金宝铁矿南帮顺倾边坡滑坡机理研究及治理工程实践

柴利蒙，孙东东，杨天鸿*，邓文学，蓝秋华，李金多

(1.东北大学资源与土木工程学院；2.新疆金宝矿业有限责任公司)

引 言

目前，中国金属矿山有10 000余座，黑色金属矿山约4 900座[1]。其中，铁矿以露天开采方式为主，占比达70 %以上。新疆地区铁矿资源储量丰富，特别是富铁矿储量居全国第二位，在露天开采勘查过程中发现矿区出露的地层以层状结构的沉积岩和变质岩为主，顺倾边坡分布广泛[2]。随着露天开采的进行，采坑逐渐加深，边坡高度增大，导致边坡稳定性下降[3-5]。尤其是一些层状边坡由于层理、片理发育，在岩体质量分级中属于较差的岩体，当岩层倾向和边坡倾向同向(即顺倾边坡)时，加之爆破震动、地震、降雨或冰雪融水等外部因素影响，极易发生滑坡灾害[6-9]。对于大型露天矿而言，其边坡稳定性已成为直接影响矿山安全生产与发展的重大问题[10-12]。

国内外相关学者对层状边坡的稳定性问题进行了广泛的研究。陈从新等[13]根据相似理论建立地质力学模型，研究了边坡岩体的岩层倾角对边坡稳定性的影响，试验结果表明，顺层边坡的主要变形方式为滑动变形，破坏模式为滑移-拉裂破坏，滑动过程为分级滑动，越往后拉裂面倾角越小。ALEJANO等[14]总结了层状边坡溃屈破坏和滑劈破坏的具体模式，并提出了稳定性系数计算公式与数值分析和物理模拟方法。邱俊等[15]结合大量边坡倾倒破坏实例对顺倾和反倾边坡倾倒破坏形成条件及发育规模特征进行了对比研究，得到顺倾边坡发生倾倒时的一般坡高(h)、边坡坡角(β)、岩层倾角(α)，并提出了层状岩质边坡“倾倒临界倾角(δ)”的概念。当顺倾边坡的δ≈60°，α>δ时,边坡将可能产生倾倒破坏;当α<δ时,边坡通常产生“滑移-弯曲”或“滑移-拉裂”破坏。白润才等[16]以白音华1号露天煤矿为工程背景，利用Flac3D软件对其北帮顺倾边坡的应力、应变及位移变化进行了数值模拟分析，研究了边坡的滑坡模式和稳定性，得到北帮顺倾边坡的滑坡模式为组合滑动。王刚等[17]运用有限元数值模拟方法研究了山西某露天煤矿顺倾边坡的变形破坏机理和潜在滑坡模式，并给出了相应的治理措施。吴朝松等[18]研究了含水条件下研山铁矿东帮顺倾岩质边坡的稳定性问题，得到了饱水时间对最终边坡角的影响，为制定滑坡防治措施提供了依据。

综上所述，现阶段相关研究主要侧重于分析层状岩质边坡的滑坡模式，对顺倾边坡加固防护方案分析研究较少。本文以新疆金宝矿业有限责任公司(下称“金宝铁矿”)南帮顺倾岩质边坡为研究对象，基于前人研究结果，获取岩石与岩体力学参数；选取已滑坡区域剖面，运用数值模拟方法对南帮边坡的滑坡机理进行分析；并对已滑坡区域和滑坡风险区进行加固，以期获得合理的边坡加固方案，保证矿山的安全生产。

1 工程概况及南帮结构面勘查

1.1 矿山概况

金宝铁矿位于新疆维吾尔自治区富蕴县，年产量400万t，属大型露天矿山。矿区整体海拔为1 000～1 300 m，地形北东高、南西低，相对高差为50～300 m；矿区北东和南西两侧的地形受切割影响严重，沟谷多呈“V”形；而矿区地形切割较浅，多呈“U” 形[19]。矿区年平均降水量271.31 mm，年平均蒸发量1 477.2 mm，11月至次年3月为冰冻期，冻土深1 m，积雪厚0.8～1.0 m。

露天采场长约2 000 m、宽约730 m。南帮设计最终边坡角为47°；台阶高度为12 m，并段高度为24 m；终了阶段坡面角为65°～70°；安全平台宽度大于等于5 m，清扫平台宽度大于等于8 m，安全平台、清扫平台相间布置。汽车运输平台宽度双车道为15 m，单车道为9 m。封闭圈标高为1 080 m，矿坑全景如图1所示，露天坑底标高为852 m，现状984 m靠帮到界。

