含軟弱夾層露采邊坡穩定性分析與治理方案研究*

賀云，李愛兵，虎萬杰

(1.華剛礦業股份有限公司， 北京 100039；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

露采邊坡穩定性影響因素較多，其中軟弱夾層由于其力學性質差，破壞了巖體的整體性，是露天礦邊坡失穩的主要形式之一。國內外學者在含軟弱夾層邊坡穩定性評價及滑移機理方面開展了大量的工作，并取得了豐碩的成果。金愛兵等[1]針對平朔東露天礦南幫現狀先后提出分階段大規模削坡，采用極限平衡法和離散單元法分析不同反壓高度下邊坡穩定性。馬婧佳等[2]分析了扎哈淖爾露天礦含軟弱夾層邊坡的穩定性，在確定露天煤礦潛在滑坡模式基礎上，基于邊坡穩定性計算結果確定了邊坡最優形態。趙虎等[3]認為對于含有軟弱夾層邊坡，極限平衡和強度折減法之間的差異很大。趙汝輝等[4]通過FLAC3D 建立含有軟弱夾層的數值計算模型，分析軟弱夾層厚度、賦存深度和巖性等對邊坡水平位移和安全系數的影響。郭誠謙[5]對水利水電工程設計和施工中經常遇到的具有軟弱夾層的巖體邊坡穩定性問題，從巖體邊坡整體滑動型式出發，并根據我國抗剪強度參數的取值原則與設計經驗，建議了設計應該遵循的安全系數。田宇等[6]針對露天礦多弱層順傾到界邊坡形態設計問題，對地質構造、巖層巖性、軟弱夾層賦存情況等工程地質特征進行分析，并基于剛體極限平衡理論與數值模擬的手段，研究了含多弱層-斷層構造復合順傾邊坡的變形破壞特征、滑坡模式以及不同弱層對邊坡穩定性的影響程度等。余浩[7]為研究影響含軟弱夾層巖質邊坡的穩定性因素，對常見的水平、順傾、反傾軟弱夾層邊坡穩定性采用有限元方法進行了分析。李華舟等[8]以四川峨勝石灰石礦區含緩傾斜軟弱夾層臺階邊坡為研究對象，建立了符合礦區臺階邊坡破壞特點的水力學分析模型，探討了水力作用對邊坡穩定性的影響規律。本文結合剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫邊坡存在的軟弱夾層對整體邊坡穩定性的問題，在工程地質補勘、巖石力學參數試驗的基礎上，經現場工程地質調查與巖體質量評價、邊坡穩定性的極限平衡分析，對西幫受軟弱夾層影響的邊坡穩定性進行了研究，提出了相應的邊坡治理方案。

1 工程概況

剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫主要為RAT 巖組，主要礦物成分為白云石、長石及黏土礦物。隨各種主要礦物成分的差異，發育為白云巖、砂巖、泥巖，隨次要礦物的不同，表現為硅化白云巖、白云質砂巖、白云質泥巖等，局部表現為礫質結構的礫巖。

在二期工程建設過程中，因邊坡穩定性評價需要，在D 坑西幫布置了2 條工程地質剖面（DW-1、DW-2 剖面），每個剖面上施工2 個鉆孔，在DW-2剖面的2 個鉆孔中均發現存在軟弱夾層，該軟弱夾層對邊坡穩定性的影響是工程技術人員關心的問題。由于該2 個剖面間距達500 m，發現軟弱夾層的2 個鉆孔間距約450 m，為了研究軟弱夾層是否貫通相連，在初期的邊坡穩定性分析時，將此軟弱夾層分為貫通或不貫通的2 種情況進行分析。結果表明：無論DW-2 剖面邊坡軟弱夾層貫通與否，其最終邊坡穩定系數均不滿足安全儲備系數1.3 的要求。因此，建議補充地質勘察，以確定軟弱夾層的貫通性。

圍繞軟弱夾層是否貫通進行了2 次工程地質補勘，一次在DW-2 剖面線南北兩側100 m 布置2 條剖面線（DW-3、DW-4 剖面）。根據補勘鉆孔中存在的軟弱夾層情況，布置了3 個剖面（DW-5、DW-6、DW-7），即：在DW-2 與DW-4 剖線中間布置DW-5剖面；在DW-2 與DW-3 剖線中間布置DW-6 剖面；在DW-3 北側布置DW-7 剖面。本區內前后進行了19 個孔的補勘，共有工程地質地質剖面7 個，基本查明了本區邊坡內的軟弱夾層的工程地質特征。根據補勘資料與數據，需要進行全面的邊坡穩定性論證，以便確定合理的邊坡處治措施，確保露天境界靠幫及工作邊坡的安全。

