露天礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

王志城 劉杰 姜昕健

摘 要:本文從分析露天礦邊坡穩(wěn)定性的重要性入手,系統(tǒng)總結(jié)了露天礦邊坡穩(wěn)定性的特點(diǎn),分析了影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素,并按內(nèi)因、外因?qū)Ω饔绊懸蛩剡M(jìn)行了分類(lèi);最后根據(jù)各影響因素對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的機(jī)理與方式不同,提出了預(yù)防露天礦邊坡失穩(wěn)的簡(jiǎn)要措施。

關(guān)鍵詞:露天礦邊坡穩(wěn)定性影響因素

中圖分類(lèi)號(hào):TD8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(a)-0110-02

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,露天采礦工程邊坡已經(jīng)成為困擾礦山安全生產(chǎn)的重要問(wèn)題[1],其穩(wěn)定性是保證礦山正常生產(chǎn)的先決條件。露天礦山開(kāi)挖后在一定程度上破壞和擾動(dòng)原來(lái)較為穩(wěn)定的巖體而形成新的人工邊坡,隨著回采工作的逐年推進(jìn),大量的永久性邊坡隨之形成。它們的穩(wěn)定性隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,對(duì)生產(chǎn)、生活的安全威脅將會(huì)隨之增大。因此,對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性影響因素的分析也就變得尤為重要。

1露天礦邊坡特點(diǎn)

邊坡失穩(wěn)是指在采礦過(guò)程中邊坡的土體在自身重力和外界作用力下失去原有平衡,出現(xiàn)滑坡、坍塌等現(xiàn)象。與其他巖土工程相比,露天礦邊坡穩(wěn)定性具有如下特點(diǎn)[2,3]:

(1)露天礦邊坡一般較高,高度從幾十米到幾百米不等,邊坡走向從幾百米延伸可達(dá)數(shù)公里,因而邊坡揭露的巖層多,邊坡各部分地質(zhì)條件差異大、變化復(fù)雜。

(2)露天礦的邊坡是由上往下逐步形成,高陡邊坡越往上穩(wěn)定性越差,軟弱夾層較多,受風(fēng)化、地表水侵蝕的時(shí)間較長(zhǎng),易產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。上部和下部邊坡的服務(wù)年限相差較大,因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)上部邊坡和下部邊坡的穩(wěn)定性也有不同的要求。

(3)露天邊坡采用爆破、機(jī)械開(kāi)掘形成,巖體完整性遭到破環(huán),故邊坡巖體較破碎不穩(wěn)定。在露天礦中每天進(jìn)行的大量的爆破活動(dòng)使邊坡經(jīng)常受到震動(dòng),對(duì)邊坡的穩(wěn)定性會(huì)造成一定程度的不利影響。

(4)露天礦場(chǎng)頻繁的爆破作業(yè)和車(chē)輛運(yùn)行,使邊坡經(jīng)常受到動(dòng)荷載的作用。同時(shí)隨著采掘、運(yùn)輸及其他設(shè)備日益大型化,邊坡臺(tái)階的負(fù)荷有日益增大的趨勢(shì)。這也使得對(duì)邊坡穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。

2露天礦邊坡穩(wěn)定性的影響因素

影響露天邊坡穩(wěn)定性的因素,分為內(nèi)因和外因兩方面。內(nèi)因影響主要包括巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等;外因影響主要包括水、震動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力、自然風(fēng)化與氣候、開(kāi)采技術(shù)條件、人為因素[3～6],等。

2.1 內(nèi)因影響

(1)巖性。巖性包括巖石的化學(xué)水理和物理力學(xué)性質(zhì)。巖石在飽和水條件下的力學(xué)強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素。一般的,容重、縱波波速大的巖石,通常有較高的力學(xué)強(qiáng)度,強(qiáng)度高的巖石邊坡穩(wěn)定性也高;而濕度大、可溶性強(qiáng)、吸水性強(qiáng)、軟化性大、抗凍性差的巖石力學(xué)性質(zhì)較弱,極不利于邊坡穩(wěn)定。

