4 Ⅲ區(qū)邊坡防護

Ⅲ區(qū)邊坡上部為第四系殘坡積覆蓋層，下部為強風化中風化基巖，巖體較完整，該區(qū)邊坡主要對上部第四系坡體采取防護治理措施以確保坡頂運輸公路的安全。對坡體上部第四系人工清坡后采用2 排全長黏結錨桿和掛網(wǎng)噴射混凝土加固，錨桿長度6、9 m，水平間距2.5 m。錨桿采用φ25 mm、HRB335 螺紋鋼筋制作，鉆孔孔徑90 mm，傾角15°，孔內灌注水灰比為0.5∶ 1 純水泥漿。邊坡上部采用C20 掛網(wǎng)噴射混凝土防護，噴層厚度10 cm，坡頂噴層應包覆路緣安全土擋。噴射混凝土鋼筋網(wǎng)需與全長黏結錨桿端頭連接固定以增強護面結構的整體穩(wěn)定性能。噴層每隔15 ～20 m 設2 cm 寬伸縮縫，縫內填塞瀝青麻筋;面層埋設φ75 mm PVC 泄水管，間距3 m×3 m 梅花型布置。

3.5 控制爆破

露天礦邊坡穩(wěn)定與否與生產(chǎn)爆破及靠幫爆破密切相關，實踐表明，常規(guī)爆破方法對邊坡穩(wěn)定影響最大，微差爆破、預裂爆破、光面爆破對邊坡穩(wěn)定影響相對較小。對于欠穩(wěn)定或處于極限平衡狀態(tài)下邊坡，若爆破參數(shù)不合理、爆破藥量過大時，很可能誘發(fā)邊坡巖體失穩(wěn)，造成邊坡滑塌破壞。相關研究證明大型爆破動力影響可使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低10%;靠幫爆破炸藥量較大時可使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低15% ～20%。對于高陡邊坡或地質條件及巖體強度較差的邊坡地段，當爆破振動達到一定值時，邊坡就會產(chǎn)生局部坍塌甚至整體滑坡。因此邊坡靠幫爆破應采用預裂爆破或光面爆破技術，形成平整光滑的邊坡面，減少超挖和整修工作量，最大限度減小爆破對邊坡穩(wěn)定的不利影響，有利于邊坡的穩(wěn)定［4-5］。

設計參數(shù):炮孔直徑D =100 mm;炮孔間距a 取(8 ～12)D，視巖石性質進行調整;不耦合系數(shù)取2 ～4;底部1 m 范圍內增加裝藥量，其藥量按計算出的裝藥集中度增加1 倍;通常預裂爆破孔的堵塞長度取1～1.5 m，用炮泥或干沙封堵，并在炮泥下加一木塞或硬質殼墊。

炮孔裝藥量可根據(jù)下式進行計算:

式中，Q1、Q1為線裝藥密度，g/m;σs為巖石極限抗壓強度，MPa;a 為炮眼間距，cm，D 為炮眼直徑，mm;K為巖石系數(shù)，堅硬為0.6，中等為0.4 ～0.5，軟巖為0.3 ～0.4。

爆破作用質點振動速度應不超過22 cm/s。

通過預裂線兩側均未產(chǎn)生可見的側沖裂隙，預裂孔之間貫通性良好。由于預裂線所在位置巖體主要為地表第四系綠泥巖，風化嚴重，同時由于預裂線前方10 ～20 m 之外一般臺階炮孔爆破產(chǎn)生的后沖作用，電鏟鏟裝預裂線前方巖體的過程中逐漸暴露出的預裂面已不完整，除在較完整巖體位置保留有半壁預裂孔，其余部分則沒能形成半壁孔。

