含软弱夹层露采边坡稳定性分析与治理方案研究*

贺云，李爱兵，虎万杰

(1.华刚矿业股份有限公司， 北京 100039；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

0 引言

露采边坡稳定性影响因素较多，其中软弱夹层由于其力学性质差，破坏了岩体的整体性，是露天矿边坡失稳的主要形式之一。国内外学者在含软弱夹层边坡稳定性评价及滑移机理方面开展了大量的工作，并取得了丰硕的成果。金爱兵等[1]针对平朔东露天矿南帮现状先后提出分阶段大规模削坡，采用极限平衡法和离散单元法分析不同反压高度下边坡稳定性。马婧佳等[2]分析了扎哈淖尔露天矿含软弱夹层边坡的稳定性，在确定露天煤矿潜在滑坡模式基础上，基于边坡稳定性计算结果确定了边坡最优形态。赵虎等[3]认为对于含有软弱夹层边坡，极限平衡和强度折减法之间的差异很大。赵汝辉等[4]通过FLAC3D 建立含有软弱夹层的数值计算模型，分析软弱夹层厚度、赋存深度和岩性等对边坡水平位移和安全系数的影响。郭诚谦[5]对水利水电工程设计和施工中经常遇到的具有软弱夹层的岩体边坡稳定性问题，从岩体边坡整体滑动型式出发，并根据我国抗剪强度参数的取值原则与设计经验，建议了设计应该遵循的安全系数。田宇等[6]针对露天矿多弱层顺倾到界边坡形态设计问题，对地质构造、岩层岩性、软弱夹层赋存情况等工程地质特征进行分析，并基于刚体极限平衡理论与数值模拟的手段，研究了含多弱层-断层构造复合顺倾边坡的变形破坏特征、滑坡模式以及不同弱层对边坡稳定性的影响程度等。余浩[7]为研究影响含软弱夹层岩质边坡的稳定性因素，对常见的水平、顺倾、反倾软弱夹层边坡稳定性采用有限元方法进行了分析。李华舟等[8]以四川峨胜石灰石矿区含缓倾斜软弱夹层台阶边坡为研究对象，建立了符合矿区台阶边坡破坏特点的水力学分析模型，探讨了水力作用对边坡稳定性的影响规律。本文结合刚果（金）某铜钴矿D 坑西帮边坡存在的软弱夹层对整体边坡稳定性的问题，在工程地质补勘、岩石力学参数试验的基础上，经现场工程地质调查与岩体质量评价、边坡稳定性的极限平衡分析，对西帮受软弱夹层影响的边坡稳定性进行了研究，提出了相应的边坡治理方案。

1 工程概况

刚果（金）某铜钴矿D 坑西帮主要为RAT 岩组，主要矿物成分为白云石、长石及黏土矿物。随各种主要矿物成分的差异，发育为白云岩、砂岩、泥岩，随次要矿物的不同，表现为硅化白云岩、白云质砂岩、白云质泥岩等，局部表现为砾质结构的砾岩。

在二期工程建设过程中，因边坡稳定性评价需要，在D 坑西帮布置了2 条工程地质剖面（DW-1、DW-2 剖面），每个剖面上施工2 个钻孔，在DW-2剖面的2 个钻孔中均发现存在软弱夹层，该软弱夹层对边坡稳定性的影响是工程技术人员关心的问题。由于该2 个剖面间距达500 m，发现软弱夹层的2 个钻孔间距约450 m，为了研究软弱夹层是否贯通相连，在初期的边坡稳定性分析时，将此软弱夹层分为贯通或不贯通的2 种情况进行分析。结果表明：无论DW-2 剖面边坡软弱夹层贯通与否，其最终边坡稳定系数均不满足安全储备系数1.3 的要求。因此，建议补充地质勘察，以确定软弱夹层的贯通性。

围绕软弱夹层是否贯通进行了2 次工程地质补勘，一次在DW-2 剖面线南北两侧100 m 布置2 条剖面线（DW-3、DW-4 剖面）。根据补勘钻孔中存在的软弱夹层情况，布置了3 个剖面（DW-5、DW-6、DW-7），即：在DW-2 与DW-4 剖线中间布置DW-5剖面；在DW-2 与DW-3 剖线中间布置DW-6 剖面；在DW-3 北侧布置DW-7 剖面。本区内前后进行了19 个孔的补勘，共有工程地质地质剖面7 个，基本查明了本区边坡内的软弱夹层的工程地质特征。根据补勘资料与数据，需要进行全面的边坡稳定性论证，以便确定合理的边坡处治措施，确保露天境界靠帮及工作边坡的安全。

