邊坡支護(hù)工程在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理施工中的應(yīng)用研究

夏訓(xùn)文

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六六大隊，江西 南昌 330038）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但由于有些地區(qū)礦山的不科學(xué)開采和管理，對周圍環(huán)境造成了惡劣影響，包括地形地貌景觀、地表植被破壞，水土流失和形成高陡巖體邊坡等，其中開采形成的高陡邊坡在外部環(huán)境因素的作用下，極有可能發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)危害，對礦山和周邊地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全帶來威脅。邊坡支護(hù)工程是對礦山地質(zhì)災(zāi)害的有效防治措施，通過運(yùn)用先進(jìn)的工程材料和有效的技術(shù)手段，從外部對礦山坡體進(jìn)行加固，具有安全經(jīng)濟(jì)的實(shí)施效果，被廣泛使用于礦山地質(zhì)災(zāi)害治理施工中[1]。因此本文對邊坡支護(hù)工程在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為邊坡支護(hù)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步促進(jìn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，為礦山邊坡的優(yōu)化工程提供參考依據(jù)。

1 應(yīng)用邊坡支護(hù)工程提高礦山土質(zhì)穩(wěn)定性

1.1 減少礦山邊坡的應(yīng)力變形

應(yīng)用邊坡支護(hù)工程，可以減少礦山巖體的應(yīng)力變形，從而提高礦山邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)邊坡巖體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變形特征，礦山邊坡變形破壞模式可分為傾倒、平移拉裂和楔形體變形三種類型。傾倒變形主要發(fā)生在坡度較大的巖體上，巖體沿節(jié)理或不連續(xù)面發(fā)生向坡面方向的傾倒而產(chǎn)生的變形。造成傾倒變形的主要原因?yàn)閹r體在重力作用下產(chǎn)生的傾倒力矩，克服抵抗力矩作用時失去穩(wěn)定性，進(jìn)而造成塊體彎曲和傾倒。當(dāng)連續(xù)巖體被陡傾結(jié)構(gòu)切割時，重力作用下發(fā)生臨空破壞，質(zhì)地較為堅硬的巖體被長間距切割，容易發(fā)生塊體傾倒變形；受到橫向節(jié)理作用的連續(xù)切割，則容易發(fā)生彎曲變形，與連續(xù)彎曲形狀相似。平移拉裂變形主要發(fā)生在坡體傾角較小的滑移結(jié)構(gòu)順層邊坡中，邊坡節(jié)理和裂隙相互切割，受到重力作用產(chǎn)生拉伸，當(dāng)周圍解除約束時，由于傾角大于巖層間的內(nèi)摩擦角，當(dāng)?shù)V區(qū)發(fā)生爆破或降雨時，巖體將沿滑移面產(chǎn)生平移拉裂變形[2]。楔形體變形主要發(fā)生在具有兩組及以上結(jié)構(gòu)面的邊坡中，結(jié)構(gòu)面相交發(fā)生楔形體變形，并沿交線發(fā)生滑動，造成邊坡破壞。應(yīng)用邊坡支護(hù)工程可對巖體形成整體支擋作用，減少邊坡的變形破壞。

1.2 去除危巖體墜落隱患

礦山邊坡在開采的過程中，巖體容易受到爆破和挖掘作用而產(chǎn)生的裂隙結(jié)構(gòu)，在外力的作用下容易破碎，形成危巖體，對礦山工程的施工人員造成安全威脅，如果不采取有效措施，也會對后期施工產(chǎn)生安全隱患。小型危巖體可以在施工階段進(jìn)行清理，而較大的危巖體可以應(yīng)用邊坡支護(hù)工程技術(shù)對其進(jìn)行加固，進(jìn)而去除危巖體隱患。當(dāng)邊坡表面存在大量危巖體時，需要及時清理已經(jīng)松動的巖石、具有裂紋的巖面和風(fēng)化層，在此過程中可進(jìn)行必要的放坡，保證一定的坡體斜率，保證邊坡支護(hù)工作期間沒有石塊松動和墜落，保證施工安全性。邊坡支護(hù)工程利用各種類型的柔性網(wǎng)覆蓋和包裹邊坡存在的危巖體，通過施加垂直作用力，以防止危巖體進(jìn)行空間位移，達(dá)到限制危巖體滑塌和墜落的作用，實(shí)現(xiàn)對邊坡危巖體的主動控制。以掌握邊坡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在巖壁上依次進(jìn)行打孔、放置錨桿和注漿的操作，合理利用錨桿加固危巖體和潛在滑體。利用防護(hù)網(wǎng)將錨桿連接起來，非封閉的結(jié)構(gòu)為巖壁后期的植被恢復(fù)提供了必要的條件。由于防護(hù)網(wǎng)具有一定柔韌性，適用于任何形態(tài)的邊坡結(jié)構(gòu)。

2 應(yīng)用邊坡支護(hù)工程深層加固礦山邊坡

2.1 增強(qiáng)邊坡維持穩(wěn)定的抗滑力

應(yīng)用邊坡支護(hù)工程深層加固礦山坡邊，可以有效增強(qiáng)邊坡抗滑力，較少發(fā)生邊坡失穩(wěn)。邊坡失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，存在不同模式的邊坡破壞[3]。基于邊坡破壞模式對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，假設(shè)剛性滑動巖體以某點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，滑裂面為速度不連續(xù)面，在巖體上任取一微分單元體，旋轉(zhuǎn)角度為θ ，巖體對外做功功率1P 可以表示為：

