研山铁矿边坡稳定性影响因素分析及控制技术

张树东

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009;2.河北钢铁集团矿业公司司家营研山铁矿，河北 唐山063700)

露天边坡的稳定性是影响矿山能否安全生产的重要因素，也是矿山地质环境保护对象。影响边坡的稳定性的影响因素主要可以分为主观因素和客观因素两大类。主观因素包括边坡角度设计大小、开采扰动以及人为破坏;客观因素主要包括边坡体的岩性如矿物组成、成分类型、以及边坡的地质构造如断层、节理等［1-2］。河北钢铁集团下属的研山铁矿边坡上部主要为黏土和碎石的混合散体，具有风化易崩解、遇水易泥化等特点，矿山在正常开采过程中，采场东北帮的不同部位均出现失稳破坏。针对以上工程实际情况，对研山铁矿露天边坡失稳破坏的影响因素进行分析，并结合矿山条件提出有效治理措施。

1 工程概况

研山铁矿Ⅰ采场东北边帮坡顶为采场+30 m 永久固定公路，公路下方边帮目前已开挖到6 ～18 m 水平，由于揭露出的台阶边坡岩体节理裂隙发育、风化破碎，且台阶上部有第四系残坡积覆盖层，受风化、雨水冲刷及开挖卸荷等不利因素影响，边坡部分坡体出现张裂滑塌破坏，导致现有台阶坡不能按设计靠界并段。由于岩体破碎带及雨水冲刷作用，现有边坡出现多处冲沟破坏，对坡顶固定公路的安全运营形成隐患。为保证采场边帮正常靠界、台阶安全稳定，保证下方生产台阶的正常推进，确保坡顶固定运输公路安全，对北帮6 m 平台以上边坡进行了现场踏勘，分析了影响边坡稳定性的主导因素与演变规律、潜在变形破坏的形成机制及发展趋势，提出了边坡治理方案，为确保矿山安全生产提供了保障。

2 边坡破坏类型调查与分析

影响边坡稳定性的因素较多，如岩体中的断层、节理、层理等不连续结构特征;雨水冲刷、人工削坡等改变斜坡外形，引起坡体应力分布的变化;风化作用等引起斜坡坡体强度发生变化;此外，区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力和动水压力，以及施工荷载等都对斜坡稳定具有直接影响。在这些因素的综合作用下，边坡可能发生整体或局部的失稳破坏。根据现场调查，分析认为影响该矿采场边坡稳定性的主要影响因素如下。

(1)坡体工程地质条件。采场边坡主体主要是由粉质黏土和碎石构成，整体呈松散状态，可视为黏土和碎石构成的松散体，其黏结力较小，在雨水作用下容易崩解、软化，因而极易造成边坡产生冲沟。

(2)水对边坡体的影响。由于台阶上部有第四系残坡积覆盖层，受风化、雨水冲刷及开挖卸荷等不利因素影响，常常会改变地下水的渗流系统，从而使边坡原有的地下水位明显提高，引起边坡地下水位的增高，加大潜在滑坡面上的孔隙水压力，从而引起动水压差，降低松散质地地体边坡的稳定性，进而使边坡坡体出现张裂，甚至滑塌破坏。

(3)外界扰动因素。采场东北帮边坡，上部有固定公路，生产产生的废石和矿石经常经由此路动输，上部动载作用是引起该处边坡破坏的主要因素;同时，在进行爆破破岩时，爆破震动破坏也是引起坡体失稳的主因;爆破作业后的矿石，通常在边角处作业，经长期在坡体下方开挖，常常会因为超挖而破坏坡角，使坡体失去支撑，打破斜面坡体原有的力学平衡体系，造成局部剪切应变和剪切破坏。同时上部的动载和坡体的自重致使坡体向临近空面的方向松动，并逐渐演化为连续的潜在滑面和松动裂缝，并加剧各裂隙间相互贯通，最终引起边坡整体滑动。

