复杂破碎露天边坡的综合加固技术

韩斌¹，郑禄璟²，王少勇¹，仪海豹¹

(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；

2. 贵州大学 资源与环境学院，贵州 贵阳，550003)

摘要：为降低剥采比，实现复杂破碎岩体条件下的陡帮开采，针对锦丰露天矿顺层滑坡、楔形体滑坡、倾倒滑坡和松散土体滑坡4种边坡失稳模式，综合考虑露天边坡坡面与岩体层面、岩体质量及边坡重要程度等因素，分别采取喷锚网+长锚索支护、长锚索+钢带支护、喷锚网支护、抗滑桩支护及HDPE防渗膜护坡等方式的大面积边坡加固措施，支护总面积达到53 200 m²，使坡面角达到55°~65°，整体边坡角达到34°~40°，边坡高度超过275 m，实现了复杂破碎深凹露天矿的陡帮开采。结合多年现场实践经验，全面分析了各种边坡加固措施的作用机理、适用范围、技术参数、施工步骤，以及支护效果和优缺点。

关键词：复杂破碎岩体；露天边坡；边坡破坏模式；综合加固

中图分类号：TD854          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)02-0772-06

Synthetic reinforcement of complicated and broken open pit slope

HAN Bin¹, ZHENG Lujing², WANG Shaoyong¹, YI Haibao¹

(1. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mine, Ministry of Education,

University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. College of Resource and Environment Engineering, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

Abstract: In order to carry out steep open pit cutback in Jinfeng, which has a very complicated and broken rock condition, and at the same time decrease the stripping ratio, a study of its four main failure mechanism, namely, planar, wedge, toppling and sliding was conducted, giving fully consideration to factors likes of batter angle, rock bedding, rockmass quality and crucial priorities of batter in different domains. The slope supporting methods are as follows: mesh+split sets+shotcrete+cable bolts, cable bolts + mesh stripe, mesh+shotcrete+split sets, sheer pins and high density polyethylene (HDPE) membranes,total reinforement area reaches 53 200 m², which enables successful cutback mining with the face angle at 55°-65°, overall angle of wall at 34°-40°，the maximal height of slope with 275 m. Based on years of practice and experience, a comprehensive analysis of action mechanism of above mentioned reinforcement methods, their application scope, technical parameters and implementation procedures, as well as the effect, pros and cons of these methods are presented.

Key words: complicated and broken rock mass; open pit slope; failure mechanism of slope; synthetic reinforcement

在露天开采过程中，边坡稳定与矿山安全和经济效益紧密相关。对于复杂破碎不良岩体，通常采用缓帮开采。据测算，一座中等规模的露天矿，若最终边坡角提高1°，则可减少废石剥离量约1 000 万m³，节省成本近亿元^[1]，因此，复杂破碎露天边坡陡帮开采一直是岩石力学的重要课题。贵州省锦丰金矿矿岩以薄至中厚层砂岩与薄层黏土岩为主，黏土岩松软破碎，遇水易软化而垮塌，是世界知名的复杂破碎不良岩体矿山，具有地质构造复杂、岩体破碎、易风化、遇水软化的特点。露天矿开采初期，东南西北4个方位边坡都出现了不同程度的失稳破坏。为降低剥采比，实现复杂破碎岩体条件下的陡帮开采，针对上述情况，采取了长锚索、喷锚网、钢带、抗滑桩、防渗膜、挡土墙等边坡治理综合措施^[2-5]，有效维护了露天边坡的稳定性。目前露天台阶高度为10 m或20 m，坡面角为55°~65°，整体边坡角为34°~40°，边坡高度超过275 m，实现了复杂破碎深凹露天矿的陡帮开采。锦丰露天矿边坡加固面积达到53 200 m²，占露天边坡总面积的8%，是我国目前边坡岩体最为复杂破碎、边坡加固面积比例最大、边坡加固手段应用最多的露天矿山。

