高寒地区露天边坡稳定性分析及边坡治理技术研究

　　高寒地区露天边坡稳定性分析及边坡治理技术研究

　　O 前 言

　　 近年来，随着采矿技术和采矿装备水平的不断提高，高寒地区越来越多的露天矿山投入生产，边坡高度也不断增加，受冻融循环及开采扰动影响，随之而来的边坡垮塌、滑动等问题也逐步显现。为有效解决高寒露天边坡面临的稳定性问题，国内外众多学者开展了一系列岩石冻融破坏机理方面的研究，并在部分矿山得到应用。已有研究成果表明，岩石在饱水状态下因冻融循环会产生冻融破坏，由于岩石内部存在大量的微裂隙，在饱水状态时，裂隙中水冻结成冰，冰对岩石裂隙两壁产生巨大的压力，而当气温回升时，裂隙中冰融化，加于两壁的压力骤减，两壁向中央回推。在反覆的冻结和融化过程中，岩石的裂隙就会扩大、增多，以致石块被分割出来，强度逐渐降低，一般情况下岩石冻融深度为2～3 m，对露天边坡而言，冻融作用主要引起边坡表面岩体崩塌，对整体边坡稳定性影响较小。

　　图木尔廷—敖包锌矿经过十余年开采，最大边坡高度已达150 m，开采过程中在不良地质条件、极端气候环境及开采作业影响下，与一般高寒地区边坡表面崩塌破坏不同，边坡多个区域出现破坏、滑动。因此，针对该矿出现的边坡稳定性问题，既要开展冻融作用对边坡的影响规律研究，又要对整体边坡稳定性进行计算分析，以确定科学的边坡治理方案，保障矿山安全生产。

　　1 矿山边坡概况

　　 蒙古国图木尔廷—敖包锌矿位于蒙古国东南部苏赫巴托省，矿区地形相对比较平缓，地表为丘陵地形，起伏较小，采场地表标高为1070～1100 m，相对高差约30m。矿区年平均气温约为-1.5℃～2.5℃，昼夜温差大，最大可达26℃，冬季寒冷，一般为-30℃，历史最低气温达到-39℃。地表层冻结深度为2.5～3 m，没有永久冻土层。矿山生产能力42万t/a，设计封闭圈标高1070 m，坑底标高902

　　m，最大边坡高度为208m，整体边坡角38o～44o。矿体整体南倾，倾向为40o～50o，各区域边坡工程地质条件如下。

　　 (1)北边坡：为矿体下盘边坡，其构成岩体主要为不同矿化程度的矽卡岩，边坡面出露多条纵向小断层，岩体节理、裂隙较为发育，大部分为Ⅳ、V级结构面，结构面粗糙，闭合无充填或夹少量碎屑，整体呈块状结构，结构面组数多（均多于3组），但其延展性甚差。

　　 (2)南边坡：为矿体上盘边坡，组成岩体主要为中风化花岗岩，已形成边坡所揭露岩体状况表明，上部2个台阶岩体强风化，1000 m以上岩体均中等风化，节理裂隙十分发育，岩体一般被切割成碎块状，局部存在泥质充填，呈现泥夹块状。

　　 (3)西边坡：Fi断层穿过边坡，断层宽度达20～30 m，断层下盘岩体主要为角岩和大理岩，岩体为块状结构，稳定性相对较好，边坡面预裂孔较明显。断层上盘岩体主要为花岗岩，岩体中等风化，较破碎。

　　(4)东边坡：Fi断层穿过边坡，断层宽度达20～30 m，断层下盘岩体主要为角岩和花岗岩，相对西边坡上盘花岗岩更为破碎，整体为块状碎裂岩体，台阶边坡垮塌较为严重。

　　2 高寒地区冻融作用对边坡影响研究

　　为合理分析冻融作用对敖包锌矿露天边坡稳定性的影响，根据矿山工程地质条件及气候特征，建立了矿山边坡二维有限元计算模型，分析研究了气温达到-10℃、-20℃、-30℃三种条件下，边坡岩体温度分布特征，确定冻融作用对露天边坡的影响深度及应力、冻胀变形规律。