其中，λ 表示巖體土質(zhì)中度；λ 表示距離旋轉(zhuǎn)中心的距離；ω 表示邊坡轉(zhuǎn)動的角速度。巖體內(nèi)能消耗功率2P 可以表示為：

其中，α 表示滑裂面的剪應(yīng)力；β 表示滑裂面的法向應(yīng)力；φ 表示邊坡巖體內(nèi)摩擦角。由極限分析上限法可知，令外功率等于內(nèi)功率時，可得到邊坡的臨界高度H ，可以表示為：

當(dāng)邊坡巖體處于臨界狀態(tài)時，函數(shù) ( )f θ 的極小值即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。通過對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行求解，得到其穩(wěn)定性分析，在邊坡支護(hù)工程中根據(jù)巖土條件、實(shí)際荷載量和支護(hù)狀況對邊坡進(jìn)行定量受力分析，將邊坡穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換成錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性分析，通過綜合計算邊坡體系的內(nèi)外功率，以此來確定錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性系數(shù)，增強(qiáng)邊坡維持穩(wěn)定的抗滑力，提高邊坡的安全性。

2.2 提高礦山邊坡抗震能力

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體形成一個整體，可以承擔(dān)巖體的部分重量，有效增強(qiáng)巖體的承受力和抗震性。邊坡在施工過程中，巖體的原始應(yīng)力不斷釋放，受力狀態(tài)也不斷改變，利用邊坡支護(hù)工程可以使巖體的受力狀態(tài)從原始平衡轉(zhuǎn)化為新的平衡狀態(tài)。通過對松散狀態(tài)的巖體施加有效的支擋加固措施，可以加快形成平衡受力狀態(tài)，還可以消減巖體自由變形量，支護(hù)加固結(jié)構(gòu)同時又對巖體產(chǎn)生反作用力，進(jìn)一步限制巖體發(fā)生位移。巖體與支護(hù)加固結(jié)構(gòu)相互作用，連接成剛性整體，將下滑推力傳遞到深部的穩(wěn)定地層，利用嵌固作用產(chǎn)生抵抗力，以此來增強(qiáng)邊坡的抗震能力。邊坡支護(hù)工程充分利用巖體本身的抗震能力，改善在滑移面的力學(xué)性質(zhì)，由于增加了垂直滑移面的作用力，相應(yīng)增加表面摩擦力，進(jìn)而減小了巖體受到的滑動推力，因此在滑移面的抗震能力得到提升。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 計算穩(wěn)定性力學(xué)參數(shù)

以某地邊坡治理工程的典型斷面為例，計算邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)參數(shù)。在邊坡治理工程現(xiàn)場取滑體巖土和滑帶巖土各10 例，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果統(tǒng)計和分析，得到滑體巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：天然內(nèi)聚力20.25kPa，飽和內(nèi)聚力18.94kPa，天然內(nèi)摩擦角14.95°，飽和內(nèi)摩擦角13.76°；滑帶巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：天然內(nèi)聚力16.42kPa，飽和內(nèi)聚力15.65kPa，天然摩擦角8.74°，飽和摩擦角9.34°。綜合分析實(shí)地勘察和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定目標(biāo)邊坡的穩(wěn)定性力學(xué)參數(shù)，具體如表1 所示。

表1 穩(wěn)定性力學(xué)參數(shù)

綜合考慮巖體特征和結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，使用折減系數(shù)F 來反映動態(tài)的邊坡破壞過程，折減系數(shù)可以表示為：

其中，F(xiàn)C 表示折減后的內(nèi)聚力；Fφ 表示折減后的摩擦角。通過用折減系數(shù)表示抗剪強(qiáng)度參數(shù)對摩擦角的調(diào)整關(guān)系，以此衡量邊坡穩(wěn)定性。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

為檢驗(yàn)邊坡支護(hù)工程在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理施工中的應(yīng)用效果，對邊坡支護(hù)前后的穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。統(tǒng)計各折減系數(shù)下邊坡特征點(diǎn)的水平向、豎直向位移和總位移，得到支護(hù)前后的特征點(diǎn)位移曲線圖，如圖1 和圖2 所示。

圖1 邊坡支護(hù)前特征點(diǎn)位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線

圖2 邊坡支護(hù)后特征點(diǎn)位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線

由圖1 可知，經(jīng)過強(qiáng)度折減分析，邊坡支護(hù)前的安全系數(shù)為1.27，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但還存在局部不穩(wěn)定區(qū)，由于目標(biāo)邊坡為高陡邊坡，存在安全隱患，因此需要進(jìn)行支護(hù)加固處理。由圖2 可知經(jīng)過邊坡支護(hù)后，目標(biāo)邊坡的安全系數(shù)提高至1.90，表明穩(wěn)定性具有明顯的提高，進(jìn)而驗(yàn)證了邊坡支護(hù)工程在治理施工中的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

本文通過研究邊坡支護(hù)工程在礦山地質(zhì)災(zāi)害治理施工中的應(yīng)用，驗(yàn)證了支護(hù)措施對促進(jìn)邊坡穩(wěn)定性的作用，能夠有效減少地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，為礦山地質(zhì)工程的管理和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。但本文的研究還需要進(jìn)行完善。在對邊坡進(jìn)行分析時，主要從巖土的角度進(jìn)行研究，沒有考慮地下水等情況，因此與實(shí)際情況存在一定偏差，未來研究應(yīng)加入水文因素的影響，進(jìn)一步模擬出實(shí)際地質(zhì)環(huán)境；計算內(nèi)外功率時，僅簡化為微分單元，缺少精確度，后續(xù)應(yīng)對此進(jìn)行深入探討，減小計算誤差。