2 水文地质及工程地质特征

2.1 水文地质特征

评价区域边坡含水层主要为RAT 岩组裂隙含水层。据现场压水试验测定，RAT-3 岩组裂隙发育较弱，透水性较弱，渗透系数大致为1×10−3cm/s，富水性较弱；RAT-2 岩组和RAT-1 分别为碎裂岩组和散体岩组，裂隙发育，岩体破碎，渗透系数大致在1×10−2～2×10−2cm/s，富水性强。

D 坑西帮边坡体主要岩组（RATⅪ-3）富水性较弱，构造破碎带（RAT-2）富水性中等-强，地下水补给条件好，坡顶松散岩层内存在残余水头，坑内南、北两侧坡体的出水方式主要为边帮少量的渗水，西帮内的水位下降明显。因此，D 坑西帮的水文地质条件复杂程度为中等。

2.2 工程地质特征

根据西帮的岩体结构及本矿区岩组的划分原则，D 坑西帮主体RATⅪ-3 岩组的强度较高，存在RATⅪ-1、RATⅪ-2 软弱破碎岩组，且岩层软弱相间，不良地质作用（溶洞）发育程度一般，工程地质复杂程度为中等。

3 岩石力学参数试验与岩体力学参数确定

在室内采用补勘钻孔所取岩心，进行了各岩组的干密度、自然吸水率、饱和吸水率等指标的物理试验，岩石的单轴与三轴压缩试验、直剪试验以及散体岩组的原位测试。

根据D 坑西帮的工程地质补勘成果及现场调查，采用RQD、RMR、CSMR、GSI 分级等岩体质量评价方法，由费辛柯法、GSI 方法、岩体分类法、工程岩体分级标准等折算岩体力学参数的确定方法，综合选取D 坑西帮的岩体力学参数，见表1。

表1 综合选取的岩体力学参数

4 极限平衡分析

4.1 边坡破坏模式分析

根据D 坑西帮的岩体结构面调查结果，D 坑西边坡的主要破坏模式为平面破坏或者圆弧破坏，按此破坏模式对边坡稳定性与治理进行计算分析；同时考虑D 坑西帮边坡内部存在的层状软弱破碎带，在一定应力及开采环境下，可能沿破碎带发生折线型的非圆弧型破坏。

4.2 许用安全系数

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016—2014）的规定[9]：该采场最终边坡最高480 m，由于分段边坡角不同，实际需要重点考虑D 坑西帮1125 m 以上290 m 的边坡稳定性，按重点边坡安全等级为I 级考虑，并根据该边坡上存在软弱夹层等情况，确定3 种工况下的许用安全系数分别为：

（1）工况1：自重+地下水：K=1.25～1.20；

（2）工况2：自重+地下水+爆破振动力：K=1.23～1.18；

（3）工况3：自重+地下水+地震力：K=1.20～1.15。

4.3 分析剖面

利用已有的DW-1～DW-7 工程地质剖面，结合目前的矿山开采现状及设计的开采境界，采用3DMine 建立三维实体工程地质模型，重切边坡稳定性7 个分析剖面。

4.4 有关计算参数

（1）地震：矿区所属地区抗震设防烈度为6°，设计基本地震加速度为0.05g。

（2）爆破振动：通过对该采场边坡现场实测，对边坡稳定性分析计算过程中的爆破振动影响系数Kc取值为0.037。

（3）地下水：根据补勘的地下水位及西帮坡体上的疏干孔水位，该露天采场地下水位标高约在1360 m 左右，采用有限元方法计算地下水渗流对边坡的稳定性影响。

4.5 极限平衡方法的计算结果

考虑了两种不同类型的潜滑面，圆弧型的潜滑面以简化 Bishop 法为准，折线型潜滑面以Morgenstern-Price 法（M-P 法）为准。最终设计边坡工况1 下的边坡稳定性计算结果见表2，DW-3剖面最终边坡工况1 下简化Bishop 法、M-P 法的计算结果如图1、图2 所示。

表2 最终设计边坡工况1 下的边坡稳定性计算结果

由图1、图2 可知：

图1 DW-3 剖面最终边坡工况1 下简化Bishop 法计算结果

图2 DW-3 剖面最终边坡工况1 下M-P 法计算结果

（1）D 坑西帮边坡在3 种工况条件下安全系数均大于许用安全系数，现状边坡是稳定的。在3种计算工况条件下，除DW-3 号剖面的安全系数低于所允许的安全系数，DW-7 号剖面的安全系数比DW-3 剖面稍高，其他剖面的安全系数都大于各工况下的许用安全系数，边坡是稳定的。DW-3、DW-7剖面安全系数较低，是需要进行边坡稳定性治理的位置。