图1 金宝铁矿矿坑全景

1.2 南帮滑坡现状

金宝铁矿南帮终了边坡高度达323 m，属于陡倾层状岩质边坡。南帮边坡工程地质条件较差，岩性复杂，不利于边坡稳定的节理构造十分发育。近几年，随着不断向深部开采，金宝铁矿南帮区域逐渐靠帮，受自身岩性、构造等影响，在爆破震动、雨水、冻融等外部因素作用下，发生了不同规模的顺层滑坡、崩塌、崩落等现象，尤其是201#勘探线—208#勘探线，已发生3次较大规模滑坡，分别发生在203#勘探线和207#勘探线附近。其中，203#勘探线2019年12月在矿区南上盘984～1 056 m发生第一次滑坡，2020年5月 在1 056～1 104 m发生了第二次滑坡。同时，在1 152 m平台出现约220 m的长裂缝，裂缝宽度为12～18 cm；201#勘探线—208#勘探线1 080 m平台出现约300 m的长裂缝，潜在滑坡风险较大。本文以203#勘探线附近发生的滑坡(如图2所示)为例进行研究，选取滑坡区域AA剖面分析其滑坡机理，并对已滑坡区域AA剖面和东侧滑坡风险区的BB剖面进行加固和稳定性分析，以保障矿山的安全生产。203#勘探线滑坡宽度约100 m，高度约120 m(984 m平台至1 104 m平台)，为顺倾滑坡，表层岩性为角闪斜长片麻岩。

图2 203#勘探线滑坡区域

1.3 结构面钻孔勘查

使用数字钻孔摄像技术对研究区域1 080 m平台的3个钻孔，进行了结构面钻孔摄像勘查，通过图像特征对孔内现象进行定性描述和定量分析，获取67条节理，其中1号钻孔的内部节理空间展布情况如图3-a)所示。对钻孔影像进行处理分析，采用DIPS软件绘制极射赤平投影图，如图3-b)所示。统计数据表明：优势结构面的倾向多集中在20°～40°，倾角多为45°～90°，其中大多数为50°～75°，其余的结构面倾角为45°以下。

2 边坡滑坡机理分析

2.1 滑坡机理分析

南帮研究区域边坡岩性为片麻岩，片理化结构，赋存于边坡坡面倾向倾角相同的顺倾层理，但层理走向与南帮整体走向斜交15°～20°，所以203#勘探线滑坡顺倾层理在南帮西侧切断出露。爆破震动波(尤其是掘沟爆破)传播到边坡表面反射成拉伸波拉裂岩层，融雪和降雨、地下水顺层理形成水楔压力作用，促进岩层开裂滑移。北帮边坡由于阳光照射作用，地下水对边坡影响明显减弱。区段岩层属于中厚层状结构，呈斜长板状贴靠在西帮边坡坡面，并段后安全平台的侧向支撑作用是保障斜长板稳定的关键，因此边坡设计的安全平台和清扫平台宽度不够，斜长板达到一定长度，导致了顺倾滑移-剪切滑坡。综上可知，该滑坡的滑坡模式为下部剪切上部拉裂的切层破坏。

2.2 已滑坡剖面数值模拟

本文使用二维有限元数值模拟软件Phase2，该软件可用于开挖和支护设计[20-21]，其优势在于运用强度折减法的节理有限元法(JFEM-SSR)对所建立的节理边坡模型进行分析时可同时考虑节理和岩体属性。

通过前人岩石力学试验，经Hoek-Brown法[22-23]综合分析得到所需的5种岩体力学参数[24]，结果如表1所示。

本次研究设计治理南帮上盘中部984～1 104 m区域,边坡高度超过200 m，受爆破震动与降雨影响较明显，且布置有多条主要运输道路，对边坡安全生产管理至关重要。根据GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》规定，选定加固后研究区域边坡在工况一(自重+地下水)时工程安全系数为1.20，工况二(自重+地下水+爆破震动)时工程安全系数为1.18。

