大坑稀土礦邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施研究

程 哲 劉 偉 袁憲強(qiáng)

（1.贛州稀土礦業(yè)有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.贛州稀土集團(tuán)有限公司）

江西省大坑稀土礦采用原地浸礦法開采［1］。原地浸礦時，不斷注入礦體中的溶液擠出已發(fā)生交換作用的稀土浸出液，使土壤及巖體不斷沙化、酸化，力學(xué)強(qiáng)度降低，極易引發(fā)滑坡災(zāi)害［2］。針對稀土邊坡失穩(wěn)機(jī)理，各科研工作者做了大量研究。徐獅等［3］結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評判方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，能較為準(zhǔn)確地對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。饒運章等［4］采用室內(nèi)模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，探究了注液和降雨2種情況下稀土邊坡的穩(wěn)定性。目前，邊坡穩(wěn)定性分析常采用數(shù)值模擬計算安全系數(shù)的方式評估邊坡的穩(wěn)定性。針對失穩(wěn)邊坡，多采用擋土墻、抗滑樁、錨桿（預(yù)應(yīng)力錨索）、削坡減載等方式加固邊坡［5］。但由于地質(zhì)問題的復(fù)雜性和多變性，在實際工程中，仍有許多問題值得探討。

本研究首先采用數(shù)值模擬的方法，針對天然狀態(tài)、浸礦狀態(tài)、地震作用三者耦合下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，針對失穩(wěn)邊坡提出合理的加固措施。

1 工程概況及技術(shù)參數(shù)

1.1 自然地理概況

大坑稀土礦屬山丘地貌，地勢西高東低、北高南低，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育。最高海拔標(biāo)高為524 m，最低海拔標(biāo)高為350 m，相對高差多在40～70 m；區(qū)域最高洪水位標(biāo)高為351 m。區(qū)內(nèi)山坡坡度一般為20°～35°，局部可達(dá)45°，植被較為發(fā)育。

1.2 工程地質(zhì)條件

大坑稀土礦為單一的輕稀土礦床，礦床類型屬花崗巖風(fēng)化殼離子吸附型輕稀土礦床。區(qū)內(nèi)構(gòu)造型式簡單，僅為一些小型斷裂裂隙；地層單一，僅沿溝谷分布第四系地層；巖漿巖出露廣泛，均為酸性花崗巖。受風(fēng)化作用強(qiáng)弱不均及地形地貌等因素影響，區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化殼的發(fā)育程度有所差異。自上而下可劃分為砂質(zhì)黏土層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層。取不同巖層的巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，并基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則［6］獲取巖體力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

1.3 邊坡勘察成果

本次贛州稀土礦業(yè)有限公司大坑稀土礦3個富集站首采礦塊邊坡勘查工作實物工作量詳見表2。

經(jīng)過實地勘察，1#首采礦塊整體高42 m，邊坡角為28°；2#首采礦塊整體高60 m，邊坡角為34°；1#首采礦塊整體高40 m，邊坡角為18°。巖體質(zhì)量等級為IV～I(xiàn)II級。結(jié)合贛州市定南、龍南和信豐三鮮稀土礦滑坡點的情況來看，滑坡主要集中在高丘陵地貌區(qū)，坡腳集中在20°～35°?；轮饕l(fā)育在邊坡的凹坡處，降雨量越大，發(fā)生滑坡的幾率越高。且隨著浸礦液的不斷注入，注液淺井底部與全風(fēng)化層相接觸的基準(zhǔn)面上邊坡變形較大、