2 水文地質及工程地質特征

2.1 水文地質特征

評價區域邊坡含水層主要為RAT 巖組裂隙含水層。據現場壓水試驗測定，RAT-3 巖組裂隙發育較弱，透水性較弱，滲透系數大致為1×10?3cm/s，富水性較弱；RAT-2 巖組和RAT-1 分別為碎裂巖組和散體巖組，裂隙發育，巖體破碎，滲透系數大致在1×10?2～2×10?2cm/s，富水性強。

D 坑西幫邊坡體主要巖組（RATⅪ-3）富水性較弱，構造破碎帶（RAT-2）富水性中等-強，地下水補給條件好，坡頂松散巖層內存在殘余水頭，坑內南、北兩側坡體的出水方式主要為邊幫少量的滲水，西幫內的水位下降明顯。因此，D 坑西幫的水文地質條件復雜程度為中等。

2.2 工程地質特征

根據西幫的巖體結構及本礦區巖組的劃分原則，D 坑西幫主體RATⅪ-3 巖組的強度較高，存在RATⅪ-1、RATⅪ-2 軟弱破碎巖組，且巖層軟弱相間，不良地質作用（溶洞）發育程度一般，工程地質復雜程度為中等。

3 巖石力學參數試驗與巖體力學參數確定

在室內采用補勘鉆孔所取巖心，進行了各巖組的干密度、自然吸水率、飽和吸水率等指標的物理試驗，巖石的單軸與三軸壓縮試驗、直剪試驗以及散體巖組的原位測試。

根據D 坑西幫的工程地質補勘成果及現場調查，采用RQD、RMR、CSMR、GSI 分級等巖體質量評價方法，由費辛柯法、GSI 方法、巖體分類法、工程巖體分級標準等折算巖體力學參數的確定方法，綜合選取D 坑西幫的巖體力學參數，見表1。

表1 綜合選取的巖體力學參數

4 極限平衡分析

4.1 邊坡破壞模式分析

根據D 坑西幫的巖體結構面調查結果，D 坑西邊坡的主要破壞模式為平面破壞或者圓弧破壞，按此破壞模式對邊坡穩定性與治理進行計算分析；同時考慮D 坑西幫邊坡內部存在的層狀軟弱破碎帶，在一定應力及開采環境下，可能沿破碎帶發生折線型的非圓弧型破壞。

4.2 許用安全系數

根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB51016—2014）的規定[9]：該采場最終邊坡最高480 m，由于分段邊坡角不同，實際需要重點考慮D 坑西幫1125 m 以上290 m 的邊坡穩定性，按重點邊坡安全等級為I 級考慮，并根據該邊坡上存在軟弱夾層等情況，確定3 種工況下的許用安全系數分別為：

（1）工況1：自重+地下水：K=1.25～1.20；

（2）工況2：自重+地下水+爆破振動力：K=1.23～1.18；

（3）工況3：自重+地下水+地震力：K=1.20～1.15。

4.3 分析剖面

利用已有的DW-1～DW-7 工程地質剖面，結合目前的礦山開采現狀及設計的開采境界，采用3DMine 建立三維實體工程地質模型，重切邊坡穩定性7 個分析剖面。

4.4 有關計算參數

（1）地震：礦區所屬地區抗震設防烈度為6°，設計基本地震加速度為0.05g。

（2）爆破振動：通過對該采場邊坡現場實測，對邊坡穩定性分析計算過程中的爆破振動影響系數Kc取值為0.037。

（3）地下水：根據補勘的地下水位及西幫坡體上的疏干孔水位，該露天采場地下水位標高約在1360 m 左右，采用有限元方法計算地下水滲流對邊坡的穩定性影響。

4.5 極限平衡方法的計算結果

考慮了兩種不同類型的潛滑面，圓弧型的潛滑面以簡化 Bishop 法為準，折線型潛滑面以Morgenstern-Price 法（M-P 法）為準。最終設計邊坡工況1 下的邊坡穩定性計算結果見表2，DW-3剖面最終邊坡工況1 下簡化Bishop 法、M-P 法的計算結果如圖1、圖2 所示。

表2 最終設計邊坡工況1 下的邊坡穩定性計算結果

由圖1、圖2 可知：

圖1 DW-3 剖面最終邊坡工況1 下簡化Bishop 法計算結果

圖2 DW-3 剖面最終邊坡工況1 下M-P 法計算結果

（1）D 坑西幫邊坡在3 種工況條件下安全系數均大于許用安全系數，現狀邊坡是穩定的。在3種計算工況條件下，除DW-3 號剖面的安全系數低于所允許的安全系數，DW-7 號剖面的安全系數比DW-3 剖面稍高，其他剖面的安全系數都大于各工況下的許用安全系數，邊坡是穩定的。DW-3、DW-7剖面安全系數較低，是需要進行邊坡穩定性治理的位置。