1  矿区工程地质

锦丰露天矿区处于赖子山背斜东翼的鼻状突起部位，其矿床主要赋存于北东、北西向断裂带中。矿区岩层主要为中三叠统边阳组、尼罗组、许满组沉积岩，其岩性总体以砂岩、黏土岩为主，其中砂岩单轴抗压强度为27.2~59.4 MPa，黏土岩单轴抗压强度为21.1~37.2 MPa，砂岩、黏土岩构成厚薄不均的互层，工程地质调查表明，岩体质量分类Q值介于0.8~42.0之间。

矿区内规模较大的褶皱有林坛背斜、烂泥沟向斜及上冗半向斜，次有北东、北西西向、近东西向的褶曲叠加于上述北西向主体褶皱构造之上，以及与主干断裂构造伴生的同斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲等。

矿区范围内断裂构造极其发育，主要有北西向、北东向及南北向3个走向组。北西向组主要有F₁₄，F₅，F₃，F₄，F₆，F₈和F₂₀，广布于矿区中部、东部及北部，为矿区之主体构造；北东向组断裂构造主要有F₂，F₁₃和F₁₀；南北向组有F₁，F₉和F₇等，其中F₂，F₃和F₆为矿区控矿断层(如图1所示)。

图1  矿区控矿断层

Fig.1  Faults controlled deposit

2  变形破坏模式

根据同类矿山经验以及多年的现场工程实践和观察^[6-11]，锦丰露天边坡变形破坏模式主要如下。

(1) 顺层滑坡。边坡岩体以薄层到中厚层黏土岩为主，层理面光滑，层理之间充填物有遇水泥化现象。当岩层与边坡走向、倾向近似一致，边坡倾角大于岩层倾角时，易产生层理之间的顺层滑移^[11]，并造成露天边坡台阶顺层失稳，如南部边坡580~620 m，曾发生大面积的顺层滑坡，垮塌面积达4 500 m²，如图2所示。

图2  顺层滑坡

Fig.2  Failure of bedding slope

(2) 楔形体滑坡。当2个相交的断层面与边坡坡面形成楔形体时，或者岩层层面与断层面及边坡坡面形成楔形体时，由于岩层层面之间摩擦力较小，断层带岩体破碎，形成楔形体构造，在自重应力的作用下，易形成楔形体滑坡。如西部边坡540~600 m，处于F₂和F₃的交汇区，岩体十分破碎，频繁出现楔形体滑坡失稳，如图3所示。特别是在多雨季节，楔形体滑坡的发生频率更高。

图3  楔形体滑坡

Fig.3  Failure of wedge block slope

(3) 倾倒滑坡。岩层走向与边坡走向近似一致，岩体倾角大于70°，当下部台阶开挖后，在自重应力、雨水和爆破震动的多重因素作用下，易产生倾倒破坏^[12-13]。如北部边坡600~520 m和西部边坡580~620 m，都曾出现过倾倒滑坡，如图4所示。

图4  倾倒滑坡

Fig.4  Failure of toppling slope

(4) 松散土体整体滑坡。露天矿西部、北部覆盖有10余m厚的松散土体，其内聚力及内摩擦角比较小，随着下部露天台阶的开挖，原有的力学平衡被打破，尤其受西南地区多雨天气的影响，往往在大雨过后出现松散土体的整体滑移失稳，如图5所示。

图5  松散土体滑坡

Fig.5  Failure of loose soil slope

3  边坡加固措施及效果

锦丰露天矿根据边坡重要性和可能出现的破坏模式，采取了长锚索、喷锚网、钢带、抗滑桩、防渗膜等边坡治理综合措施^[14-17]，取得了良好效果(如图6所示)。下面结合锦丰金矿多年的现场实践，分别阐述各种边坡加固措施的作用机理、适用范围、技术参数、施工步骤，以及支护效果和优缺点等。