（2）爆破使现状边坡的安全系数下降5.8%～7.8%，地震使现状边坡的安全系数下降1.3%～3.6%，爆破振动使设计境界最终边坡的安全系数下降4.93%～11.04%，地震力使最终边坡的安全系数下降1%～3.7%，其中对DW-7 剖面的影响最大。

（3）各工况情况下的潜滑面位置DW-3、DW-7剖面的潜滑面基本一致。最终边坡的潜滑面不利工况条件下，滑出位置在1127 m，1185 m 外，其他剖面的潜滑面滑出位置大都在目前西帮的斜坡道以上。

（4）采用M-P 法计算的边坡安全系数略小于简化Bishop 法计算的安全系数，说明边坡体内的软弱夹层对边坡稳定性有一定影响，且潜在滑动面的形状与软弱夹层的赋存形态有关，边坡综合治理需要密切注意软弱夹层的存在。

5 边坡综合治理措施

对不稳定边坡的支护加固措施，根据不同的工程地质、水文地质条件、岩性、滑坡模式和规模与边坡服务年限等因素研究了多种方法，在国内外许多矿山、铁路、水电等边坡工程中得到了很好的应用。边坡治理总的原则是充分利用边坡岩体的物理力学性质，通过外力的施加和采矿布置的调整，改善坡体内应力分布，达到稳坡的目的。露天矿滑坡治理的目的就是在开采期限内安全、经济地采出设计境界内的矿石，治理设计不仅在技术上要可行，在经济上也要合理。

边坡滑体加固措施按加固方法可分为3 类，即人工加固法、增大岩体强度法、减小下滑力增大抗滑力法。常见的方法有削坡减载法、减重压脚法等，其最终目的是为减少边坡滑体自身重量，从而减少下滑力，降低滑体滑塌的风险；增大岩体强度法主要包括疏干排水法、注浆法、焙烧法等，其目的是为增加边坡滑体自身的黏聚力、内摩擦角等；在人工加固法中，常见的方法有（预应力）锚索（杆）加固法、抗滑桩法、挡墙法，其目的均是增大边坡滑体的抗滑能力。

刚果（金）总体科研水平及工业基础相对薄弱，虽然拥有丰富的铜钴矿等金属资源，但在矿业工程、岩土工程领域缺乏与之匹配的设计、施工能力。因此，在考虑该铜钴矿边坡稳定性治理时，若采用注浆法、抗滑桩加固法、锚索（杆）加固法等需要一定的设计施工能力及相应工程材料，在刚果（金）内工程材料是缺乏的，且若实施势必增加企业的预算成本。因此，矿山企业不偏向采取此类具有一定工艺水平的加固方法开展边坡治理工作。相对其他方法来说，削坡减载和回填压脚施工工艺较为简单，辅助的施工设备如挖掘机、运输卡车等设备较为齐全，设备维修保养也较为方便。因此从总体上讲，削坡和压脚的方法对于本项目是一种技术经济可行、符合当地情况的边坡治理方法。

通过对需要治理的DW-3、DW-7 剖面的削坡减载方案（方案1）与基于压脚原理的西帮局部边坡的优化方案（方案2）的技术经济对比论证，采用方案2 可避免尽量少压覆RAT-3 内的矿石。

治理优化方案2 的主要内容有：

（1）DW-3 剖面：维持1215～1185 m 的台阶原境界设计不变；1110～1185 m 台阶高7.5 m（原设计台阶高度15 m）、台阶坡面角为70°；1080～1110 m 台阶高15 m、台阶坡面角60°。

（2）DW-7 剖面：维持1215～1185 m 的台阶原境界设计不变；1125～1185 m 台阶高7.5 m、台阶坡面角为70°。图3、图4 分别为DW-3、DW-7剖面边坡调整优化的方案。

图3 DW-3 剖面边坡优化方案

图4 DW-7 剖面边坡优化方案

6 结语

（1）综合刚果（金）某铜钴矿D 坑西帮边坡存在的软弱夹层对整体边坡稳定性研究表明：软弱夹层不仅会降低整体边坡的稳定性，还会影响到潜在滑动面的形态。

（2）根据该矿的赋存条件，结合刚果（金）的边坡治理施工条件，尽量少压矿，提出了基于压脚原理的西帮局部边坡的治理方案，对该边坡进行了综合治理。