4 加固控制技術實施及說明

4.1 全長黏結錨桿［6］

根據(jù)設計要求及施工圖設計確定錨桿位置。

(1)穿孔。根據(jù)設計要求搭設鋼管施工排架，安裝鉆機并確保鉆進期間鉆機的穩(wěn)定性。全長黏結錨桿須采用專用錨桿鉆機以保證成孔質量，成孔直徑≥90 mm，孔深誤差控制在50 mm 以內，終孔前吹渣時間≥5 min，保證孔內干凈。終孔后由現(xiàn)場技術人員填寫錨桿鉆孔記錄表，報請現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認合格后進入下一工序。

(2)桿體安裝。下錨桿前，將注漿管與錨桿綁在一起，同時放入孔底，注漿管底端距孔底保持50 ～100 mm 的距離，錨桿插入孔內長度不小于設計規(guī)定的95%，施工中由現(xiàn)場技術人員填寫錨桿桿體檢驗表。

(3)注漿。采用純水泥漿為注漿材料，配置水灰比為0.5∶ 1，采用水泥為P. O 42.5 普通硅酸鹽水泥，正式注漿前，應用水或稀水泥漿潤滑注漿管及其管路，全長黏結錨桿注漿采用常壓注漿法(注漿壓力0.4 MPa)，注漿管隨水泥漿的注入緩慢拔出，當管口有水泥漿溢出時，停止注漿，封堵孔口，初凝后再由孔口補漿以保證孔內灌滿水泥漿，施工中由現(xiàn)場技術人員填寫錨桿注漿記錄表。

4.2 預應力錨索

預應力錨索穿孔必須采用專用鉆機以保證成孔質量，預應力錨索鉆孔孔徑不小于110 mm。施工排架須能承受大于20 kPa 的靜荷載及15 kPa 的動荷載，錨索、孔位、孔徑、孔深及布置形式應符合設計要求，孔深誤差不宜超過200 mm。預應力錨索鉆孔軸線與設計偏差不應大于3°，孔內積水及巖粉應吹干凈，遇有塌孔情況應掃孔。錨索體應選用表面沒有損傷的高強度鋼絞線，按設計長度并考慮千斤頂張拉需要的長度，用砂輪鋸切割，然后綁扎編束，保證每束鋼絞線順直，不扭不交叉。

為保證錨索體居中，避免鋼絞線纏繞和水泥漿握裹效果降低，錨索張拉段應每隔2 m 設置1 個對中支架，對中支架可采用鋼板或硬塑料加工制作;水泥凈漿配合比，水灰比宜為0.5∶ 1(質量比)，宜選用P.O 42.5 號普通硅酸鹽水泥;預應力錨索注漿時應采用從錨孔底部注漿，注漿壓力不小于0.4 MPa，必須保證注漿密實。

注漿管采用高壓膠管或塑料軟管，直徑宜為25 mm，注漿完畢后須拔出注漿管，錨索錨固體強度大于20 MPa 并達到設計強度的80%后方可實施預應力張拉，水泥宜使用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，避免使用受潮或過期水泥;砂石料的雜質和有機質的含量應符合《GBJ 50204—2002 混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范》的有關規(guī)定。對已澆筑完畢的混凝土錨墩，應及時派專人進行灑水保溫養(yǎng)護，養(yǎng)護期應在7 d 以上。

預應力錨索張拉前，應率定張拉設備，并根據(jù)設計要求編排張拉程序，預應力錨索正式張拉前，應取(0.1 ～0.2)設計軸向拉力預張拉1 ～2 次，以使索體各部位接觸緊密，索體完全平直。預應力錨索張拉采用超荷張拉，即設計拉力的25%、50%、75%、110%，每級張拉應持荷10 min，穩(wěn)定后再進行下一級張拉，最后一級應持荷20 min，當沒有明顯預應力衰減時，再卸荷至設計拉力進行鎖定。預應力錨索張拉鎖定后，外露多余鋼絞線截除，保留長度不小于5 cm。錨具及保留鋼絞線采用現(xiàn)澆C20 素混凝土包封防腐。預應力錨索施工順序:放孔位—穿孔(編索)—鉆孔清孔(錨索運輸)—安裝錨索—注漿—補漿—養(yǎng)護—張拉—補張拉、鎖定—錨頭包封。