选取203#勘探线已滑坡区域AA的滑前剖面，并对剖面建立有限元节理网格模型，如图4所示，针对模型施加位移边界，在模型底部施加全方向固定约束，限制位移；在模型左右边界施加x向约束，限制岩体水平位移；对模型整体施加y向约束，限制移动，模拟围岩约束；边坡坡面未设置其他边界约束，可在重力及其他外力作用下自由移动。模型下部长567 m，右侧高度321 m，左侧高度150 m，划分为15 278个网格，12 790个节点。模型中根据现场踏勘和结构面测试结果加入顺倾75°层理和45°～75°随机节理。由于滑坡区域片麻岩较破碎，层理间距8 m，节理间距10 m；其他区域层理间距10 m，节理间距10 m。在工况二受爆破震动影响下,根据实际情况设定水平向右震动荷载影响系数为0.012。

图4 AA剖面数值模型

根据有限元模拟计算绘制出2次滑坡前表面位移,如图5所示。根据位移云图，第一次滑坡体从1 056 m 平台沿节理滑至984 m平台。第一次滑坡后，受陡倾节理影响，边坡底部凌空，1 080～1 104 m形成滑坡体。滑坡体高差、厚度与实际情况基本一致。2次滑坡前临界系数分别为0.97和1.03，均低于规范允许的安全系数，模拟结果与实际滑坡情况基本一致。

3 加固方案及可行性研究

根据已有资料、现状、勘查报告等综合分析，判断已滑AA剖面与失稳BB剖面的岩性、内部节理分布等基本一致，滑坡模式相同，故选取与已滑AA剖面相同的力学参数对BB剖面进行数值模拟。BB剖面安全系数为1.06，达不到允许安全系数，继续发生和AA剖面类似滑动的概率较大，AA剖面滑坡后边坡变陡，依然不稳定，故需对AA剖面和BB剖面所在区域进行加固治理。

露天矿边坡滑坡体治理方式主要有削坡减载、回填压坡脚和人工加固。削坡减载即降低边坡高度或放缓坡脚，改变边坡岩体的应力状态。但是，削坡会影响1 104 m的运输道路，因此不采用该方案。回填压坡脚采用废石料堆填滑坡体前缘，增加抗滑力。考虑到9—10月雨季对散体的冲刷会对下方开采造成影响，此方案也不宜采用。人工加固措施分为主动式加固(如锚杆、锚索等)和被动式加固(如挡墙、抗滑桩等)。被动式加固中挡墙适用于规模小、下滑力小的边坡，且一般只能加固一个台阶滑体，对岩质边坡加固时，边坡高度需小于10 m，而金宝铁矿南帮治理区单台阶高度为24 m。抗滑桩需要人工挖空或机械钻孔，增加了对原岩的扰动。此外，作业时处于滑动带中，再加之井下作业，空间狭小，安全性低。因此，金宝铁矿的露天边坡加固措施采用人工主动式加固。

由于治理区域位于开采帮，每天都受爆破震动影响，在动荷载作用下，会逐渐弱化岩体结构面强度，且随着采场下降，爆破震动对上部边坡影响加大。依据DZ/T 0219—2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》、GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》等规范对金宝铁矿南帮上盘中部984～1 104 m 区域边坡实施锚梁结构加固治理。选取预应力锚索和全长黏结性锚杆(参数如表2所示)，设置格构梁，增加加固边坡的整体性，使坡面受力均匀，可以很大程度抵消爆破震动对边坡的影响。加固后剖面如图6所示，按照金宝铁矿南帮滑坡治理研究设计报告，竖梁水平间距为3 m，横梁排距为4.5 m。

图6 984～1 104 m边坡加固示意图

对所选剖面进行加固后的位移云图如图7所示，AA剖面加固后2种工况下安全系数分别为1.23，1.27，BB剖面加固后在2种工况下安全系数分别为1.21，1.24，均高于规范允许的安全系数。由此可知，采取该加固方式可保证矿山的安全生产。

图7 AA剖面和BB剖面加固后位移云图

4 结 论

1)对研究区域结构面钻孔摄像结果进行分析，得出区域内优势结构面倾角多为50°～75°，倾向多为20°～40°。

2)基于滑坡区域工程地质勘查和滑坡机理分析，得出研究区域滑坡模式为下部剪切上部拉裂的切层破坏。

3)根据稳定性结果得到南帮边坡易滑坡风险区域，提出针对顺层边坡长锚索锚杆与格构梁相配合的加固措施，验算了该方案满足规程要求，对边坡加固方案和治理效果研究具有借鉴意义。