3 边坡控制技术

为保证采场边帮正常靠界、台阶安全稳定，保证下方生产台阶的正常推进，确保坡顶固定运输公路安全，矿山技术人员设计并实施了边破治理方案。边坡治理应根据工程措施的技术可能性和必要性、工程措施的经济合理性、工程措施的社会环境特征与效应，并考虑工程的重要性及社会效应来制定具体的整治方案。防治原则应以预防为主，及时治理，对于规模较大、工程地质条件复杂的滑坡，应有选择性地采用多种方法进行综合治理。本次边坡治理主要采用预应力锚固、全长黏结锚杆、挂网喷射混凝土及混凝土补砌冲沟等综合治理措施。结合边坡岩土体破碎情况自西向东划分为3 个分区，根据各区边坡实际状况采用相应的防护治理措施。本次设计为初步方案设计，工作量布置宜应根据靠界后边坡揭露实际情况进行适当调整。

3.1 人工削方清坡

东北帮现有台阶边坡上部为第四系残坡积覆盖层，由于下伏岩层的滑塌破坏导致第四系地层呈陡倾状，自稳能力低，为保证下方台阶的正常推进靠界和台阶坡面平顺，对边坡上部陡倾第四系覆盖层进行人工削方，削方坡度1∶ 0.75 ～1∶ 1.0，削方后在坡顶堆筑安全土挡。由于坡顶为运输公路，为确保坡体安全稳定、防止冲刷破坏，削方后采用全长黏结锚杆及挂网喷射混凝土联合支护。

3.2 Ⅰ区边坡防护

Ⅰ区主要为岩质边坡，6 m 平台以上台阶坡高度达30 m，目前18 m 以上台阶已靠界，由于边坡高度大、岩体破碎，节理裂隙及软弱破碎带发育，易出现崩塌破坏，并导致6 ～18 m 台阶不能正常靠界并段。为保证边坡安全稳定和正常靠界，采用预应力锚索对该区台阶坡进行加固。为减少工程量、节约资金，根据清坡后边坡岩体实际状况，预应力锚索重点布置在具有潜在滑塌破坏的坡段，岩体较完整、坡体自稳能力较强的坡段可不布置锚索。预应力锚索共设置3 排，18 m 以上台阶坡设置2 排，锚索长度为20 m，水平间距5 m;待18 m 水平以上预应力锚索张拉施工完毕后再对6 ～18 m 台阶开挖推进靠界，靠界后的6 ～18 m 台阶坡视实际状况设置1 排预应力锚索，长度为18 m，水平间距5 m。预应力锚索采用4 ×7φ5 mm、1 860 MPa 高强度低松弛钢绞线制作，锚索孔径不小于110 mm，倾角15°，孔内灌注水灰比为0.5∶ 1 纯水泥浆。预应力锚索设计锁定荷载600 kN，坡面设C30现浇钢筋混凝土锚墩承台。预应力锚索待锚固段浆体及锚墩强度达到设计强度的80%后进行张拉。对于风化破碎严重区域，应辅助于C20 挂网喷射混凝土进行防护。