根據(jù)出露的地層巖性及地下水在含水介質(zhì)中的賦存特征，地下水類型主要為上部第四系松散巖類孔隙水和風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水，其中以風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水為主。第四系松散巖類孔隙水賦存于第四系全新統(tǒng)坡洪積層及殘坡積層中，多呈不連續(xù)條帶狀沿河兩岸展布。風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水主要賦存于花崗巖風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙里，其含水性在各地及垂直方向上很不均勻。正常情況下，地下水水位埋深較大，坡面一般無地下水，僅在持續(xù)降雨或強(qiáng)降雨情況下，水位迅速抬升，在產(chǎn)生動靜水壓力的同時，造成潛在結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度迅速降低，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)變形。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測及相關(guān)文獻(xiàn)表明［7-8］，黏性土土坡及破碎、風(fēng)化巖坡滑坡時，其滑面接近于一個圓弧面，又稱圓弧滑動。與平面滑動和楔體滑動不同，圓弧滑動主要采用力矩計算。針對大坑礦區(qū)礦體特性及邊坡破壞模式分析，采用極限平衡法中的瑞典圓弧法和畢肖普法分析邊坡穩(wěn)定性。

本次模擬針對3個首采礦塊的典型邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分別計算邊坡在天然狀態(tài)（僅考慮自重及地下水作用）、天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)、天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)+地震作用下的安全系數(shù)。

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的要求［9］，天然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)不小于1.15、天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)不小于1.10、天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)+地震作用下邊坡安全系數(shù)不小于1.05。

2.1 天然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)江西理工大學(xué)、中南大學(xué)等院所的相關(guān)研究成果［10-11］，確定考慮長時間降雨情況下，坡頂?shù)叵滤宦裆? m，坡腳處水位埋深為0 m，礦體內(nèi)浸潤面高度定為礦體厚度的75%，即在天然狀態(tài)下礦體的四分之三處于飽水狀態(tài)，天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，在天然狀態(tài)下，3個首采礦段邊坡的安全系數(shù)均大于1.15，說明天然狀態(tài)下邊坡較為穩(wěn)定，不會發(fā)生大規(guī)模滑坡。由于區(qū)域邊坡上部呈強(qiáng)風(fēng)化散體結(jié)構(gòu)，下部巖體也受到不同風(fēng)化程度的影響，潛滑面呈近似圓弧狀，且局部區(qū)域越陡，越容易出現(xiàn)邊坡滑移，若邊坡坡度較為均勻，則潛滑面為從坡頂延伸至坡腳的大型圓弧面。潛滑面位于表土層及全風(fēng)化層中，說明大坑稀土礦邊坡更容易發(fā)生表層滑坡及中層滑坡。

2.2 浸礦開采下邊坡穩(wěn)定性分析

大坑稀土礦采用原地浸礦法開采，浸礦液通過注液井，在一定的水頭壓力下，連續(xù)不斷地注入礦體，浸取液與礦體中的稀土離子發(fā)生交換作用，使稀土離子進(jìn)入浸出液，不斷注入礦體中的溶液擠出已發(fā)生交換作用的稀土浸出液，不僅降低了邊坡的穩(wěn)定性，而且使巖土體的抗剪強(qiáng)度大大降低。因此在浸礦開采下不可忽視水的滲透作用。天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在考慮滲透作用及動水壓力下，邊坡安全系數(shù)大幅降低，安全系數(shù)均小于1.10，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。且對于局部區(qū)域較陡的邊坡更容易發(fā)生推移式滑坡，而對于坡度均勻的陡坡則更容易出現(xiàn)牽引式破壞。結(jié)合圖1可知，在邊坡坡度較陡的開采礦段，礦體厚度越大，地下水浸潤面越高，飽水體積越大，邊坡安全性越差。另外，礦體埋深對浸礦狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性影響較大，埋深越淺邊坡穩(wěn)定性越差，浸礦開采時應(yīng)予以重視。

2.3 地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析

贛南地區(qū)為6度地震區(qū)，本次穩(wěn)定性計算地震烈度按6度考慮。天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)+地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，在考慮地震作用下，邊坡的安全系數(shù)進(jìn)一步減小。說明邊坡遭受的工況越復(fù)雜，穩(wěn)定性越弱。相較于圖2，在考慮地震作用下，邊坡的安全系數(shù)下降幅度較小，潛滑面的大小幾乎不變，說明地震對邊坡的穩(wěn)定性影響較小。

