金寶鐵礦南幫邊局部破壞機理與防護措施研究

黃 磊

（新疆金寶礦業有限責任公司）

深凹露天礦是目前冶金礦山露天開采的發展趨勢，其邊坡穩定與經濟效益的矛盾日益凸顯［1］。新疆金寶鐵礦為典型深凹露天礦，其南幫邊坡受斷層帶、褶皺、順層陡傾層面等一系列不利地質結構，造成邊坡臺階邊坡發生局部破壞，分析評價金寶鐵礦南幫邊坡總體穩定性，并對局部臺階破壞進行整治，對礦山安全生產至關重要。基于結構面攝影測量技術，對南幫斷層、節理裂隙結構等進行詳細測量，獲取南幫邊坡巖體結構特征。采用經驗法、數值計算法等對邊坡順層破壞、局部傾倒落石形成機理及穩定性進行詳細分析。研究表明，陡傾順層層狀結構邊坡局部傾倒崩塌、楔形破壞是造成局部臺階破壞的主要因素。在采取清理措施可消除大多數不穩定性塊體，對局部區域提出了相應的加固與落石防護等綜合治理措施。

1 自然地理概況及工程地質條件

1.1 自然地理概況

金寶鐵礦位于阿勒泰市南東75 km，海拔高程1 000～1 300 m。礦區北東和南西兩側地形切割強烈，溝谷多呈V型；礦區地形切割較淺，溝谷多呈U型，為構造剝蝕和構造侵蝕作用形成。年平均氣溫4.2 ℃，11 月至次年3 月為冰凍期，年均降水量212.56 mm。礦區場地抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度值為0.20g［2］。

1.2 南幫邊坡工程地質條件

礦區南幫主要工程地質巖組為變粒巖、片麻巖、黑云母角閃片巖、磁鐵礦、大理巖、斜長角閃巖和斷層等組成。根據礦區工程地質條件可分為Ⅳ-1、Ⅳ-2和Ⅳ-3工程地質分區（圖1）。

南幫Ⅳ-1剖面終了邊坡高度為281 m，邊坡角為47°，現狀邊坡高度為136 m，邊坡角為44～53°。邊坡巖體結構為層狀結構，邊坡破壞模式為受褶皺層面的控制的小型局部滑塌。Ⅳ-2 剖面終了邊坡高度為323 m，邊坡角為46°，現狀邊坡高度為120 m，邊坡角為42°。該區域邊坡上部區域呈強風化散體結構，下部呈塊狀結構，陡傾順層結構面是控制邊坡穩定的主要因素。

1.3 邊坡巖體結構

利用ShapMetrix 3D 近景攝影測量系統對新疆金寶露天南幫開展結構面調查，代表性的測點節理產狀見表1。邊坡呈層狀結構，邊坡結構面傾角大于臺階剖面角。

1.4 邊坡巖體力學參數

開展邊坡巖體物理力學性質試驗，根據巖體結構調查和邊坡巖體質量分級，采用Hoek-Brown 方法確定邊坡巖體力學參數，如表2所示。

2 露天邊坡變形破壞機理

2.1 Ⅳ-1區邊坡變形破壞機理

Ⅳ-1 剖面主要受陡傾層狀巖體控制，在邊坡爆破振動等損傷和擾動下，赤平極射投影分析表明邊坡主要表現為傾倒、崩塌破壞（圖2）。有元模擬模擬表明，邊坡中部大理巖褶皺軸部是拉應力集中的區域，加之其層狀結構面發育，是穩定性較差區域［4］。現狀邊坡塑性區主要分布于1 080 m 臺階上部，該區域是褶皺軸部，同時是風化帶部位，因此揭露后應根據情況酌情采取治理措施（圖3）。開采終了時塑性區在中下部出現較小（圖4）。