（2）爆破使現狀邊坡的安全系數下降5.8%～7.8%，地震使現狀邊坡的安全系數下降1.3%～3.6%，爆破振動使設計境界最終邊坡的安全系數下降4.93%～11.04%，地震力使最終邊坡的安全系數下降1%～3.7%，其中對DW-7 剖面的影響最大。

（3）各工況情況下的潛滑面位置DW-3、DW-7剖面的潛滑面基本一致。最終邊坡的潛滑面不利工況條件下，滑出位置在1127 m，1185 m 外，其他剖面的潛滑面滑出位置大都在目前西幫的斜坡道以上。

（4）采用M-P 法計算的邊坡安全系數略小于簡化Bishop 法計算的安全系數，說明邊坡體內的軟弱夾層對邊坡穩定性有一定影響，且潛在滑動面的形狀與軟弱夾層的賦存形態有關，邊坡綜合治理需要密切注意軟弱夾層的存在。

5 邊坡綜合治理措施

對不穩定邊坡的支護加固措施，根據不同的工程地質、水文地質條件、巖性、滑坡模式和規模與邊坡服務年限等因素研究了多種方法，在國內外許多礦山、鐵路、水電等邊坡工程中得到了很好的應用。邊坡治理總的原則是充分利用邊坡巖體的物理力學性質，通過外力的施加和采礦布置的調整，改善坡體內應力分布，達到穩坡的目的。露天礦滑坡治理的目的就是在開采期限內安全、經濟地采出設計境界內的礦石，治理設計不僅在技術上要可行，在經濟上也要合理。

邊坡滑體加固措施按加固方法可分為3 類，即人工加固法、增大巖體強度法、減小下滑力增大抗滑力法。常見的方法有削坡減載法、減重壓腳法等，其最終目的是為減少邊坡滑體自身重量，從而減少下滑力，降低滑體滑塌的風險；增大巖體強度法主要包括疏干排水法、注漿法、焙燒法等，其目的是為增加邊坡滑體自身的黏聚力、內摩擦角等；在人工加固法中，常見的方法有（預應力）錨索（桿）加固法、抗滑樁法、擋墻法，其目的均是增大邊坡滑體的抗滑能力。

剛果（金）總體科研水平及工業基礎相對薄弱，雖然擁有豐富的銅鈷礦等金屬資源，但在礦業工程、巖土工程領域缺乏與之匹配的設計、施工能力。因此，在考慮該銅鈷礦邊坡穩定性治理時，若采用注漿法、抗滑樁加固法、錨索（桿）加固法等需要一定的設計施工能力及相應工程材料，在剛果（金）內工程材料是缺乏的，且若實施勢必增加企業的預算成本。因此，礦山企業不偏向采取此類具有一定工藝水平的加固方法開展邊坡治理工作。相對其他方法來說，削坡減載和回填壓腳施工工藝較為簡單，輔助的施工設備如挖掘機、運輸卡車等設備較為齊全，設備維修保養也較為方便。因此從總體上講，削坡和壓腳的方法對于本項目是一種技術經濟可行、符合當地情況的邊坡治理方法。

通過對需要治理的DW-3、DW-7 剖面的削坡減載方案（方案1）與基于壓腳原理的西幫局部邊坡的優化方案（方案2）的技術經濟對比論證，采用方案2 可避免盡量少壓覆RAT-3 內的礦石。

治理優化方案2 的主要內容有：

（1）DW-3 剖面：維持1215～1185 m 的臺階原境界設計不變；1110～1185 m 臺階高7.5 m（原設計臺階高度15 m）、臺階坡面角為70°；1080～1110 m 臺階高15 m、臺階坡面角60°。

（2）DW-7 剖面：維持1215～1185 m 的臺階原境界設計不變；1125～1185 m 臺階高7.5 m、臺階坡面角為70°。圖3、圖4 分別為DW-3、DW-7剖面邊坡調整優化的方案。

圖3 DW-3 剖面邊坡優化方案

圖4 DW-7 剖面邊坡優化方案

6 結語

（1）綜合剛果（金）某銅鈷礦D 坑西幫邊坡存在的軟弱夾層對整體邊坡穩定性研究表明：軟弱夾層不僅會降低整體邊坡的穩定性，還會影響到潛在滑動面的形態。

（2）根據該礦的賦存條件，結合剛果（金）的邊坡治理施工條件，盡量少壓礦，提出了基于壓腳原理的西幫局部邊坡的治理方案，對該邊坡進行了綜合治理。