图6  锦丰露天矿部分区域支护方式及支护效果

Fig.6  Reinforcement method and effect of Jinfeng open pit

3.1  喷锚网+长锚索支护

3.1.1  作用机理及适用范围

长锚索加固深度大，能够将潜在的滑坡体锚固于滑移面下稳定的岩体中，主动对边坡松散岩层施加正应力，增大了抗滑力，使坡体趋于稳定。全段高压注浆锚固使浆液渗透到岩体裂隙内，提高了破碎岩体自身强度。喷锚网联合作用，阻止了空气及水对岩体的风化和潮解、膨胀、泥化引起的岩体强度降低，有效固定长锚索间的松散岩体，还可以将长锚索的作用力均匀地分布于边坡坡面，保持了边坡的稳定。该种支护方式适用于运矿道或清扫平台下岩体相对破碎，可能产生顺层滑坡、楔形体滑坡和倾倒滑坡的边坡治理。

3.1.2  技术参数及施工步骤

支护参数如下。

(1) 长锚索。长锚索孔直径为90 mm，每孔安装2根直径×长度为15.24 mm×12 m的钢绞线，垂高为10 m的台阶，共布置3排长锚索，排距3.6 m，间距2 m，长锚索采用全长锚固。

(2) 锚索注浆。采用P.C 32.5级水泥配制纯水泥浆，水灰比0.35~0.40。

(3) 喷射混凝土。喷射混凝土厚60~80 mm，28 d单轴抗压强度大于15 MPa。

(4) 锚杆。采用直径×长度为34 mm×1.8 m管缝锚杆，锚杆间排距2 m×2 m。

(5) 钢网。采用长×宽为4 m×2.5 m，直径为5 mm的钢网。

采用平面破坏计算方法可知：上述加固方式的露天边坡台阶安全系数大于1.2，能够保证台阶的稳定。

施工时，随着边坡的开挖，逐层钻凿长锚索孔，安装锚索并注浆，台阶高度10 m的边坡形成后，一次性挂网，用管缝锚杆固定钢网，安装长锚索锚具，之后喷浆，以封闭岩面。

3.1.3  支护效果及优缺点

该种支护方式是锦丰金矿应用最广、支护效果最好的边坡处理措施，共计支护面积约42 000 m²，经过4年多的工程实践，所有支护区域均保持稳定。

其优点是支护效果好、适应面广，缺点是施工工艺复杂、施工周期长、支护成本高。

3.2  长锚索+钢带支护

3.2.1  作用机理及适用范围

长锚索可充分发挥其锚固深度大、锚固效果好的优势，钢带可将同排长锚索连接成一个整体，维护长锚索间岩体的稳定性，避免长锚索周围岩体的松动脱落最终引起长锚索支护效果降低的弊病。该种支护方式适用于：(1) 边坡失稳不会产生严重后果的区域；(2) 岩体边坡坡面与岩层层面近似一致，岩体为薄至中厚层黏土岩或黏土岩砂岩互层，整体稳定性性较好的局部边坡；(3) 岩体质量稍差但岩层层面与边坡坡面法线方向近似垂直，或呈大角度相交的边坡。

3.2.2  技术参数及施工步骤

支护参数如下。

(1) 长锚索。长锚索孔直径为90 mm，每孔安装2根直径×长度为15.2 mm×12 m的钢绞线，垂高10 m的台阶，共布置3排长锚索，排距3.6 m，间距2 m。

(2) 锚索注浆。采用P.C 32.5级水泥配制纯水泥浆，水灰比0.35~0.40。

(3) 钢带。采用直径为5 mm的钢筋焊接制成，钢带长6 m，宽0.5 m，正方形网孔规格为100 mm×100 mm。

(4) 同水平各长锚索之间用钢带连接，搭接长度不小于0.5 m。

采用平面破坏计算方法，上述加固方式的边坡安全系数大于1.2，能够保证台阶的稳定。

施工时，随着边坡的开挖，逐层钻凿长锚索孔，安装锚索并注浆，同水平长锚索间用钢带连接，长锚索托盘固定钢带，长锚索注浆、钢带及锚具安装也可滞后于下部边坡开挖一段时间。

