赵乐涛 杨兆林

(太钢集团岚县矿业有限公司，山西 吕梁 033504)

0 引言

太钢袁家村铁矿位于山西省岚县梁家庄乡，岚县城西南，年产原矿2 200万t/a，铁精矿741.84万t/a，矿山露天开采服务年限40年，稳产34年。采场东边坡位于采场东部，自然边坡最高标高1 695 m，终了边坡垂直高度为540 m，主要为11号矿体赋存部位。地表有第四系地层和灰岩岩组，深部有片岩、变辉绿岩、石英岩、矿体等岩组互层，与边坡倾向相反，局部呈块状。层面较陡，局部近80°。因层面反倾，边坡不易发生台阶的平面滑动，然后局部可能发生倾倒破坏模式；边坡岩体主要为薄层逆坡结构和块状结构类型边坡见图1。

图1 东边坡整体立面

采场东边坡1 635 m水平以上已经靠帮。但在生产运行过程中发现，1 665～1 635 m坡面局部出现了不规则溶洞，溶洞被泥沙充填，受雨水侵蚀表层泥沙已经开始脱落，形成凹洞见图2，充填物称为不良地质体。

图2 东边坡典型溶洞

1 矿区水文地质及东边坡工程地质条件

本区属温带大陆性气候，雨量小、干旱，春季多风砂。据 1960～1978 年统计，年平均气温为 6.9 ℃，一般一月最冷，最低月平均气温为零下 11.2 ℃，极端最低气温为零下 30.5 ℃；七月最热，最高月平均气温 22.8 ℃，极端最高气温为 36.4 ℃。地下水含水层主要有第四系全新统冲洪积孔隙潜水含水层，第四系全新统残坡积孔隙潜水含水层和前震旦系变质岩风化带裂隙潜水含水层。区内地下水主要接受大气降雨的补给，迳流区与排泄区不明显。位于侵蚀基准确面以上的地下水多补给地表水，其补给途径常表现为残坡积层中孔隙潜水补给基岩裂隙水，而基岩裂隙水又以潜流和泉的形式补给河谷孔隙潜水，而二者又同为地表水补给来源之一[1]。

根据勘察报告现场踏勘，不良地质体溶洞被土体充填满，充填土体中含磨圆度较好的卵石，卵石粒径一般为 10～30 mm，溶洞周围岩体为石灰岩。岩层产状为48°∠13°，节理裂隙较发育。

洞体充填物，即卵石土计算的参数取值考虑如下：

1)含水状态。充填体处于非饱和状态，但是考虑雨季含水量增加的状况，所以岩土物理参数取值时考虑的是雨季含水状态(相当于饱和度 70%～80%)。

2)密度。密度参照各种资料结合经验综合确定。

3)抗剪强度。由于充填物为土含卵砾石，含卵砾石量相对较大，考虑室内试验的尺寸条件，无法靠室内试验模拟，又缺少野外原位抗剪强度试验数据，所以抗剪强度也参照种资料结合经验综合确定。

4)参数表。稳定性计算所用参数见表1。

表1 稳定性计算参数表

2 东边坡不良地质体的综合勘查方法

2.1 物探

采用高密度电阻率法，在1 665 m平台和1 635 m平台上分别布置测线，查明该不良地质体的形状规模及影响范围。此次工程共布置7条测线。解译成果见图3。

图3 高密度电阻率法解译图

2.2 槽探

在1 635 m水平上沿垂直于不良地质体的走向布置探槽，以准确查明该不良地质体的走向及延伸趋势。此次工程共布置8条探槽，见图4。

2.3 钻探

采用钻探方法进行有针对性的验证，判别溶洞产状、地质情况。在1 665 m水平上沿不良地质体走向和预计采取工程施工处布置勘探孔，勘探孔的深度以进入稳定地层为终孔深度。此次工程共布置3个钻孔，见图4，钻孔间距45～60 m，钻孔距台阶边缘距离约5.0 m，钻孔深度35 m左右。揭露地层为完整程度不同的石灰岩。