2.2 Ⅳ-2區邊坡變形破壞機理

Ⅳ-2 剖面主要受陡傾層狀巖體控制，在邊坡爆破振動等損傷和擾動下，赤平極射投影分析表明邊坡主要表現為楔形—平面破壞［4］（圖5）。數值分析表明，邊坡塑性區出現在F3 斷層、角閃片巖處，斷層和陡傾結構面對局部組合臺階邊坡不利，總體邊坡坡腳未出現明顯塑性區貫通破壞（圖6、圖7）。

3 露天邊坡穩定性分析

依據文獻［5］選定邊坡工程設計安全系數：天然工況FOS=1.20；爆破工況FOS=1.18；地震工況FOS=1.15。分別采用極限平衡法中Bishop 法、Spencer 法和M-P 法等對Ⅳ-1 剖面、Ⅳ-2 剖面總體穩定性進行穩定性分析，計算結果見表3。

由表3可知，Ⅳ-1剖面邊坡整體穩定性系數均滿足文獻［5］要求，邊坡處于穩定狀態。邊坡1 080 m臺階上部局部受斜長角閃巖、F3 斷層和褶皺層面的控制，是褶皺軸部，同時是風化帶部位，局部滑塌，在采取壓腳措施后，該區域邊坡已經處于基本穩定狀態。為保護1 080 m水平運輸道路，可適當開展落石防護。

由表3可知，Ⅳ-2剖面邊坡整體穩定性系數均滿足文獻［5］要求，邊坡處于穩定狀態。該區域受結構面、F3 斷層和陡傾結構面的影響較大。區內結構面組合形成楔形、平面型破壞較多，目前局部組合臺階邊坡處于基本穩定狀態，安全儲備不足，建議在后期繼續針對局部斷層出露位置開展局部邊坡治理。

4 南幫露天邊坡防護措施

針對南幫邊坡局部落石和順層—楔形塊體滑塌破壞，提出采用被動防護網和局部錨桿支護措施進行防護。采用RocFall 軟件對Ⅳ-1 區落石運動特征參數進行計算，計算輸入相關參數［6］：清掃平臺正向恢復系數0.32，切向恢復系數0.82，摩擦角20°；坡面正向恢復系數0.40，切向恢復系數0.90，摩擦角28°；滾石的初始水平速度為0.4 m/s，初始垂直速度0.2 cm/s，落石塊度按50～1 000 kg進行敏感性分析。

1 080 m 運輸道路是落石防護的對象，圖8 計算結果表明在1 080 m水平采用布置防護網可以攔截大部分落石。根據落石彈跳高度和能量計算結果（圖9、圖10），在1 080 m平臺設置防護網高度3.5 m，按照防護450 kg落石能量，防護能級為200 kJ。

此外，采場邊幫并段臺階之間設有5 m 寬度的安全平臺和8 m、15 m 寬的清掃平臺，平臺堆積落石較少，僅局部區域殘留較多落石。建議礦山定期清理邊坡浮石，消除邊幫落石帶來的安全隱患。在平臺邊緣修筑攔石擋墻，保留部分碎石等作為卸能作用。

采場南幫臺階局部出現局部塊體與斷層面順層組合的楔形體破壞，巖石較為破碎，受爆破震動影響，易垮落。對于不穩定塊體采取全長粘結式錨桿局部加固，并掛網噴漿防止降雨和融雪水入滲，可保證局部塊體的穩定性［3］。

5 結語

（1）新疆金寶鐵礦南幫邊坡工程地質調查及結構面攝影測量表明，斷層帶、褶皺、順層陡傾層面等一系列不利地質結構是造成臺階邊坡發生局部破壞的主要原因。

（2）采用經驗法、數值計算法研究表明陡傾順層層狀結構邊坡局部傾倒崩塌、楔形破壞是造成臺階局部破壞的主要模式，但總體邊坡處于穩定狀態，建議對局部采取防護措施。

（3）在采取清理措施可消除大多數不穩定性塊體，對局部區域采用被動防護網可保障運輸道路安全。臺階局部順層塊體破壞采用清理或全長粘結式錨桿掛網支護，取得了良好的效果。