　　2.1 边坡岩体冻融深度分析

　　 随着外部环境温度的降低，边坡表面岩石温度逐步降低，但内部岩体温度变化较小。随着时间增加，边坡冻结深度逐渐加深，呈现由外至内温度递增。

　　 随着温度降低，边坡岩体冻融深度逐步加深。在20～30 d地表温度为-10℃时，冻融层为2.1 m；环境温度为-20℃时，冻融层为2.5 m；当环境温度为-30℃时，冻融层为2.8 m。

　　2.2边坡岩体应力和位移变化规律

　　 受长期冻融作用影响，高寒地区露天矿山边坡表层岩体产生冻胀变形，在冻胀作用下，岩体相互挤压，区域应力聚集，将直接影响局部边坡稳定性状况。为准确分析冻融作用对边坡稳定性的影响程度，建立有限元数值模型，在环境温度分别为-10℃、-20℃、-30℃条件下，对露天边坡应力及位移场分布状况进行了分析研究。

　　 冻胀作用下边坡最大主应力集中在边坡表层岩石，表现为表层拉应力，由冻胀变形作用产生。当环境温度-10℃时，冻胀作用产生的岩体拉应力为0.33 MPa，引起最大位移达到5 mm，方向近似垂直于坡面；当环境温度- 20℃时，冻胀作用产生的岩体拉应力为0.56 MPa，引起最大位移达到7 mm，方向近似垂直于坡面；当环境温度-30℃时，冻胀作用产生的岩体拉应力为0.95 MPa，引起最大位移达到8 mm，方向近似垂直于坡面。

　　3边坡稳定性研究

　　 通过对敖包锌矿边坡工程地质、水文地质条件深入分析，进行了露天边坡工程地质分区，研究了各分区边坡破坏模式，建立了各区域边坡数值分析模型，采用极限平衡法和有限元强度折减法计算分析了边坡安全系数，以掌握各区域边坡稳定性状况。

　　3.1 边坡工程地质条件分区

　　 根据图木尔廷—敖包锌矿开采现状、岩层产出状况、地质构造分布、围岩蚀变程度以及边坡出露情况等，将露天采场赋存的岩石划分为5个岩组进行分析，分别为花岗岩岩组、钠长角岩岩组、大理岩岩组、矽卡岩岩组和磁铁矿化矽卡岩岩组。并根据各岩组与边坡的组合特征，将露天边坡划分为4个主要工程地质分区，即I区北边坡、Ⅱ区南边坡、Ⅲ区西边坡、Ⅳ区东边坡，每个分区内划分为若干亚区。

　　3.2边坡稳定性计算与分析

　　针对敖包锌矿存在的边坡问题，为科学分析边坡稳定性状况，采用M.Georgi法、费辛柯法、RMR岩体分类及HOEK-BROWN破坏准则4种方法，并结合滑坡反算确定了边坡计算岩体力学参数，综合应用极限平衡法和有限元强度折减法开展了边坡稳定性计算与分析，分区、分片对整个矿区边坡稳定性进行研究，得出了各区域边坡稳定性状况。

　　分析敖包锌矿各工程地质分区边坡稳定性计算结果可得出：

　　 (1)北边坡局部边坡形状不合理，S形边坡突出区域稳定性较差，易出现垮塌失稳；

　　 (2)东西边坡出露的F1破碎带对整体边坡稳定性有较大影响，破碎带上盘边坡稳定性较差，存在滑坡风险；

　　 (3)南边坡为中—强风化花岗岩，岩体强度较低，设计边坡安全系数低于规范要求，可能出现边坡整体滑动破坏。

　　4边坡治理技术研究

　　 冻融作用对边坡影响及边坡稳定性研究结果表明，敖包锌矿目前边坡存在如下问题：开采过程中，在冻融作用下上部台阶易产生大量滚石；局部边坡参数不合理；F1破碎带引起上盘边坡滑坡破坏。

