銅山采場危險邊坡治理研究*

初利群 毛思羽

（1.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

由于礦山地質(zhì)巖性的復雜性，露天礦開采過程中邊坡失穩(wěn)是最為常見的工程問題［1］，其關(guān)系到露天采場的正常開采生產(chǎn)及工作人員的生命安全。張振海［2］介紹了常用的邊坡治理方式及其選用依據(jù)，常用的治理措施是削坡減載以及錨桿錨索加固，有不少學者都對這2 種治理措施給出了肯定的評價。在加固治理方案中，呂擁軍等［3］在排土場邊坡的治理中采用了抗滑樁、錨索加固的綜合治理措施，使得排土場邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；張洪宇［4］等對研山鐵礦局部邊坡進行了預應力錨索加固并輔以掛網(wǎng)噴漿，通過對邊坡內(nèi)部應力變化情況的長期監(jiān)測，表明該支護方案較為成功；胡勝華［5］對采用錨索進行建筑邊坡支護治理的應用進行了介紹和推廣，并較詳細地介紹了錨索的施工工藝技術(shù)。在削坡治理方案中，安振華［6］通過數(shù)值模擬軟件對比了某礦山邊坡削坡減載治理前后邊坡的安全系數(shù)變化情況，得出削坡減載技術(shù)極大改善了邊坡穩(wěn)定性，有助于安全生產(chǎn)；劉星星等［7］則對比了爆破削坡方式和機械削坡方式，得出爆破削坡造成邊坡位移及孔隙水壓力的增幅和增長速度均大于機械削坡，爆破削坡后還需加強工程防護工作。

針對黑龍江黑河市銅山采場中的隱患邊坡進行治理，并采用削坡和加固2 種治理方案，通過軟件計算出治理前后邊坡穩(wěn)定性的變化情況，以比較2種治理方案的優(yōu)缺點。

1 工程概況

多寶山銅山礦區(qū)位于寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，夏季短暫，冬季寒冷漫長，冰凍期近8 個月之久。歷年最高氣溫為37℃，最低氣溫為-43.7℃，年平均氣溫1.1℃～1.8℃。春季干旱多風，最大風速15 m/s。秋涼早霜，無霜期105 d 左右。礦區(qū)年降雨量531～586 mm，最大日降雨量61.2 mm，6—8月份為雨季，年蒸發(fā)量869～990 mm。

根據(jù)多寶山銅山采場的設計要求，露采場邊坡單臺階高度15 m，臺階坡面角65°～70°，近地表坡度為45°；安全平臺寬度3～7 m；清掃平臺寬度為8 m，每隔2個安全平臺設置1個清掃平臺。

針對現(xiàn)場情況對該區(qū)段內(nèi)較大裂隙進行實測，附在現(xiàn)場現(xiàn)狀實測地形圖上（圖1），并設置2 條主要剖面進行穩(wěn)定性分析。

2 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算

2.1 邊坡主要剖面分析

根據(jù)邊坡勘察鉆孔的地質(zhì)資料，剖面1—1 和剖面2—2的地質(zhì)信息見圖2。從圖中可以看出，各剖面主要的巖體是第四紀堆積層（Q）、安山巖、凝灰?guī)r（T）、斷層、英云閃長巖（C2Tm）、閃長玢巖、和砂巖等；+495 m 平臺上部邊坡坡面現(xiàn)狀邊坡角明顯低于邊坡境界設計邊坡角，說明+495 m 平臺以上的坡面巖性很差，無法按照設計境界線施工；此外，現(xiàn)場檢測到裂隙的部位在剖面圖上用紅色區(qū)域表示（新測裂隙），斷層距離邊坡坡面較近，且裂隙都出現(xiàn)在構(gòu)造破碎帶處，說明斷層的存在是造成邊坡出現(xiàn)裂縫和下沉等不利因素的主要原因。根據(jù)以往的地質(zhì)勘察資料，邊坡主要控制巖體的巖石力學參數(shù)見表1。

2.2 許用安全系數(shù)的確定

依據(jù)最新《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016—2014）邊坡安全等級劃分及基本規(guī)定，該邊坡安全等級屬于Ⅰ級；礦山邊坡除了受到地下水的侵蝕和重力作用外，還受到了周邊爆破作用以及潛在地震荷載作用，因此該露天采場邊坡受到的荷載類型包括Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ組合荷載，其許用安全系數(shù)應滿足表2的要求。

注：荷載組合I為自重+地下水，荷載組合II為自重水+地下水+爆破動力；荷載組合III為自重+地下水+地震力。

2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

用Geo-Studio 軟件計算兩剖面在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ工況條件下的邊坡穩(wěn)定性，選用的分析方法是Morgensternprice。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），按地震烈度7度取綜合地震系數(shù)，綜合考慮對邊坡穩(wěn)定性的影響。綜合地震系數(shù)計算公式為

式中，KH為水平向地震系數(shù)，7度烈度地震區(qū)KH=0.1；CZ為綜合影響系數(shù)，一般取0.25；ai為考慮滑體重心高度的系數(shù)，一般取1.0。

在穩(wěn)定性計算中考慮地震動力對銅山采場露天邊坡穩(wěn)定性的影響，按照Ⅶ度設防，取震動影響系數(shù)KC=0.025。

各剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果統(tǒng)計見表3。可以得出現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)無法滿足規(guī)范要求，存在較大的安全隱患，易出現(xiàn)滑坡等安全事故，對礦山后續(xù)的開采產(chǎn)生較大影響。

