司家营露天矿边帮潜在破坏模式分析及重点区域治理方案①

黄笃学， 陈 越， 胡亚军， 荣 辉， 黄海鹏， 王少华

（1.河钢集团矿业有限公司，河北 唐山063700； 2.黑龙江省地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨150036）

边坡稳定性关系到矿山安全生产、可持续发展以及矿山闭坑后的综合利用，是影响矿山开采技术经济的重要因素之一［1］。 河钢集团司家营北区露天矿由司家营铁矿和研山铁矿组成，地表长2.9 km，宽1.6 km，按设计最终境界边坡高度将达到602 m，南北向单面边坡暴露面积约115 万平方米，属于大型深凹露天矿高陡边坡。 目前，整个矿区除下盘局部靠帮外，其余均为工作帮状态。 虽然矿山针对边坡稳定和安全开展了大量研究及实践工作，但受岩性、水、边坡和岩层产状、结构、构造、人工爆破扰动等各种因素的综合影响［2-3］，仍发生过多次规模不等的局部滑坡灾害，严重威胁采场底部采矿人员及设备的安全。 因此对采场边帮潜在滑坡破坏模型进行预判分析并制定相应治理方案变得尤为重要。

1 边坡地质概况

司家营矿区所处大地构造位置为燕山褶皱带山海关隆起之昌黎凸起的西南边缘地带，褶皱构造发育，边坡岩体位于司家营向斜的东翼、新河背斜的西翼，区内发育少量褶皱和小型弯曲。

采区内中元古界长城系大红峪组石英砂岩作为沉积盖层呈角度不整合覆盖在新太古界单塔子岩群白庙子组黑云变粒岩、混合岩化黑云变粒岩、钾长石化云母片岩等变质岩系及BIF（太古代沉积变质铁矿）之上。采场上盘边坡（西帮）属于反倾边坡，上部由第四系粉土、黏土和粉细砂组成（正逐步剥离），下部为石英砂岩。 岩层倾向近西，倾角40°～55°。 采场下盘边坡（东帮）属于顺层岩质边坡，第四系和石英砂岩已经全部被剥离，因此以钾长石化白云母片岩、黑云变粒岩夹BIF 为主，边坡总体产状为倾向270°，倾角50°～60°。其中位于下部层位的钾长石化白云母片岩经风化后呈土黄色，极易破碎，遇水后呈泥状，是易造成边坡失稳滑塌的岩石类型。 根据现有地质钻孔资料，初步推测强风化层底部埋深约100 m，中风化层底部埋深约140 m，以下为弱风化层。

2 边坡潜在破坏模式分析

2.1 边坡岩体结构面分析

为了进一步查清边帮岩体结构面空间展布特征，为区分风化带、评价岩体质量和确定岩体力学参数提供基础数据，利用RG 电视测井仪和3GSM 三维岩体不接触测量技术，对采场进行矿岩体裂隙和结构面数字摄影测量。 受施工及测量场地所限，钻孔数据以东帮为主。 孔内勘察所得节理产状如表1 所示。 结果表明，露天采场东帮深部岩体优势结构面是顺倾结构面，倾角多位于40°～60°之间，倾向多位于230°～270°之间，结构面与边坡倾向一致，是造成边坡失稳的不良因素之一，极不利于采场东帮边坡的稳定。

表1 结构面产状统计表

3GSM 结构面摄影测量以东帮＋20 m 平台测点为例，将现场所获取的测点左右视图导入ShapeMetrix 3D软件分析系统，圈定出重点测量区域，系统经过技术处理，得到岩体表面的三维视图，并根据三维图上主要节理裂隙的分布情况及3GSM 分组原则对其进行分组，绘制出如图1 所示的赤平极射投影。 结果显示，优势结构面产状分别为：129.21°∠60.76°，286.91°∠47.33°，351.49°∠66.98°。