3 安全處理及加固措施

依據(jù)上述計算結(jié)果，大坑稀土礦在浸礦開采下的安全系數(shù)小于1.10，因此需采取加固措施。結(jié)合以往開采經(jīng)驗及試驗礦塊的試驗情況，以留取保安礦體、避開雨季浸礦、控制優(yōu)化注液高度（不超過礦體厚度的60%）為首選安全措施，在采取上述措施不能滿足安全規(guī)范要求時或高陡邊坡安全儲備不足的情況下采用加固措施。具體措施見表3、表4。

按表3、表4措施對邊坡進(jìn)行加固，按照最復(fù)雜的工況即考慮天然狀態(tài)+浸礦開采狀態(tài)+地震作用，采用畢肖普法計算邊坡穩(wěn)定性，計算結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，首采礦塊位置在留取25 m保安礦柱，同時避開雨季浸礦和控制注液高度的前提下，采用抗滑樁等加固措施可以保證邊坡穩(wěn)定，浸礦安全。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用抗滑樁對邊坡進(jìn)行加固，首采區(qū)域1#礦塊、3#礦塊采用抗滑樁進(jìn)行加固。設(shè)計布置4排樁，樁尺寸為φ160 mm，樁間距為1.5 m，排距為1.5 m，樁深約20 m（須穿過滑面至基巖深5 m，具體深度可根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整）。

樁內(nèi)放置4根HRB400型φ25 mm鋼筋，均勻分布于樁內(nèi)，通過HRB335型φ6 mm鋼筋（箍筋）綁扎，抗滑樁開孔方向沿水平方向下傾25°。樁頭設(shè)A3鋼板埋置于框格梁內(nèi)，地表框格梁高600 mm，寬500 mm，混凝土強(qiáng)度為C30，每片框格梁長度為4.5 m，寬度為3.0 m，設(shè)置6個抗滑樁，框格梁形成“井”字形與抗滑樁澆筑在一起。

根據(jù)抗滑樁所在位置的地形及地質(zhì)條件，首采區(qū)域1#礦塊設(shè)計布置4排樁，單排長度為45 m，單排30根樁，共10片框架，計120根樁。首采區(qū)域1#礦塊設(shè)計布置4排樁，單排長度為65 m，單排40根樁，共12片框架，計180根樁。首采區(qū)域3#礦塊設(shè)計布置4排樁，單排長度為108 m，單排72根樁，共24片框架，計216根樁。

考慮到采場地表地形條件，抗滑樁施工選用φ160 mm沖擊式砂鉆進(jìn)行鉆孔，該種鉆機(jī)操作簡單、成孔效率高、對地形適應(yīng)能力強(qiáng)，可滿足現(xiàn)場鉆孔施工要求。

對不同工況下加固后邊坡進(jìn)行驗算，計算結(jié)果統(tǒng)計見表5。

按上述方案加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，滿足規(guī)范要求。相關(guān)方案也已得到企業(yè)認(rèn)可，礦山目前正在按照上述方案對稀土邊坡進(jìn)行加固。

5 結(jié)論

（1）僅考慮天然狀態(tài)，邊坡安全系數(shù)大于1.15，邊坡整體穩(wěn)定性較好?？紤]滲流作用、動水壓力及地震作用時，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，需采取加固措施。

（2）工況越復(fù)雜，邊坡的穩(wěn)定性越差；其中浸礦開采對邊坡穩(wěn)定性影響最大，稀土邊坡穩(wěn)定性分析不可忽視滲透作用及動水壓力的影響。

（3）針對失穩(wěn)邊坡，在留設(shè)保安礦樁、避開雨季浸礦和控制注液高度的前提下，采用抗滑樁等加固措施，可以保證邊坡穩(wěn)定、浸礦安全。