沙河山采场边坡稳定性研究与治理对策分析

刘志超，王 建，杨意德

（中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北 保定 071051）

露天开采是矿产资源开发的主要开采方式之一，目前我国露天矿山数量占各类金属非金属矿山数量总和的70%以上［1］，而我国铁矿石开采中，露天开采产量占90%以上［2］。随着采深的不断增加，目前我国不少矿山已由山坡露天矿和浅层露天矿转入深凹露天矿，最大凹陷采深已超过400 m［3］。相关研究表明，深凹露天矿较山坡露天矿和浅层露天矿的边坡变形破坏事故开始增多，边坡变形滑塌事故的频率明显增高，而且破坏规模也会随之变大［4］。

唐山首钢马兰庄铁矿有限责任公司沙河山采场开采境界圈尺寸1 100 m×800 m，地面最大标高150 m，设计开采最低标高-248 m，终了边坡高度最大近400 m。随着边坡的加高加陡，变形滑移破坏事故的发生日益增多，严重威胁边坡安全稳定［5］。基于此，以沙河山采场北东帮边坡为研究对象，选取典型滑体破坏区域，对边坡稳定性进行详细分析，并提出相关治理对策，为保障矿山安全生产提供依据。

1 边坡现状问题

根据岩体结构类型、不连续面空间分布特征等方面的差异性，沙河山采场划分为Ⅰ～Ⅴ五个工程地质分区。为便于边坡稳定性评价，在此基础上，根据工程地质条件、几何形状和倾向的差异性，将边坡划分为A～F六个主分区，并根据坡体形状和高度等差异性，将A、D、E主分区细分出两个亚区，分区示意图如图1所示。

图1 沙河山采场分区示意图

北东帮边坡位于工程地质分区Ⅱ区，该区岩体主要由黑云斜长片麻岩和磁铁石英岩组成，通过从运动学角度分析，结合边坡岩体结构类型、开挖扰动，降雨等影响，该区破坏模式较为复杂，存在楔形破坏、平面破坏和倾倒破坏，但是破坏多发生在单体台阶。此外，该区靠近小沙河，在开采过程中发现边帮界外有矿后局部扩大了开采境界，将坡顶线至小沙河的距离由原设计30 m缩短至15 m，并及时进行了帷幕注浆止水和坡面喷锚支护工程来防止沙河水进去采坑，但受下部开采及地下水影响，北东帮边坡仍出现两次坡体滑塌。经过陆续清理采掘，下部边帮仍然不能正常靠界，上部滑体始终处于动态变形之中，下部台阶一旦开挖，滑体将发生滑移沉降，严重影响下部各水平台阶的正常推进。

2 边坡稳定性分析

2.1 地下水对边坡稳定性的影响

采场区域内第四系孔隙水含水层和基岩裂隙含水层均有分布，二者具有紧密的水力联系，裂隙含水层局部具承压性。在采场周边的地表水体中，靠近北东帮的小沙河与采场含水层具有直接的水力联系。由于帷幕止水采用孔距3 m的单排注浆工艺，帷幕墙体因搭接不到位难免产生渗水点，河水通过孔隙及裂隙含水层侧向渗流进入采场，造成采场内积水并影响北东帮边坡的稳定性。

2.2 爆破振动对边坡稳定性的影响

通过对生产过程中爆破作业产生的地震波监测分析，采场爆破振动速度的主频率分布在10～50 Hz之间，爆破振动加速度主频率分布在10～35 Hz之间，符合一般爆破地震波的频谱特征，但爆破振动持续时间均小于1 s，与天然地震振动持续时间几秒至数十秒相比存在较大差异［6-7］。由于边坡岩体裂隙发育较破碎，同时爆破作业采取小药量、多爆破等减振技术，使得工作台阶正常爆破对靠帮边坡初期影响轻微。

2.3 边坡稳定性极限平衡分析

极限平衡法是边坡稳定分析传统方法的代表，也是国内外目前应用最广泛的边坡稳定性分析方法之一［8-9］。本文边坡稳定性极限平衡计算按照是否考虑地应力两种工况，对采场终了边坡稳定性进行计算。当滑体处于极限平衡状态时，坡体安全系数为0.99～1.0［10］。因此，根据滑体开始发生滑动时，认定安全系数为1.0，通过反算求解得出抗剪强度值后再进行稳定性计算，计算结果如图2所示。