图4 槽探、充填物及钻孔岩心

2.4 不良地质体的成因、规模及发展趋势

通过工程地质测绘、高密度电阻率法、槽探、钻探等方法对东边坡不良地质体进行了工程地质勘察，并使用3DMine软件将东边坡做成三维模型，研究其赋存形态，见图5。

图5 东边坡的三维模型

1 635～1 665 m边坡走向约35°，高度约30 m。溶洞在1 635～1 665 m坡面出露宽度约87.0 m，最高点高度约为16.8 m。该不良地质体是由奥陶系的溶洞构成，由黄土、卵石、砂砾岩及灰岩组成，推测其卵石和砂砾石是随着河系暗流经长途冲刷搬运至此，因此大部分小卵石的磨圆度较好，溶洞洞顶岩层弯曲塌落迹象明显，洞顶岩层呈倒拱形且破碎。1 665～1 635 m坡面局部出现的不规则溶洞共有两部分，在1 635 m水平以上，较大溶洞最长约63.6 m，最高约16.1 m，厚度最深为12.1 m；较小溶洞最长约23.4 m，最高约8.7 m，厚度最深为2.3 m。在1 635 m水平以下，两部分溶洞的长度随着平台的推移均呈缩短趋势，溶洞的容积均减小，且较大溶洞被灰岩分割成若干小段。溶洞在边坡出露区域北部，宽度变窄，走向转为近南北向或北北东向，延伸出边坡；溶洞在边坡出露区域南部，宽度变窄，进入坡体。

3 东边坡的稳定性

1)在整体稳定的情况下，雨水从坡顶通过裂隙可进入溶洞内，劣化溶洞内充填物，长期下来，对边坡整体稳定性存在安全隐患；

2)边坡溶洞存在欠稳定问题，边坡开采后溶洞内充填物出露且表面未进行处理，日晒、雨水冲刷等容易形成冲沟、造成剥落，形成空腔后直接威胁边坡的局部稳定性；

综上所述，东边坡整体基本稳定，局部欠稳定。

4 安全治理工程

4.1 边坡治理方案的确定

参考现行有关规范并结合矿山实际情况，取安全系数为1.20，考虑爆破震动时取1.15。

采用锚喷支护结构，坡面布设泄水孔，坡脚布设排水沟的综合治理方案。治理边坡高度范围内无地下水。

4.2 边坡稳定性极限平衡分析方法

边坡稳定性定量计算的核心问题是边坡安全系数的计算，极限平衡法是岩土工程领域应用最早、经验积累最多的一种方法。因其计算简便，并能定量地给出边坡安全系数大小，成为目前矿山工程常用的分析方法。本次使用极限平衡法的毕肖普法。

在土坡稳定安全系数的计算中, 由于滑动圆弧的圆心和半径都是任意假定的, 计算出的安全系数不一定是最小的安全系数, 所以需要多次试算, 假定多个滑裂面才能找到计算土坡的最小安全系数。本次计算使用slide的软件进行迭代计算。

(1)

(2)

4.3 锚杆设计[2]

根据非煤露天矿边坡工程技术规范(GB 51016-2014)8.4条：

1)锚杆的轴向拉力标准值和设计值可按下式计算：

(3)

Na=1.3Nak

(4)

式中：Nak—锚杆轴向拉力标准值，kN；Htk—锚杆水平拉力标准值，kN；α—锚杆倾角，(°)；Na—锚杆轴向拉力设计值，kN。

2)锚杆钢筋截面面积按下式计算：

(5)

式中：As—预应力钢绞线截面面积，mm2；γ0—边坡工程重要性系数，本工程取1.10；fy—预应力钢绞线抗拉强度设计值，kPa。

3)锚索锚固体与地层的锚固长度按下式计算：

(6)

式中：la—锚固段长度，m；γ0—边坡工程重要性系数，安全等级为一级的边坡取1.1，安全等级为二级的边坡取1.05，安全等级为二级的边坡取1.0；D—锚固体直径，m；frb—岩土层与锚固体粘结强度特征值，kPa，应通过试验确定；当无试验资料时可按表2取值。

4)锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度按满足下式要求：

(7)

式中：la—锚索与砂浆间的锚固长度，m；n—钢筋根数(根)；d—锚杆钢筋直径；fb—钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，kPa，应由试验确定，当缺乏试验资料时按表2取值。