图1 结构面赤平极射投影

2.2 边坡潜在破坏模式分析

边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害过程，而破坏模式是边坡稳定性分析的基本依据［4］。 不同破坏模式对应不同的滑动面和治理方式。 以N26 线为例，对钻孔数据进行滑坡赤平极射投影运动分析，结果如图2 所示。 结果显示，矿区边坡潜在破坏模式主要分为平面破坏、楔形破坏、崩塌倾倒破坏3 种类型。其中东帮顺层边坡主要潜在破坏模式为平面型破坏，以顺层滑移破坏、滑移拉裂破坏和滑劈破坏为主，破坏规模往往达到2 个台阶。 楔形破坏模式在采场中分布较多，其规模受结构面规模控制，大者可达整个台阶高度，而小者则不足1 m，是一种极典型的边坡局部破坏模式。 但从边坡整体规模角度来说，楔形体破坏影响小，仅需在坡角处作业时引起足够重视即可。 崩塌、倾倒破坏主要存在于边坡西帮和北帮上部水平大红峪组砂岩和下部板状黑云变粒岩中。 另外矿区第四系特厚冲积层以圆弧形滑坡破坏模式为主，随着第四系逐渐剥离，此种破坏模式将不再成为治理重点。

图2 N26 线滑坡赤平极射投影运动分析

3 边坡整体稳定性分析

基于早期勘探、测绘和生产勘探获取的地质资料，通过3Dmine 软件对矿区进行了详细三维地质建模。三维模型中主要包含了开采境界模型、断层和岩性分界面模型以及地层模型［5］。

将上述模型导入FLAC3D软件，利用其强大的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析功能，对矿区边坡整体稳定性进行分析。 分析结果显示，现状工况下，采场东帮在N24 ～N28 号勘探线之间台阶呈现出剪切破坏状态，N14～N16 号勘探线之间台阶也有少量剪切破坏特征。 当开挖至2022 年时，破坏范围将有所扩大，且矿坑底部出现少量位移反弹现象，当开挖至最终境界，破坏范围进一步扩大，且位移反弹更加明显。 由此可见在宏观上大致确定需重点监测及加固区域应该在东帮N24～N28 勘探线运输道路下-18 及-42 台阶。

针对重点治理区域建立1 856 m × 900 m 的数值模型如图3 所示，通过对露天开采境界之内岩体一步开挖，形成坡高572 m、最终边坡角34°的开采边坡数值模型。 选择更适用于顺层岩质边坡破坏机理分析的各向异性模型，结果表明，各向异性模型考虑了优势节理方向（倾角55°的顺倾向节理）的影响，渗流通道具有明显的方向性，渗流对边坡稳定性影响主要为浮托力作用，渗流应力耦合作用不强烈。 在潜在破坏模式方面，各向异性模型计算得出边坡损伤区在风化带出现平面型破坏区，当岩层倾角达到45°时，边坡损伤区最大，而当边坡层理倾角达到55°，即现场实测优势结构面倾角时，边坡损伤区呈近似平面型破坏。

图3 N26 剖面计算数值模型

4 治理方案

4.1 排水方案

矿坑东帮距离河流60～800 m，治理前每天涌水量（4～5）万立方米左右，渗流速度可达2 000 m／d。 采用地下连续墙堵水为主、排水管疏干排水为辅的疏堵结合治水方法后，堵水率达80%以上，保证了矿山正常生产。 但利用红外热像仪对东边坡进行全方位扫描观测，仍可发现明显出水点，不利于边坡的稳定性，需要采取放水孔疏干，汇集到排水沟内。

具体布置方案为：主运输道路上方排水孔，拟在N24～N26 线按每组50 m 间距布置，其他区域按每组100 m 间距布置，排水孔长度70 m。 对于-67 m 平台排水孔，按每组100 m 间距布置，排水孔长度80 m，5°的向上仰角，每个位置施工3 个孔，成20°夹角伞形分布，共布置放水孔19 组。

