乌努格吐山铜钼矿岩质边坡稳定性分析及治理

宋 扩 刘 星 卢敬标

（1.中国黄金集团内蒙古矿业有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.非煤露天矿山灾害防控国家矿山安全监察局重点实验室）

乌努格吐山铜钼矿区位于满洲里市西南22 km处，工作区范围约9.54 km2，行政区划属内蒙古自治区新巴尔虎右旗，为内蒙古东北地区深凹露天矿山的典型代表之一，其地质条件复杂，岩体节理构造发育，随着露天开采向深部发展，在降雨入渗及冻融循环影响下，边坡安全已成为制约矿山安全生产的重要因素之一［1］。

本研究应用Midas GTS NX软件，通过有限元强度折减法（SRM）对西帮胶带运输系统下方边坡开展数值模拟研究，分析F5断层对边坡稳定性的影响，得到安全系数计算结果，并进行边坡加固处理，使边坡安全稳定性系数满足规范要求。

1 边坡区地质环境条件

1.1 地层特征

西帮胶带运输系统边坡岩体主要由第四系松散土层和燕山晚期侵入岩组成。第四系松散土层以残坡积亚黏土和碎石土为主，厚度1.2～10.5 m；燕山晚期侵入岩以次英安角砾熔岩、次斜长花岗斑岩为主，其中，未风化次英安质角砾熔饱和单轴抗压强度为43.9 MPa，微风化次斜长花岗斑岩饱和单轴抗压强度为38.1 MPa，未风化次斜长花岗斑岩饱和单轴抗压强度为59.9 MPa。

1.2 地质构造

矿区主要断裂系统为北东向、北西向2组，其中，F5为北东向断层，局部出露在研究区域，对边坡稳定性有一定影响。F5断层长度约1 500 m，倾向95°，倾角40°～50°，沿断层附近形成几十米宽的挤压破碎带，见断层泥［2］。

在露天矿采场西帮建设有矿石胶带运输系统，由于断层F5倾向与边坡倾向基本一致，且倾角较缓，边坡存在失稳破坏的可能，这会造成胶带运输系统基础垮塌，影响胶带运输系统的安全运行，从而影响到采场的供矿工作，因此需要开展边坡稳定性分析工作。

2 边坡现状稳定性分析

现状边坡整体处于稳定状态，在西帮胶带运输系统下方边坡F5断层附近存在1处滑坡隐患，使用Midas GTS NX软件对边坡进行数值模拟计算，并根据稳定性计算结果判断是否采取相关治理措施［3-4］。

2.1 强度折减法

本次研究选取的方法为有限元强度折减法（SRM）［5］。在有限元数值分析技术中的应用可以表述为保持重力加速度不变，将抗剪强度指标c和φ同时除以一个折减系数Fs，得到1组新的抗剪强度指标c'和φ'，然后将该组抗剪强度指标重新代入计算，重复上述步骤，直到有限元数值分析计算的边坡达到临界破坏状态，若继续对抗剪强度指标进行折减，则边坡将会发生破坏，此时的折减系数即是边坡的最小安全系数。其表达式为

式中，c为结构面或岩体黏聚力，kPa；φ为结构面或岩体摩擦角，（°）；c'，φ'为折减后黏聚力和摩擦角。

2.2 计算模型及参数

本次计算选取西帮胶带运输系统下方边坡典型断面进行稳定性分析。根据勘探资料，确定断层赋存状态，并设置模型各个岩土层的厚度，边坡概化模型（图1）的尺寸为150 m×100 m×60 m，边坡岩土体自上而下分别简化为松散土层、次斜长花岗斑岩和次英安角砾熔岩，断层厚度1～2 m。根据室内岩石物理力学试验测试结果，运用Hoek-Brown准则［6］确定岩土层力学参数，对模型材料进行赋值。西帮胶带运输系统下方边坡模型选用的岩土层材料物理力学参数见表1。

2.3 边坡现状数值模拟分析

边坡的应变、应力和位移特征云图如图2～图4所示，可以看出，强度折减法（SRM）能确定西帮胶带运输系统下方边坡潜在的滑动面位置，并较准确地给出边坡稳定性安全系数，同时，在边坡加固设计优化过程中其数值计算结果能够作为很好的参考依据。断层F5是控制边坡稳定性的关键因素，边坡发生的应变变形集中在断层F5附近，并在断层剪出部位产生最大值。边坡内部应力由于自重作用，最大等效应力主要集中在边坡深部，靠近地表和坡面位置等效应力减小。坡体最大位移发生在断层上部及地表附近，最大位移为7～10 cm，坡底底部位移为4～6 cm。通过有限元强度折减法（SRM）计算，边坡安全系数为1.02，不满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》［7］对安全稳定性系数的要求，需要采取加固措施。