表2 钢筋、钢绞线与砂浆之间的粘结强度设计值fb MPa

当锚固段钢筋和注浆材料采用特殊设计，并经试验验证锚固效果良好时，可适当增加锚杆钢筋用量。

5)最优锚固角可按下式计算：

β=α-(45°+φ/2)

(8)

式中：β—最优锚固角，(°)；α—滑动面倾角，(°)；φ—滑动面摩擦角或等效摩擦角,(°)。

4.4 安全治理工程施工

采用锚喷支护结构，坡面布设泄水孔，坡脚布设排水沟的综合治理方案。根据充填物在边坡上的分布厚度划分为三个区域设计锚杆入岩长度，分为6、9、12 m，并实行分区治理施工，即Ⅰ区段、Ⅱ区段和Ⅲ区段：Ⅰ区段长约 41.8 m，坡高按 15.0 m 考虑；Ⅱ区段长约 25.5 m，坡高按 18.0 m 考虑；Ⅲ区段长约 27.7 m，坡高按 10.0 m 考虑。

施工分四个阶段：清坡撬毛、石方挖运；脚手架搭设，锚杆施工；钢筋制作、挂网喷浆施工；泄水孔施工。

网格型布设锚杆，水平间距为 1.5～2.5 m，竖向间距 2.0 m，倾角 15°，孔径150 mm，锚杆杆体采用钢筋Φ25 螺纹钢筋，锚杆长度 6.0～12.0 m。钢筋网均采用单层双向Φ8.0@200 mm×200 mm，外侧采用 2E14 加压筋。锚杆下入孔后 6 个小时内必须注浆，注浆采用由孔底注浆的方式，注浆管端部至孔底的距离不大于 20 cm。为提高注浆效果，用水泥袋堵住孔口，进行压力注浆，注浆压力为 0.4～0.6 MPa，中途不停灌。注浆量为 30 kg/m。面层采用混凝土喷射，厚度均为 100 mm，强度等级 C25。

在坡面上布设泄水孔，孔径 100 mm，孔深 6.0 m，内设 6.2 m 长 75PPR 管做泄水管，外裹双层镀锌铁丝密目网(18#目)，孔内 5.0 m 内管上布设梅花型小孔，孔径 10 mm，间距 200 mm。泄水孔位置的容许偏差为 100 mm，倾角偏差为 1°。在 PPR 管下入前应用高压空气清孔和检查泄水孔。

为避免雨季期喷浆后被雨水冲刷造成强度降低或补喷，灌浆材料采用 P.O42.5 水泥(水灰比 0.5)，其氯化物和硫酸盐等有害物质含量按重量记不得大于 1%，以防止锚杆被腐蚀，既提高了水泥结合体强度，又缩短了混凝土凝固时间，小成本收获大成效。

此次治理工程量为：锚杆269根，共2 949 m；泄水孔80个，共480 m；挂网喷射混凝土1 262 m2。

5 治理后效果

对该不良地质体实施了安全有效的治理工程，保证了东边坡的稳定性及安全性，避免局部边坡坍塌带来的整体边坡失稳，消除了地质灾害隐患；同时对东边坡进行了防排水处理，符合了边坡工程质量技术规范；既使得东边坡的观感质量变好，又保障了坡脚过往人员及车辆的安全通行。治理后效果见图6。

图6 东边坡治理后效果

6 布设监测系统

在东帮建立了在线监测系统。在东边坡施工了一个深度为200 m的监测孔，建立了一个深部位移监测点、3个地表位移监测点和一个水位监测点，来监测重要边坡的地下水位和采场的降雨量。同时建立了数据自动采集和自动监测分析系统，对边坡部位实现了在线监测。

7 结语

1)槽探、物探及钻探多种勘探方法的综合利用，大幅度减少了地质钻孔勘探的工程量，降低了不良地质体地质勘察的成本，同时也充分发挥了各种勘察手段的优势，详尽查明了不良地质体的分布范围、规模、分布特征。

2)采用锚喷支护结构，坡面布设泄水孔，坡脚布设排水沟的综合治理方案。根据充填物在边坡上的分布厚度设计锚杆入岩长度，并实行分区治理施工，既保证了治理工程质量和安全，又大幅度降低了治理成本。

3)通过对终了边坡在线实时在线监测，即满足了规范要求，又能发布预警，实现边坡的安全与稳定。