4.2 加固方案优化

4.2.1 加固现状

以重点治理区域东帮N26 线附近及附近区域-18～-67 m 水平为例，矿山目前采取的是锚索格构梁的加固方案。 锚索间距5.0 m × 6.0 m，采用钻机成孔。 之后以锚索处为节点布置格构梁，格构梁截面尺寸为30 cm × 30 cm，在格构梁内部分坡面及坡顶部位采用C25 混凝土喷射护坡，喷砼厚度5 cm。 开采到最终境界时，东帮边坡暴露面积约115 万平方米，若全部采用此方案大约需要花费9 亿元。 因此，优化加固参数并确定整体边坡的加固方案意义重大。

4.2.2 优化方案

鉴于现有加固方式虽然费用较高、但效果良好的实际情况，本次仍采用锚索格构梁的治理措施，仅对相关参数进行优化。

1） 优化原则。 根据《非煤矿山露天边坡工程技术规范》，当前边坡高度高于200 m，边坡工程属于Ⅱ级安全等级，以自重＋地下水荷载组合下的安全系数为1.2 确定临界滑动面深度。

2） 内锚固端长度。 根据边坡钻孔摄像的节理发育程度分析，推测强风化与微风化中间存在约15 m 厚的中风化层，建议以此作为锚索加固的持力层。 根据锚固力大小和材料属性，结合数值分析锚杆受力情况及实测预应力情况，建议锚固段取6 m，可基本满足锚固设计要求。

3） 锚杆（锚索）间距优化。 根据加固方案，-42 m平台和-18 m 平台之间垂直间距为6 m，下部边坡垂直间距为5 m，在此基础上设计3 种间距方案，垂直间距分别为4 m、5 m 和6 m。 锚杆参数为直径26 mm，型号HRB335，抗拉强度设计值300 N／mm2。 注浆浆液参数：水泥的黏结强度标准值为0.1 MPa，单位长度水泥浆刚度1 GPa，注浆体直径100 mm。 利用FLAC3D强度折减法评价加固效果，间距为4 m × 4 m、5 m × 5 m、6 m × 6 m 时安全系数分别为1.35、1.34、1.32。 安全系数随间距变大而减小，能满足永久边坡安全储备要求。 因此，最终选择加固间距为6 m × 6 m。

4） 优化后加固参数确定。 锚索（杆）参数具体数据如表2 所示，间距选择6 m 时，锚固模型如图4 所示，MG1～MG7 采用锚索加固，边坡在长期爆破振动、浸水弱化影响下，中风化层岩体质量可能进一步降低，为防治滑体沿中风化层中部从-38 m 台阶坡脚（-67 m平台）剪出，甚至从中风化与微风化交界面滑移剪出，MG8～MG10 采用全段锚固锚杆加固方式锁固坡脚。

表2 锚索（杆）参数

图4 加固锚固模型

5） 最终境界锚固方式。 对于运输平台，用短锚杆加固其上一个台阶和下一个台阶；对于清扫平台，用短锚杆加固其下一个台阶，防止滑塌，上个台阶不用加固，安全平台不用加固。

5 结 论

1） 赤平极射投影结果显示边坡岩体优势结构面产状分别为：129.21°∠60.76°，286.91°∠47.33°，351.49°∠66.98°。

2） 分析确定了司家营北区露天采场边坡潜在破坏模式，其中东帮边坡主要破坏模式为顺层滑移，即平面破坏模式，滑坡规模在1 ～2 个并段台阶，局部有单台阶有楔形破坏但是规模较小。 西帮边坡主要破坏模式为反倾破碎岩体倾倒崩塌破坏。

3） 利用FLAC3D软件分析矿区边坡整体稳定性，确定东帮N24 ～N28 线为重点治理区域，提出了适用于该矿山的边坡加固方案及具体优化参数，并确定了最终境界锚固方式。