3 边坡加固与分析

根据边坡现状稳定性分析结果，研究区边坡破坏类型为断层F5控制的平面滑动破坏，且研究区边坡岩体发生伊利石化、钾长石化、水云母化蚀变，导致边坡表面岩体强度降低［8］，因此单纯的锚索及锚墩加固方式在长期爆破震动的影响下，容易出现预应力松弛，并出现由点及面的加固失效现象。预应力锚索、锚杆、框架梁结构（图5）施加预应力的作用，替代或部分替代了由于开挖坡体所失去的侧向支撑力，使边坡趋向或处于三向受压的状态，主动限制边坡的变形，工程效果更有效，更经济［9］。

3.1 锚杆（索）框架梁的优化设计

预应力锚索、锚杆、框架梁防护结构如图6所示。锚杆（索）水平间距为3.0 m，排距为4.5 m，共布设4排锚杆、2排预应力锚索，每排布置19个锚杆（索），框架梁分布按锚杆（索）位置排列，最终形成54.0 m×22.5 m（长×宽）的预应力锚索、锚杆、框架梁锚固体系。锚杆为全长粘结式结构，杆体采用2×ϕ28 mm螺纹钢焊接，设计单根锚杆锚固力250 kN；锚索材料采用1×7-15.2-1860混凝土用预应力钢绞线，每根锚索由8根钢绞线组成，单根预应力锚索锚固力900 kN，预应力为200 kN，锚杆（索）孔内灌注为M30水泥砂浆；钢筋混凝土框架梁采用C30混凝土，横竖梁截面尺寸为400 mm×400 mm，锚索节点处混凝土截面尺寸放大，主筋采用ϕ22 mm螺纹钢。预应力锚索、锚杆、框架梁的力学参数见表2。

对滑动破坏的边坡，锚杆（索）的布设角度应发挥锚杆（索）的抗滑作用，在施工可行条件下，锚杆（索）倾角宜按式（2）计算［10］：

式中，δ为锚杆（索）与水平面夹角，正值为仰角，负值为俯角，（°）；β为滑面（软弱结构面）倾角，（°）；φ为滑面（软弱结构面）内摩擦角，（°）。

经计算锚杆（索）倾角为-17.5°。

锚固工程是施工技术难度较大且隐蔽性较高的特殊工程，施工过程应符合规范要求，达到治理滑坡灾害的目的。在进行预应力锚索、锚杆结构施工作业前，应对滑坡体区域边坡的松散破碎区域、部分沉降变形区域、强风化层等先进行清理、清除。锚杆、预应力锚索孔位测放应准确，考虑到沉渣的影响，锚杆施工实际钻孔深度应大于设计深度0.5 m，锚索施工实际钻孔深度应大于设计深度1.0 m，成孔后用高压空气清孔。锚索施加预应力过程中，张拉到最后一级荷载且变形稳定后，卸荷至预应力荷载并锁定锚索，并用C20混凝土及时封闭锚头。框架梁应尽量做到横平竖直，外表美观，对于坡面凸凹不平区域，进行清理修整后可顺坡面形态进行横竖梁支模、扎筋、浇筑，保证框架梁节点处钢筋混凝土紧贴坡面。

3.2 加固后数值模拟分析

加固后西帮胶带运输系统下方边坡的应力和位移特征云图如图7、图8所示。可以看出，在边坡加固区域，尤其在断层F5附近，有边坡应力集中现象，这说明预应力锚索、锚杆、框架梁结构体系有效发挥了加固作用，使边坡抗滑力在加固区域得到明显的增大。加固后的边坡位移得到控制，因滑坡体下部区域位移受到锚固体系的加固，使坡体发生的最大位移依然集中在断层上部及地表附近，但最大位移下降为5～7 cm。通过有限元强度折减法（SRM）计算，边坡安全系数为1.55，满足《非煤露天矿边坡工程技术规范》对矿山边坡稳定性的要求。

4 结论

（1）强度折减法（SRM）能确定西帮胶带运输系统下方边坡潜在的滑动面位置，较准确地给出边坡稳定性安全系数，同时，在边坡加固设计优化过程中其数值计算结果可以作为很好的参考依据。

（2）乌努格吐山铜钼矿的西帮胶带运输系统下方边坡稳定性受F5断层影响，通过Midas GTS NX软件数值模拟计算，边坡发生的应变变形集中在断层F5附近，其边坡稳定性无法满足规范要求，存在滑坡隐患，需采取加固措施。

（3）预应力锚索、锚杆、框架梁结构体系能够增强边坡区整体性，有效发挥加固作用，使边坡抗滑力在加固区域明显增大，并改善边坡体位移场，从而提高西帮胶带运输系统下方边坡的安全稳定性系数。