图2 治理前北东帮典型剖面稳定性计算结果

由于受潜在矿石层滑体影响，图2的计算结果只反映了-56 m水平以上坡体的最小安全系数，未能反映总体边坡的安全系数。为分析边坡整体稳定性，消除上部不稳定岩体对整体边坡计算造成的影响，假定对潜在失稳矿体采取了治理工程，消除构造破碎及地下水的影响，将其抗剪强度参数提高至两翼矿层的抗剪强度值进行计算，稳定性计算结果如图3所示。

图3 治理后北东帮典型剖面稳定性计算结果

北东帮边坡治理前后极限平衡计算结果见表1，由表1可知北东帮边坡在治理前，边坡最小安全系数均小于1.0，边坡处于不稳定状态，伴随边坡逐渐向下开挖，现有滑体将会持续变形，最后导致边坡失稳。在对上部滑体采取了治理措后，北东帮典型剖面终了边坡不计地震力时最小安全系数为1.592，大于安全系数限值1.15；计地震力时最小安全系数为1.482，大于安全系数限值1.10，边坡安全稳定。

表1 北东帮典型剖面极限平衡计算结果

3 边坡治理对策分析

3.1 防护治理工程措施

露天矿在采剥过程中，坡体应力始终处于不断变化调整的过程之中，加之频繁的爆破振动和复杂的工程地质环境，难免会导致边坡岩体产生变形的不利应力，当应力累积超过岩体承受极限时，坡体将会产生张裂错动和蠕动变形，从而导致坡体局部滑塌破坏。为确保人员设备安全和矿山正常生产，可通过以下几种方式对滑体采取防护治理措施。

1.改变边坡几何形态。通过消减主滑段坡体和增加抗滑段坡体，即通常所说的减重和反压，从而使滑体达到新的稳定平衡，该方法技术上简单易行，但必须进行经济成本分析。

2.改良边坡岩土体。采用高压力压浆设备将能够固化的浆液材料注入岩体裂隙，以降低岩体渗透性，增强岩体完整性，承压能力及抗剪强度，该方法对不稳定坡体改造效果明显，但材料价格昂贵且对环境有一定污染。

3.完善排水系统。将地表水截流排泄，防止进入滑体范围之内。除此之外，将滑体内部地下水引出坡体，降低地下水位，减少水理作用对滑体稳定性的影响。

4.坡面防护措施。采用抗滑挡墙、预应力锚杆、锚索抗滑桩等进行支挡结构物来防止和控制不稳定坡体的变形破坏，也可采用钢丝绳网等柔性防护网，通过对支撑绳进行张拉预紧和钢绳网共同构成全覆盖防护系统。

3.2 滑体综合治理对策

北东帮滑体处于矿体所在倒转向斜的北端仰起端，矿体及围岩呈弧形，在该部位封闭，由于受到强烈的构造挤压作用，裂隙非常发育，岩体极为破碎。根据北东帮典型剖面极限平衡计算结果，现有滑体将随边帮高度的逐渐增加而继续发展，变形滑塌规模持续扩大，并最终将于-56台阶出露。

针对现有滑体，治理对策以人工清坡和机械削方、900 kN级预应力锚索加固变形坡体和直径20 mm的系统锚杆、10 cm厚C20挂网喷射混凝土浅层护面措施相结合，治理范围从坡顶到-8 m水平，预应力锚固工程主要集中在-8～16 m台阶。

4 结 论

1.采场岩体结构面不会对总体边坡稳定产生不良影响，但结构面的空间组合控制单体台阶坡体的破坏。

2.为保证矿山安全生产，提出了改变边坡几何形态、完善排水系统、改良边坡岩土体以及坡面防护等多种治理对策。

3.针对北东帮现有滑体，采取了预应力锚索及锚杆加固和挂网喷射混凝土相结合的治理方案。