3.3 Ⅱ区边坡防护

Ⅱ区边坡为上部第四系坡积层和全风化层、下部强风化基岩组成的二元结构边坡，边坡自稳能力较低，局部地段台阶坡上部软弱坡体受雨水冲刷形成冲沟。为确保边坡安全稳定，对坡体采用预应力锚索和全长黏结锚杆加固，坡面软弱破碎岩体采用C20 挂网喷射混凝土封闭防护，防止因长期风化冲刷而进一步破坏。预应力锚索设置2 排，锚索长度分别为20、18 m，水平间距5 m;全长黏结锚杆长度6 、9 m，水平间距2.5 m。预应力锚索采用4 ×7φ5 mm、1 860 MPa高强度低松弛钢绞线制作，钻孔孔径不小于110 mm，倾角15°。预应力锚索设计锁定荷载600 kN，坡面设C30 现浇钢筋混凝土锚墩承台。全长黏结锚杆采用φ25 mm、HRB335 螺纹钢筋制作，钻孔孔径90 mm，倾角15°。锚索、锚杆孔内灌注水灰比为0.5∶ 1 的纯水泥浆。边坡中上部风化破碎严重部位采用C20 挂网喷射混凝土防护，喷层厚度10 cm，坡顶喷层应包覆路缘安全土挡。喷射混凝土钢筋网需与全长黏结锚杆端头连接固定以增强护面结构的整体稳定性能。喷射混凝土面层每隔15 ～20 m 设2 cm 宽伸缩缝，缝内填塞沥青麻筋;面层埋设φ75 mm PVC 泄水管，间距3 m×3 m 梅花型布置。

对于坡面冲沟，需先清除现有回填物，然后再采用C20 素混凝土补砌的方式处理。为保证冲沟补砌体的安全稳定，补砌坡脚应结合坡体加固措施设置预应力锚索或全长黏结锚杆加固，且补砌混凝土需采用如粉煤灰混凝土等重量较轻的类型。

3.4 Ⅲ区边坡防护

Ⅲ区边坡上部为第四系残坡积覆盖层，下部为强风化中风化基岩，岩体较完整，该区边坡主要对上部第四系坡体采取防护治理措施以确保坡顶运输公路的安全。对坡体上部第四系人工清坡后采用2 排全长黏结锚杆和挂网喷射混凝土加固，锚杆长度6、9 m，水平间距2.5 m。锚杆采用φ25 mm、HRB335 螺纹钢筋制作，钻孔孔径90 mm，倾角15°，孔内灌注水灰比为0.5∶ 1 纯水泥浆。边坡上部采用C20 挂网喷射混凝土防护，喷层厚度10 cm，坡顶喷层应包覆路缘安全土挡。喷射混凝土钢筋网需与全长黏结锚杆端头连接固定以增强护面结构的整体稳定性能。喷层每隔15 ～20 m 设2 cm 宽伸缩缝，缝内填塞沥青麻筋;面层埋设φ75 mm PVC 泄水管，间距3 m×3 m 梅花型布置。

3.5 控制爆破

露天矿边坡稳定与否与生产爆破及靠帮爆破密切相关，实践表明，常规爆破方法对边坡稳定影响最大，微差爆破、预裂爆破、光面爆破对边坡稳定影响相对较小。对于欠稳定或处于极限平衡状态下边坡，若爆破参数不合理、爆破药量过大时，很可能诱发边坡岩体失稳，造成边坡滑塌破坏。相关研究证明大型爆破动力影响可使边坡稳定性系数降低10%;靠帮爆破炸药量较大时可使边坡稳定性系数降低15% ～20%。对于高陡边坡或地质条件及岩体强度较差的边坡地段，当爆破振动达到一定值时，边坡就会产生局部坍塌甚至整体滑坡。因此边坡靠帮爆破应采用预裂爆破或光面爆破技术，形成平整光滑的边坡面，减少超挖和整修工作量，最大限度减小爆破对边坡稳定的不利影响，有利于边坡的稳定［4-5］。

设计参数:炮孔直径D =100 mm;炮孔间距a 取(8 ～12)D，视岩石性质进行调整;不耦合系数取2 ～4;底部1 m 范围内增加装药量，其药量按计算出的装药集中度增加1 倍;通常预裂爆破孔的堵塞长度取1～1.5 m，用炮泥或干沙封堵，并在炮泥下加一木塞或硬质壳垫。

炮孔装药量可根据下式进行计算:

式中，Q1、Q1为线装药密度，g/m;σs为岩石极限抗压强度，MPa;a 为炮眼间距，cm，D 为炮眼直径，mm;K为岩石系数，坚硬为0.6，中等为0.4 ～0.5，软岩为0.3 ～0.4。

