某露天矿山边坡变形体治理方案研究

黄 伟，李克钢

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

0 引言

随着露天矿山的开采深度持续加深，其周围会产生大量的边坡区，由于地质条件及矿区条件的不断变化，边坡时常出现不稳定的现象，为矿山生产带来了很大的隐患。某矿东部边坡随着开采深度的增加，受到软弱岩层、断层、岩石风化等因素的影响开始出现滑移，且有逐渐加剧的趋势。变形体滑移开裂现状见图1。东部边坡最低标高1 090m，最高标高1 360m。边坡滑移开裂面积约18万m2，滑移开裂实体体积约700万m3。现有的坑底水平往下160m才会到达最终的开采境界线，由于开采深度的加深，边坡的坡脚会进一步卸荷，变形体的滑移开裂情况将越发严重。露天矿山进一步开采将受到边坡变形体的严重制约，同时边坡的变形会影响到东南部边坡的两条重要运输通道。因此，对边坡变形体的治理需要得到重视和实施。

图1 变形体滑移开裂现状Fig.1 Present situation of sliding and cracking of deformable body

1 边坡体地质背景

边坡上部为坚硬致密的灰绿色英安岩，英安岩抗压强度高，抗剪强度低，受到断层、风化等因素影响，稳定性差。边坡下部为灰绿色被硅质胶结的流纹岩，坚硬、抗剪抗压强度较高。流纹岩与英安岩间为岩体松软容易风化破碎的浅灰色凝灰岩，遇水极易泥化，极不稳固。矿区有三条较大的断层及许多小断层发育。

矿区水系属小黑江支流，侵蚀基准面的高程为654m。边坡上表面地层为不含水或弱含水层，主要原因是英安岩节理裂隙发育、孔隙度低。下部是遇水易泥化的凝灰岩，裂隙水常顺着凝灰岩渗出。水文地质条件是比较简单的裂隙充水类型。

2 变形原因分析

导致边坡变形滑移的因素有很多，如降雨、爆破扰动[1]、地形地貌、地质结构[2]、变形体前缘开挖，总的来说分为自然因素和人为因素[3]。

2.1 自然因素

不良的地质岩体结构影响边坡稳定性和促成边坡滑动，东部边坡有三个较大的断层，三个断层交叉分布均对东部边坡稳定性造成影响。同时在降雨作用下，水通过裂隙进入凝灰岩层，导致凝灰岩软化，稳定性变差。

2.2 人为因素

根据实地考察分析得出，采场在开采至1 090m水平时，坑底开挖切断了边坡下部的凝灰岩（软弱岩层），边坡岩体顺着软弱岩层发生了滑动和变形，呈牵引型变形。由于坡体上部土层较高，下滑力较大（推移式滑动）[4]，加重了边坡的滑动变形。同时，生产中没有采取更好的减震爆破工艺，爆破扰动对边坡的影响较大，不少台阶边缘甚至出现较长的裂隙。此外，生产中没有严格按照设计进行开采，台阶剥采得较窄，倾角较大，这些都是东部边坡产生滑动变形的重要原因。

3 边坡稳定性分析

边坡上部风化的英安岩、中部易泥化的凝灰岩、下部坚硬致密的流纹岩共同组成矿山边坡。通过矿山边坡取样进行岩石力学试验得到岩石力学参数。具体岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数Tab.1 Rock mechanics parameters

研究利用Slide软件对露天矿边坡稳定性进行分析，该软件被广泛运用于边坡、基坑、路基稳定性的计算[5-7]，其具有建模过程简单，计算快速的优点，能够准确模拟边坡稳定性问题[8]。利用Slide数值模拟软件分析水平投影长1140m，高度270m，边坡角度26°，坡面斜长650m的区域，建立边坡模型如图2。

图2 边坡模型Fig.2 Slope model

《滑坡防治工程勘查规范》GBT 32864—2016规定，边坡稳定状态按表2确定。

表2 边坡稳定性状态划分Tab.2 State division of slope stability

Slide软件计算后结果如图3，通过对图3的分析可以看到边坡的安全系数为0.98，处于不稳定状态。凝灰岩层是危险滑坡面的集中区，这进一步证实了矿山开采至这个阶段之前边坡比较稳固，而开采到现有水平后边坡稳定性急剧下降的主要原因即现场生产开采至现在的坑底水平恰好切断了边坡下部的凝灰岩层，由于凝灰岩本身易泥化、破碎软弱，边坡岩体便顺着凝灰岩层发生了滑移。

图3 边坡稳定性状态分析Fig.3 Analysis of slope stability state

4 边坡滑坡体处理与安全技术措施

4.1 边坡滑坡体处理方案

根据采场地质条件和矿山发展需要，采用削坡减载方案、安全防护等措施对变形进行治理[9]。设计遵循削坡减载为主、安全防护为辅，保证下步开采的原则进行设计。

方案一：削坡卸载。该方案从坡顶逐段分台阶卸载，边坡逐步卸载靠帮，这也是目前控制滑坡体下沉滑动的紧急而有效稳固措施。方案优点是将边坡削坡至潜在软弱层面位置，能有效地控制边坡稳定性，采取“削坡卸载”，施工操作方便简单，边坡稳定性更有把握性，边坡最终的稳定性能得到有效保障，安全可靠程度也更高。削坡卸载也可有效保障采场后期剥离生产，因为后期开采水平还要下降160m左右。缺点是一次性投资费用高。