(2)巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)因素,即結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)面是指巖石物質(zhì)分異面及不連續(xù)面,具有一定方向、一定規(guī)模、一定形態(tài)和特性的面、縫、層、帶狀的各種地質(zhì)界面。結(jié)構(gòu)體是由不同產(chǎn)狀的各種結(jié)構(gòu)面組合起來(lái),將巖體切割單元塊體而成的。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造因素,包括區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)、邊坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育特征、破碎帶、極不穩(wěn)定的軟弱夾層和遇水膨脹的軟弱面形成的弱面,及區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)等。

2.2 外因影響

(1)水。水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響。露天礦滑坡大量發(fā)生在雨后、解凍時(shí)期,因疏干排水方法不當(dāng)所致。地下水富集程度的提高一方面增大坡體下滑力;另一方面降低軟弱夾層和結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,引起孔隙水壓力上升,降低滑動(dòng)面上的有效正應(yīng)力,導(dǎo)致滑動(dòng)面的抗滑力減小,從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

(2)震動(dòng)。當(dāng)爆破地震波在巖體中傳播時(shí),給巖體的潛在破壞面以附加的振動(dòng)力,使邊坡圍巖中的剪應(yīng)力增大,原有的裂紋裂隙擴(kuò)展和延伸,原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的規(guī)模增大,并且還產(chǎn)生次生結(jié)構(gòu)面（爆破裂隙）,從而破壞了巖體的整體結(jié)構(gòu),降低了整體強(qiáng)度;使地下水狀態(tài)發(fā)生改變,直接或間接地影響到滑移處的阻滑能力。生產(chǎn)爆破長(zhǎng)年反復(fù)對(duì)邊坡產(chǎn)生的動(dòng)載沖擊作用,將使上述破壞效應(yīng)得到不斷的加強(qiáng)和延續(xù),產(chǎn)生近似材料的蠕變或巖石內(nèi)部的損傷積累,當(dāng)這種蠕變或損傷積累超過(guò)邊坡穩(wěn)定的臨界值,則發(fā)生邊坡的失穩(wěn)。

(3)構(gòu)造應(yīng)力。邊坡巖體除受自重應(yīng)力外還受地質(zhì)構(gòu)造的殘余應(yīng)力、水應(yīng)力、震動(dòng)應(yīng)力等影響。巖體因自重引起的鉛直應(yīng)力等于單位面積內(nèi)上覆巖層重量,鉛垂應(yīng)力δl=γH,而平均水平應(yīng)力隨深度增加甚至有可能超過(guò)鉛直應(yīng)力值。構(gòu)造應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)邊坡巖體向采空區(qū)變形,使原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大或造成新的裂隙,降低巖體強(qiáng)度,減小邊坡的穩(wěn)定性。

(4)自然風(fēng)化與氣候。礦山開(kāi)采后由于邊坡長(zhǎng)時(shí)間裸露,造成礦巖自然風(fēng)化,易產(chǎn)生滑坡,時(shí)間越長(zhǎng)越容易發(fā)生滑坡。通常,風(fēng)化速度與巖石本身的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和后期蝕變有關(guān),同時(shí)也與濕度、溫度、降雨、地下水以及爆破震動(dòng)等因素有關(guān);氣候影響是指雨量、降雨頻度、積雪、地表水流量、排水方式等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

(5)開(kāi)采技術(shù)條件。開(kāi)采技術(shù)條件包括邊坡角、臺(tái)階組成形式、開(kāi)采程序、推進(jìn)方向以及穿爆工藝等。通常邊坡角越小邊坡越穩(wěn)定,上部較緩下部較陡的邊坡比上部陡下部緩的邊坡穩(wěn)定;邊坡出露的時(shí)間越短越穩(wěn)定;爆破震動(dòng)作用也會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。

(6)人為因素。由于對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的因素認(rèn)識(shí)不足,在生產(chǎn)中往往人為地促使邊坡破壞。如邊坡維護(hù)和管理不到位,作業(yè)人員違章操作;在邊坡上堆積廢石和設(shè)備以及建筑房屋等,加大了邊坡上的承重,增加了巖體的下滑力;挖掘坡腳,減小了巖體的抗滑力。