爆破作用质点振动速度应不超过22 cm/s。

通过预裂线两侧均未产生可见的侧冲裂隙，预裂孔之间贯通性良好。由于预裂线所在位置岩体主要为地表第四系绿泥岩，风化严重，同时由于预裂线前方10 ～20 m 之外一般台阶炮孔爆破产生的后冲作用，电铲铲装预裂线前方岩体的过程中逐渐暴露出的预裂面已不完整，除在较完整岩体位置保留有半壁预裂孔，其余部分则没能形成半壁孔。

4 加固控制技术实施及说明

4.1 全长黏结锚杆［6］

根据设计要求及施工图设计确定锚杆位置。

(1)穿孔。根据设计要求搭设钢管施工排架，安装钻机并确保钻进期间钻机的稳定性。全长黏结锚杆须采用专用锚杆钻机以保证成孔质量，成孔直径≥90 mm，孔深误差控制在50 mm 以内，终孔前吹渣时间≥5 min，保证孔内干净。终孔后由现场技术人员填写锚杆钻孔记录表，报请现场监理工程师确认合格后进入下一工序。

(2)杆体安装。下锚杆前，将注浆管与锚杆绑在一起，同时放入孔底，注浆管底端距孔底保持50 ～100 mm 的距离，锚杆插入孔内长度不小于设计规定的95%，施工中由现场技术人员填写锚杆杆体检验表。

(3)注浆。采用纯水泥浆为注浆材料，配置水灰比为0.5∶ 1，采用水泥为P. O 42.5 普通硅酸盐水泥，正式注浆前，应用水或稀水泥浆润滑注浆管及其管路，全长黏结锚杆注浆采用常压注浆法(注浆压力0.4 MPa)，注浆管随水泥浆的注入缓慢拔出，当管口有水泥浆溢出时，停止注浆，封堵孔口，初凝后再由孔口补浆以保证孔内灌满水泥浆，施工中由现场技术人员填写锚杆注浆记录表。

4.2 预应力锚索

预应力锚索穿孔必须采用专用钻机以保证成孔质量，预应力锚索钻孔孔径不小于110 mm。施工排架须能承受大于20 kPa 的静荷载及15 kPa 的动荷载，锚索、孔位、孔径、孔深及布置形式应符合设计要求，孔深误差不宜超过200 mm。预应力锚索钻孔轴线与设计偏差不应大于3°，孔内积水及岩粉应吹干净，遇有塌孔情况应扫孔。锚索体应选用表面没有损伤的高强度钢绞线，按设计长度并考虑千斤顶张拉需要的长度，用砂轮锯切割，然后绑扎编束，保证每束钢绞线顺直，不扭不交叉。

为保证锚索体居中，避免钢绞线缠绕和水泥浆握裹效果降低，锚索张拉段应每隔2 m 设置1 个对中支架，对中支架可采用钢板或硬塑料加工制作;水泥净浆配合比，水灰比宜为0.5∶ 1(质量比)，宜选用P.O 42.5 号普通硅酸盐水泥;预应力锚索注浆时应采用从锚孔底部注浆，注浆压力不小于0.4 MPa，必须保证注浆密实。

注浆管采用高压胶管或塑料软管，直径宜为25 mm，注浆完毕后须拔出注浆管，锚索锚固体强度大于20 MPa 并达到设计强度的80%后方可实施预应力张拉，水泥宜使用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，避免使用受潮或过期水泥;砂石料的杂质和有机质的含量应符合《GBJ 50204—2002 混凝土结构工程施工及验收规范》的有关规定。对已浇筑完毕的混凝土锚墩，应及时派专人进行洒水保温养护，养护期应在7 d 以上。