方案二：上部削坡卸载+坡脚注浆。首先紧急从坡顶逐段分台阶卸载，使上部边坡卸载靠帮。边坡中部和上部大概要卸载400万m3左右的岩土体，减少边坡主滑段的下滑力。然后在坡脚松散地基层进行注浆加固，改良松散地基层的不良现状，提高坡脚的抗滑力和承载力。注浆钢管一定要打到凝灰岩软弱层面附近。特点：将上部边坡削坡至潜在软弱层面位置，减少对坡脚的压力，方案上部采用“削坡卸载”治理施工操作方便，简单，下部注浆施工操作不复杂，投资费用低。目前软弱层面位置勘探程度较高，卸载和注浆能够实施到位，稳定性有把握，安全可靠。

方案三：上部削坡卸载+抗滑桩+预应力锚索。该方案首先紧急从坡顶逐段分台阶卸载，上部边坡逐步卸载靠帮。上部卸载一部分以后，通过稳定性初步计算，为确保治理加固后边坡的稳定性满足安全要求，在坡脚1 110m平台打一排抗滑桩和挡墙，然后在边坡中部和上部也各打一排抗滑桩，总共要打三排抗滑桩。同时为了确保抗滑桩本身抗倾覆的安全要求，抗滑桩必须锚入软弱层（即凝灰岩层）以下25m，这样造成抗滑桩尺寸很大，高度在36～61m之间（抗滑桩布置点见图4）。

图4 抗滑桩布置示意Fig.4 Schematic diagram of layout of anti slide piles

因此，抗滑桩尺寸过大导致该方案最大缺点是治理操作很繁琐，施工复杂也很困难，而且建挡墙先要在坡脚开挖基坑，本来脆弱的坡脚承担上部下滑力已经很力不从心，为了建挡墙再来开挖坡脚，极易造成施工过程中发生上部边坡失稳垮塌，造成人员伤亡。而且施工完后，因为该矿下部还要生产开挖下降160m，下部开挖爆破扰动以及岩体结构的不利影响，时间长久会慢慢削弱上部边坡的稳定性，届时边坡安全性得不到保障，因此方案三带有风险性，而且投资费用也相对较高。

三种方案在滑坡体治理过程中都要加强滑坡体周边截水和排水措施。

研究对边坡治理费用和卸载量进行了大略估测，三种方案投资费用对比结果见表3。由于目前滑坡体大部分为破碎岩石和土体，故省去部分爆破费用，剥离费用可降低。通过以上三种方案对比分析，推荐方案二（上部削坡卸载+坡脚注浆），该方案操作实施性强，安全有保障，投资费用较低。

表3 方案对比及综合费用预估表Tab.3 Scheme comparison and comprehensive cost estimation table

4.2 安全技术措施

（1）削坡过程中应严格按照设计施工，严禁超挖[10]。东部边坡在1 160m平台到1 270m平台台阶高度大，开挖采矿的时候为了多开采矿石将边坡台阶开挖的较窄，且台阶的倾角已经在70°左右。这也是东部边坡出现滑坡问题的原因之一。因此，需要加强对工程质量的检查，严格按设计参数预留安全平台，对超挖、超高台阶，人为放大边坡角等情况进行及时纠正，更能确保露天边坡的稳定性。

（2）在清扫过程中要注意不能留根底、伞檐和浮石，大块和残留碎石必须清理干净[11]。东部边坡清扫得不够理想，1 190m、1 180m等较多平台上部台阶都有爆破后留下的根底及大块浮石。

（3）东部边坡裂隙发育对边坡的安全稳定有很大的影响。裂隙发育如图5所示。坡面上原岩受破坏产生裂缝，在小于坡面角的情况下，须对松散岩体进行压实和堵住裂缝，防止地表水和雨水注入裂缝，在大于坡面角的情况下，必须清理以确保稳定性或其他切实有效的措施确保边坡安全[12]。

图5 边坡裂隙Fig 5 Slope fracture

（4）边坡在开采矿石时爆破装药量不能过大。如1 130m、1 120m平台在爆破过后出现了大的裂隙，因此需要加强爆破管理，控制一次性爆破装药量，并采取适宜控制爆破、防震、减震爆破工艺，确保边坡稳定。

5 结论

凝灰岩层是危险滑坡面的集中区，现场生产开采至现在的坑底水平恰好切断了边坡下部的凝灰岩，由于凝灰岩层本身破碎软弱，边坡岩体便顺着凝灰岩岩层发生了滑移，这是此矿山边坡出现滑坡变形的主要原因。

（1）拟采用上部削坡卸载+坡脚注浆方案，该方案操作实施性强，安全有保障，投资费用较低。

（2）方案充分考虑了矿体的赋存条件和后期开采要求，充分利用了现有生产工艺系统，安全措施有保障。

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