　　为制定科学的边坡治理方案，通过对不同边坡角安全系数、局部台阶破坏概率、边坡滚石灾害计算分析，确保安全的前提下，提出了以修整边坡十局部台阶加固的综合治理措施解决敖包锌矿面临的边坡问题，并结合矿山生产分步实施。

　　4.1边坡结构参数优化

　　 针对敖包锌矿局部边坡整体安全系数低于规范要求，依据稳定性计算与分析结果进行边坡结构参数优化，采用极限平衡法与有限元强度折减法进行优化边坡稳定性核算，并推荐了各工程地质分区合理的边坡结构参数。

　　4.2局部边坡加固

　　 受多条软弱结构面切割影响，南部边坡出入沟处沿顺层结构面产生多台阶滑动，台阶面多处开裂，严重威胁矿山安全生产。为消除局部台阶失稳产生的安全生产隐患，开展了敖包锌矿局部边坡加固方案研究，根据现场情况调查及台阶稳定性计算分析，在多种加固方案综合对比的基础上，最终选取预应力锚索对该段边坡进行加固，锚索长度25～35 m，锚固力650 kN。

　　4.3破碎带综合处理方案

　　 矿山西边坡主运输公路穿过F1破碎带，在雨水浸蚀及冻融作用下，破碎带充填物下滑，引起路面下沉开裂，影响矿山运输安全。根据场地的工程地质条件及周边环境情况，确定对破碎带采用挂网喷浆进行封闭，以防止雨雪下渗引起边坡失稳。封闭区域为主运输道路至1010 m破碎带，挂网采用φ6.5钢筋网，用3m锚杆进行固定，喷射150 mmC20混凝土。

　　根据边坡综合治理方案，敖包锌矿优化了边坡结构参数，并对破碎带进行了挂网喷砼，局部边坡锚索加固，通过实施一系列措施，从根本上解决了敖包锌矿存在的边坡垮塌问题，消除了安全生产隐患，为矿山高效开采提供了安全可靠的保障。

　　5结 论

　　 随着图木尔廷—敖包锌矿露天开采向下延伸，边坡高度逐渐增大，在高寒地区极端气候条件与不良地质条件作用下，2010年起各区域边坡出现不同程度破坏，对矿山安全开采造成了严重影响。为从根本上解决矿山面临的边坡问题，在对边坡稳定性及冻融边坡破坏机理的研究基础上，制定了科学的边坡治理方案，完成了敖包锌矿边坡治理工程，主要研究成果如下：

　　 (1)深入研究了敖包锌矿冻融作用对边坡稳定性的影响规律，通过数值模拟分析确定了冻融边界线位置，计算结果表明：随着温度降低，边坡岩体冻融深度逐步加深，当环境温度为-10℃～- 30℃时，岩体冻融深度为2.1～2.8 m；研究了不同环境温度下边坡岩体的应力及冻胀变化规律，当环境温度-10℃～- 30℃时，冻胀作用产生的岩体拉应力为0.33～0.95 MPa，引起最大位移为5～8mm;

　　 (2)开展了边坡岩体工程地质条件及破坏方式研究，通过边坡稳定性数值模拟计算分析，确定了现有边坡稳定性状况。并根据不同边坡角安全系数变化规律、局部台阶破坏概率、边坡滚石灾害计算分析，提出了以修整边坡十局部边坡加固的综合治理措施，并结合矿山生产分步实施了边坡治理方案，解决了敖包锌矿面临的边坡问题，从根本上消除了矿山边坡垮塌、滑动的安全生产隐患，实现了改善矿山作业条件、保障矿山生产安全的目的。同时为矿山高效开采提供了安全可靠的保障，为同类矿山边坡治理提供了可借鉴的依据。

　　                           摘自《矿业研究与开发》 2019年 第11期