预应力锚索张拉前，应率定张拉设备，并根据设计要求编排张拉程序，预应力锚索正式张拉前，应取(0.1 ～0.2)设计轴向拉力预张拉1 ～2 次，以使索体各部位接触紧密，索体完全平直。预应力锚索张拉采用超荷张拉，即设计拉力的25%、50%、75%、110%，每级张拉应持荷10 min，稳定后再进行下一级张拉，最后一级应持荷20 min，当没有明显预应力衰减时，再卸荷至设计拉力进行锁定。预应力锚索张拉锁定后，外露多余钢绞线截除，保留长度不小于5 cm。锚具及保留钢绞线采用现浇C20 素混凝土包封防腐。预应力锚索施工顺序:放孔位—穿孔(编索)—钻孔清孔(锚索运输)—安装锚索—注浆—补浆—养护—张拉—补张拉、锁定—锚头包封。

4.3 挂网喷射混凝土

(1)清坡。首先对预喷坡面进行清理，人工将坡面浮石除掉，扫除坡面及平台积土，然后用水或高压风洗(吹)坡面。边坡压顶部分要人工铲平，并露出坚硬地层，对于较软或松散层，适当洒水夯实。

(2)搭设施工排架。施工排架搭设要牢固，钢管与坡面接触端用编织袋等物品包扎20 cm。

(3)铺设钢筋网。采用专用钻机钻凿成孔，注浆采用孔口注浆法，人工灌注纯水泥浆，水灰比0.5∶1，需保证钻孔孔内浆液的饱满，必要时孔口多次补浆。下锚固筋:注浆完成后，立即插入 φ16 mm 锚固筋。将φ6.5 mm 钢筋拉直、除锈，依据坡面情况下料;按设计及规范要求编制钢筋网，筋网与锚固筋绑扎牢固;按设计要求预植外挂挂件钢筋并于钢筋网连接。

(4)混凝土的搅拌。根据实验室所提供的C20混凝土配比进行配制混合料，称重的允许偏差值为±3%;采用滚筒式搅拌机，搅拌时间不小于120 s。

(5)混凝土喷射及养护。①挂网喷射混凝土工艺流程:坡面修理—搭设施工排架—打锚固筋—挂钢筋网—洗坡—喷射混凝土—洒水养护。②控制好水灰比，保持喷层表面平整，呈潮湿光泽，无麻窝、干斑或滑移流淌现象。③混凝土的喷射厚度随时检查，厚度达不到设计要求时及时补喷。④根据设计每隔一定距离(15 ～20 m)设置一道伸缩缝，并在混凝土坡面上均匀布置泄水孔，安装φ75 mmPVC 塑料管。⑤混凝土喷射终凝后2 h 开始洒水养护，连续养护时间保持在7 d 以上。当气温低于5 ℃时停止喷水养护，在结冰季节和下雨时停止喷射作业。⑥喷射作业分片、分段进行。喷射手随时调节水量，以控制混凝土的塌落度;喷射手保持喷头距坡面的距离为0.6 ～1.0 m，并根据回弹量适当调节喷射距离。⑦分层喷射时，后一喷层应在前一喷层终凝后进行;若终凝1 h后再行喷射时，应先用高压水清洗喷层表。⑧喷射混凝土应留取试块，以备做强度试验。

最终边坡设计加固断面如图1 所示。

图1 边坡设计加固断面Fig.1 Slope design reinforcement profile

5 结 论

(1)研山铁矿采场东北帮坡体上部主要为松散介质，风化作用较强，遇水崩解性强，坡体局部塌落和发生倾倒破坏，经分析得知，边坡本身工程地质条件、水以及外界扰动是该矿边坡破坏的3 大因素。

(2)通过控制爆破技术有效地形成平整光滑的边坡面，减少超挖和整修工作量，最大限度减小爆破对边坡稳定的不利影响，有利于边坡的稳定。

(3)根据工程地质调查结果，结合边坡岩土体破碎情况自西向东划分为3 个分区，根据各区边坡实际状况分别采用了全长黏结锚杆支护、预应力锚索、挂网喷射混凝土等防护治理措施。

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