3防治露天礦邊坡失穩(wěn)破壞的措施

在露天礦山開(kāi)采的過(guò)程中,隨開(kāi)挖作業(yè)的變化邊坡穩(wěn)定性也在不斷地變化。為減少邊坡事故的發(fā)生,杜絕產(chǎn)生不必要的損失,我們可以采取以下的措施:

(1)加強(qiáng)地質(zhì)勘查。對(duì)礦區(qū)地質(zhì)進(jìn)行勘查是確保邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。應(yīng)對(duì)礦區(qū)巖石類(lèi)型、水文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面、自然邊坡及滑落情況等進(jìn)行深入透徹地了解。

(2)控制爆破技術(shù)。控制爆破技術(shù)是減少爆破震動(dòng)對(duì)邊坡影響的關(guān)鍵措施,主要從減小震源的爆炸能量與阻斷或減弱地震波的傳播兩個(gè)方面來(lái)考慮。

(3)降壓疏干。降壓疏干的目的是把邊坡地段內(nèi)水壓力降到允許范圍之內(nèi)。

(4)人工加固。主要有以提高巖體的粘結(jié)強(qiáng)度為主的注漿加固法和以增加滑動(dòng)面摩擦力為主、外加支擋結(jié)構(gòu)的加固法,等等。

(5)合理安排開(kāi)采順序。確定合理的臺(tái)階高度,進(jìn)行分層回采。對(duì)于小型露天礦,有條件的均應(yīng)采用分層開(kāi)采,使較高的采場(chǎng)分成幾個(gè)臺(tái)階開(kāi)采,以降低邊坡的相對(duì)高度。

(6)采取減重措施。利用削坡、壓坡腳等減重措施來(lái)減少邊坡承受的壓力。運(yùn)用緩坡清理的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)滑體上部或中上部進(jìn)行削坡來(lái)達(dá)到減小邊坡角及下滑力的目的,從而抑制滑坡體進(jìn)一步發(fā)展。

(7)建立邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。礦山邊坡監(jiān)測(cè)與治理是優(yōu)化邊坡設(shè)計(jì)和保證邊坡安全的重要措施。一般分為地表位移監(jiān)測(cè)、巖體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)和水壓監(jiān)測(cè)等。應(yīng)用最多的是地表位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。礦山應(yīng)建立地表巖層移動(dòng)監(jiān)測(cè)站,定期對(duì)地表和坡面進(jìn)行水平和垂直位移測(cè)量。建立切實(shí)可行的邊坡管理及檢測(cè)制度,配備專(zhuān)門(mén)的邊坡管理人員,并定期對(duì)邊坡的穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試,對(duì)邊坡的失穩(wěn)事故制定一定的緊急預(yù)案。

4結(jié)語(yǔ)

與井工開(kāi)采相比,露天開(kāi)采較為安全,資源回收率較高,采場(chǎng)作業(yè)空間大,生產(chǎn)能力大,建設(shè)速度較快。但露天礦邊坡穩(wěn)定問(wèn)題仍威脅著生產(chǎn)安全。露天礦邊坡是礦山重大的安全性工程,必須克服由于時(shí)間的推移、工程條件的變化所造成的安全系數(shù)和可靠性降低的情況,必須根據(jù)動(dòng)態(tài)變化提高和改善邊坡的穩(wěn)定性。隨著人們對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性因素的進(jìn)一步深入研究,其解決辦法也將不斷的完善,從而減少由邊坡引起的事故。但是,露天邊坡穩(wěn)定性尚存在大量急需研究解決的核心理論與技術(shù)問(wèn)題,且這些問(wèn)題的解決直接關(guān)系著邊坡穩(wěn)定性理論系統(tǒng)的完善及其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。相信在廣大科研工作者的共同努力下,露天邊坡穩(wěn)定問(wèn)題一定能夠盡早得到完善,使礦山工程在安全的前提下得以順利進(jìn)行,確保礦山正常的生產(chǎn)秩序。

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