3.2.3  支护效果及优缺点

该种支护方式共计支护面积约 2 000 m²，如东北部边坡600~580 m和560~550 m等区域，支护效果良好。在北部边坡 600~590 m处也曾应用该支护方式，但由于岩体破碎，初期上、下排长锚索之间部分岩体松动脱落，并逐渐发展至长锚索托盘下部，最终导致长锚索支护失效，边坡失稳。可见对于岩体比较破碎区域，更宜采用喷锚网+长锚索支护。

其优点是支护工艺简单，施工效率高、支护成本低，缺点是一旦长锚索间岩体发生松动脱落，可能导致边坡逐步松动并最终失稳破坏。

3.3  喷锚网支护

3.3.1  作用机理及适用范围

采取喷锚网支护，可确保该区域围岩自身强度，防治围岩逐层失稳脱落及岩体风化崩解。该种支护方式适用于边坡整体稳定性较好，但局部岩层为黏土岩，或砂岩黏土岩互层的破碎区域局部加固支护。

3.3.2  技术参数及施工步骤

(1) 喷射混凝土。喷射混凝土厚60 mm，28 d单轴抗压强度大于15 MPa。

(2) 锚杆。采用直径×长度为34 mm×1.8 m管缝锚杆，锚杆间排距2 m×2 m。

(3) 钢网。采用直径为5 mm的钢筋焊接制成，钢网长4 m，宽0.5 m，正方形网孔规格为100 mm×100 mm。

施工步骤为：边坡坡面形成后，清理干净边坡表面浮石，采用管缝锚杆挂网，并一次性喷射混凝土。

3.3.3  支护效果及优缺点

锦丰露天矿西北角F₆断层矿体带620~600 m以及580~570 m等区域均采取了该支护方式，共计支护面积约4 000 m²，对维护局部区域边坡表面岩体的封闭和加固具有良好作用。该支护方式施工设备简单、作业方便、支护成本低廉，主要用于坡面岩体的封闭和加固，支护强度及作用范围有限，一旦边坡出现整体位移，则会迅速开裂破坏。

3.4  抗滑桩支护

3.4.1  作用机理及适用范围

抗滑桩用于抵抗边坡滑动时沿滑面产生的剪力，和沿软弱破碎带滑动使滑面出现塑性变形产生的弯矩，属于被动施加应力加固。同时在抗滑桩灌浆过程中，部分水泥浆沿边坡岩体节理裂隙渗透，对加固岩体整体稳定性也发挥了一定作用。该支护方式适用于具有潜在滑动面的重要露天平台或运矿道靠近边坡一侧等。

3.4.2  技术参数及施工步骤

支护参数如下。

(1) 抗滑桩孔。直径为115 mm，孔深9 m，孔向垂直于地面。

(2) 抗滑桩。采用外径为78 mm，壁厚为4 mm，长为9 m的钢管，钢管内外侧均浇灌水灰比为0.35的水泥浆。

(3) 间距。抗滑桩与坡顶线之间的距离为1.5 m，间距为2.5 m。

运矿道或平台形成后，钻凿抗滑桩孔，插入钢管，在钢管内外侧注浆，注浆管须插入孔底，一般采取先注钢管内侧、后注钢管与孔壁间隙的注浆顺序。

3.4.3  支护效果及优缺点

锦丰金矿在三期运矿道580~560 m，540~530 m，冗半区域660~650 m，以及三期北部620 m平台、三期西部620 m平台、三期南部560 m平台都采取了抗滑桩支护，支护总面积达到500 m²，并取得了良好效果。抗滑桩支护具有施工周期短、工艺简单、支护成本低等优点，但抗滑桩属于被动支护，采用钢管注浆的抗滑桩，其抗剪、抗弯能力有限，如果岩体比较破碎，则难以维护边坡的稳定，如西部边坡620 m平台的抗滑桩支护，由于岩体破碎，抗滑桩未能有效阻止上部岩体的移动，导致抗滑桩弯曲，边坡失稳。如采用高压注浆、高抗弯强度工字钢、减小抗滑桩间距等措施，会有益于提高抗滑桩的支护效果。