3 治理方案設計

邊坡治理實質(zhì)就是提高抗滑力，減少下滑力，使邊坡滿足允許安全系數(shù)要求，通常采取的工程穩(wěn)固措施有如下3種：

（1）直接加固措施，如預應力錨索及錨桿、抗滑樁、抗滑擋墻、壓力注漿等。

（2）輔助穩(wěn)固措施，如削坡減載、地下水疏干工程、地表水截排工程等。

（3）邊坡防護措施，如噴錨網(wǎng)護坡、漿砌片石護坡、塊石壓坡等。

針對北側(cè)邊坡實際情況，其受到斷層影響的坡面主要在+480 m 平臺以上，存在局部的安全隱患，而且根據(jù)地質(zhì)勘察資料得知斷層的影響是坡面出現(xiàn)裂縫的主要原因，所以需要針對邊坡斷層進行治理，一般的邊坡防護措施很難取得較好的效果，適合的治理方法是削坡減載和直接加固措施，削坡的目的是削去斷層，減小下滑力，從根源處解決問題；而加固方案主要是采用錨桿-錨索-框架梁組合加固措施，可以增大抗滑力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

3.1 全削坡方案

削坡方案基于現(xiàn)狀邊坡裂縫分布情況，根據(jù)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，對已經(jīng)到界的+495～+480 m斜坡道以上的平臺進行削坡，目的是將潛在滑動面以上的不穩(wěn)定性邊坡體進行清除，以實現(xiàn)削坡后的邊坡安全穩(wěn)定。各剖面的削坡方結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4，其中臺階高度、主要道路寬度和安全平臺都與原設計相符合，臺階坡面角根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整到40°。具體的削坡方案見圖3，本方案主要以削坡為主，采場所在區(qū)域的雨季主要集中在6—8 月份，且采場本身地下水位偏高，參考雷丁丁［8］對降雨入滲導致邊滑坡的某邊坡的治理方案：削坡減載的同時加強地下水引排，治理效果更加明顯。本次設計也輔以排水孔等輔助措施降低地下水位。

3.1.1 削坡后各剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)以上削坡方案用軟件進行穩(wěn)定性計算，選用的分析方法是Morgenstern-price，計算結(jié)果統(tǒng)計見表5。可以看出，削坡后剖面的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.1.2 削坡前后現(xiàn)場對比

全削坡方案削去了主要斷層，并降低了地下水位，消除了邊坡的不利條件，有利于維持邊坡的穩(wěn)定，保證了后續(xù)開采的安全性。削坡前后的現(xiàn)場現(xiàn)狀見圖4，現(xiàn)場斜坡道的道路變寬了，有利于車輛的運輸以及下部邊坡靠幫，但削坡方案已經(jīng)超出了礦區(qū)目前的征地界線，故需要礦方增加征地面積。

3.2 加固方案

針對受到軟弱層和風化帶影響較大的隱患邊坡［9］，可以采用混凝土框格梁連接錨桿和長錨桿布置加固方案。主要針對出現(xiàn)安全問題的區(qū)域采取錨桿錨索框架梁綜合治理加固措施以保證邊坡的穩(wěn)定性。將剖面1—1 和剖面2—2 作為主要控制剖面進行下滑力計算，從而確定錨桿錨索的布置規(guī)模，通過理正軟件對剖面潛在滑坡體進行剩余下滑力計算，計算結(jié)果表明剖面1 和剖面2 每延米的剩余下滑力為1 047.451 kN和1 331.915 kN。

按照單根錨索錨固力為750 kN，錨桿軸向拉力為250 kN 進行設計，框架梁截面400 mm× 400 mm，用C30混凝土澆筑，縱橫梁間距與錨索（桿）間距和排距保持一致，縱橫梁節(jié)點即為錨索或錨桿的錨頭位置。框架梁布置間距垂直間距3 m，水平間距為4 m。各剖面具體錨桿錨索布置見圖5，根據(jù)斷層的位置以及滑弧的大小，錨桿錨索的長度為10～18 m，并輔以排水管以降低地下水位。

根據(jù)加固設計方案，用軟件進行穩(wěn)定性計算，選用的分析方法是Morgenstern-price，計算結(jié)果統(tǒng)計見表6。可以看出，加固后剖面的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.3 方案比較

針對銅山礦北側(cè)邊坡1068～1076勘探線間治理區(qū)域的削坡方案和加固方案，最終選擇何種施工方案還需礦方根據(jù)礦山實際情況進行抉擇。

（1）全削坡方案。全削坡方案特點是施工工藝簡單，施工難度及費用較低；削坡可以立馬進行，不影響采場的后續(xù)開采；施工方式較靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場具體情況適當增減削坡量。但會破壞采場現(xiàn)狀，對礦山后續(xù)的開采以及線路規(guī)劃會有一定的影響，如果削坡臺階均已靠幫，削坡前還需征地，將花費較長時間。

（2）加固方案。加固方案特點是后續(xù)開采的影響較小，不會破壞原有地形，但施工工藝復雜，需要配備專門的施工隊伍，此外，施工費用較大、施工周期較長。

4 結(jié)論

（1）由于斷層的存在，尤其是坡面靠近斷層的情況下，會降低邊坡的穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)坡面裂隙、導致地表部分下沉，還可能造成滑坡等安全事故，在礦山露天開采之前，探明礦區(qū)的地質(zhì)條件和研究礦區(qū)主要巖體物理化學性質(zhì)非常重要。

（2）銅山采場由于受到斷層的影響，出現(xiàn)了滑坡前的一些征兆，需要針對斷層采取一定的治理措施，本次研究主要采用了削坡減載和錨桿錨索框架梁加固2種治理方案，治理后邊坡的穩(wěn)定性都達到了規(guī)范要求，但2種方案各有其優(yōu)缺點，可以酌情采用。