4.3 掛網(wǎng)噴射混凝土

(1)清坡。首先對預噴坡面進行清理，人工將坡面浮石除掉，掃除坡面及平臺積土，然后用水或高壓風洗(吹)坡面。邊坡壓頂部分要人工鏟平，并露出堅硬地層，對于較軟或松散層，適當灑水夯實。

(2)搭設施工排架。施工排架搭設要牢固，鋼管與坡面接觸端用編織袋等物品包扎20 cm。

(3)鋪設鋼筋網(wǎng)。采用專用鉆機鉆鑿成孔，注漿采用孔口注漿法，人工灌注純水泥漿，水灰比0.5∶1，需保證鉆孔孔內漿液的飽滿，必要時孔口多次補漿。下錨固筋:注漿完成后，立即插入 φ16 mm 錨固筋。將φ6.5 mm 鋼筋拉直、除銹，依據(jù)坡面情況下料;按設計及規(guī)范要求編制鋼筋網(wǎng)，筋網(wǎng)與錨固筋綁扎牢固;按設計要求預植外掛掛件鋼筋并于鋼筋網(wǎng)連接。

(4)混凝土的攪拌。根據(jù)實驗室所提供的C20混凝土配比進行配制混合料，稱重的允許偏差值為±3%;采用滾筒式攪拌機，攪拌時間不小于120 s。

(5)混凝土噴射及養(yǎng)護。①掛網(wǎng)噴射混凝土工藝流程:坡面修理—搭設施工排架—打錨固筋—掛鋼筋網(wǎng)—洗坡—噴射混凝土—灑水養(yǎng)護。②控制好水灰比，保持噴層表面平整，呈潮濕光澤，無麻窩、干斑或滑移流淌現(xiàn)象。③混凝土的噴射厚度隨時檢查，厚度達不到設計要求時及時補噴。④根據(jù)設計每隔一定距離(15 ～20 m)設置一道伸縮縫，并在混凝土坡面上均勻布置泄水孔，安裝φ75 mmPVC 塑料管。⑤混凝土噴射終凝后2 h 開始灑水養(yǎng)護，連續(xù)養(yǎng)護時間保持在7 d 以上。當氣溫低于5 ℃時停止噴水養(yǎng)護，在結冰季節(jié)和下雨時停止噴射作業(yè)。⑥噴射作業(yè)分片、分段進行。噴射手隨時調節(jié)水量，以控制混凝土的塌落度;噴射手保持噴頭距坡面的距離為0.6 ～1.0 m，并根據(jù)回彈量適當調節(jié)噴射距離。⑦分層噴射時，后一噴層應在前一噴層終凝后進行;若終凝1 h后再行噴射時，應先用高壓水清洗噴層表。⑧噴射混凝土應留取試塊，以備做強度試驗。

最終邊坡設計加固斷面如圖1 所示。

圖1 邊坡設計加固斷面Fig.1 Slope design reinforcement profile

5 結 論

(1)研山鐵礦采場東北幫坡體上部主要為松散介質，風化作用較強，遇水崩解性強，坡體局部塌落和發(fā)生傾倒破壞，經(jīng)分析得知，邊坡本身工程地質條件、水以及外界擾動是該礦邊坡破壞的3 大因素。

(2)通過控制爆破技術有效地形成平整光滑的邊坡面，減少超挖和整修工作量，最大限度減小爆破對邊坡穩(wěn)定的不利影響，有利于邊坡的穩(wěn)定。

(3)根據(jù)工程地質調查結果，結合邊坡巖土體破碎情況自西向東劃分為3 個分區(qū)，根據(jù)各區(qū)邊坡實際狀況分別采用了全長黏結錨桿支護、預應力錨索、掛網(wǎng)噴射混凝土等防護治理措施。

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