3.5  HDPE防渗膜护坡

3.5.1  作用机理及适用范围

防渗膜能够防治雨水渗入松散土体，防治松散土体在大量雨水的浸泡下，引起自重增加和滑移面力学参数降低导致的边坡整体滑移失稳。因此，如果松散土体边坡大雨过后出现开裂滑移时可采用HDPE防渗膜护坡，即使该边坡在雨水作用下出现较大范围的贯通裂缝，也可以起到很好的护坡效果。

3.5.2  技术参数及施工步骤

支护参数如下。

(1) 采用1.0 mm厚的HDPE防渗膜覆盖松散土体。

(2) 采用沟槽锚固法固定防渗膜，锚固沟槽宽度0.6 m，深0.5 m。

(3) 防渗膜搭接宽度100 mm，接缝平行于坡脚线。

(4) 每隔10 m的台阶高度，设置一宽1 m的工作平台。

敷设防渗膜前须平整坡面，确保无明显尖突，之后将防渗膜覆盖于松散土体，其边缘用锚固槽固定，并在锚固槽里回填混凝土。

3.5.3  支护效果及优缺点

锦丰西部边坡660~620 m和北部边坡680~710 m由第四系表土和强烈风化的黏土岩、砂岩组成，并存在黏土岩软弱夹层及断层破碎带，边坡的稳定性较差，前期均出现较大规模开裂、鼓肚、塌陷、滑移等现象。由于西部边坡对上部充填站及下部主运矿道构成了严重威胁，因此，采用HDPE防渗膜，覆盖了约4 700 m²的区域。近三年来边坡稳定性良好，位移监测未见有滑移迹象。HDPE防渗膜牢固性好，迄今未见风化破损。该护坡方式施工工艺简单，成本低廉，对松散土体具有良好的适用性。北部680 m以上的土体边坡，与西部边坡工程地质条件极为相似，当初未进行加固处理，至今已基本垮塌至自然安息角。

4  结论

(1) 锦丰露天矿矿边坡变形破坏模式主要表现为顺层滑坡、楔形体滑坡、倾倒滑坡和松散土体整体滑坡，根据边坡坡面与岩体层面空间关系、岩体质量及边坡重要程度，采取大面积综合加固措施，支护总面积达到53 200 m²，使坡面角达到55°~65°，整体边坡角达到34°~40°，边坡高度超过275 m，改变了传统的复杂破碎岩体边坡缓帮开采模式，实现了深凹露天矿陡帮开采，取得了良好的经济效益。

(2) 喷锚网及长锚索支护，适用于运矿道或清扫平台下岩体相对破碎，可能产生顺层滑坡、楔形体滑坡和倾倒滑坡的边坡治理，具有支护效果好、适应面广，缺点是施工工艺复杂、施工周期长、支护成本高。

(3) 长锚索+钢带支护适用于边坡失稳不会产生严重后果的区域，边坡坡面与岩层层面近似一致的边坡，或岩体整体稳定性较好的局部边坡，优点是施工效率高、支护成本低，缺点是一旦长锚索间岩体发生松动脱落，可能导致边坡逐步松动并最终失稳破坏。

(4) 喷锚网支护适用于边坡整体稳定性较好，但局部破碎区域的补强支护措施，具有施工设备简单、作业方便、成本低廉的优势，但支护强度及作用范围有限，一旦边坡出现整体位移，则会迅速开裂破坏。

(5) 抗滑桩支护适用于具有潜在滑动面的重要露天平台或运矿道靠近边坡一侧等，具有施工周期短、支护成本低等优点，但抗滑桩属于被动支护，采用钢管注浆的抗滑桩，其抗剪、抗弯能力有限，如果岩体比较破碎，则其支护作用有限。

(6) HDPE防渗膜护坡适用于大体积松散土体边坡的稳定性维护，施工工艺简单，成本低廉，对松散土体具有良好的适用性。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-03-09；修回日期：2012-05-08

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAB08B02)；国家自然科学基金资助项目(50934002)

通信作者：韩斌(1969-)，男，甘肃张掖人，博士，副研究员，从事采矿与岩石力学研究；电话：13241806882；E-mail：hanb66@126.com