露天礦邊坡宏觀破壞模式及穩定性控制方法

劉宇

【摘 ?要】露天礦開采過程中會產生大量的人工邊坡，一旦邊坡失穩，將嚴重威脅財產生命安全。論文概述了露天礦邊坡的宏觀破壞形式，闡述了露天礦邊坡穩定性控制方法，對露天礦生產作業有一定指導意義。

【Abstract】In the process of open-pit mining， there will be a lot of artificial slopes. Once the slope is unstable， it will seriously threaten the safety of property and life. This paper summarizes the macroscopic failure forms of slope in open-pit mine， and expounds the stability control methods of slope in open-pit mine， which has certain guiding significance for the production and operation of open-pit mine.

【關鍵詞】露天礦;邊坡;宏觀破壞模式;穩定性控制方法

【Keywords】open-pit mine; slope; macroscopic failure mode; stability control method

【中圖分類號】TD824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）12-0176-03

1 引言

在露天礦生產作業過程中，由于開挖、廢土排棄和運輸系統布置等工程的實施，將會產生大量的人工邊坡。相關數據顯示，我國露天礦山中約有30%的邊坡是不穩定的[1，2]。而一旦發生大規模邊坡失穩，不僅會中斷采場的生產作業，造成大量的經濟損失，還會對采礦工人的生命造成嚴重威脅。因此，要進行露天礦邊坡穩定性宏觀破壞模式的研究，并以此為基礎探索邊坡穩定性的控制方法。

2 露天礦邊坡特點

露天礦邊坡相比于公路、鐵路、水壩等其他人工邊坡相比，具有以下特點：

①露天礦邊坡是由上至下逐步形成的，隨著露天礦開采深度和范圍的增大，邊坡高度也會越來越高，最終邊坡高度可達幾百米。

②露天礦邊坡一般跨度走向較長，從幾百米到數公里不等，因此邊坡揭露的巖層較多，變化復雜[3]。

③露天礦采場生產作業中頻繁的爆破、穿孔和大型車輛的走動，會對邊坡產生持續的動載荷。

④露天礦采場邊幫的每級臺階都會承擔運輸功能。

⑤露天礦邊坡穩定性會隨著開采作業的推進不斷發生變化。

3 露天礦邊坡宏觀破壞模式

3.1 圓弧形破壞

圓弧形破壞是指在邊坡失穩時，在滑體截面呈現出圓弧形的滑坡破壞，大多出現在外排土場、內排土場等松散體中。由于松散體在宏觀統計學上屬于均質巖土體，顆粒在各方向上受力均勻且近似相同，當其受到外力作用、雨水侵蝕或巖土體結構改變等因素，平衡狀態被打破時，滑體就沿著平衡狀態時的力矩相等滑面即圓弧軌跡滑出，從而形成圓弧滑面，如圖1a所示。

3.2 順層面滑動破壞

順層滑面破壞是指沿已有結構面發生順層滑動的破壞，在露天礦生產中多發生在大傾斜地層的工作邊幫上。結構面一般由前期地質構造作用形成，主要有斷層、節理、裂隙等，根據連續介質力學理論，不連續的結構面會導致兩側物理力學性能差異，且一般沿著結構面產生抗剪弱層，易產生滑動。順層面滑動破壞模式有：

①牽引式破壞。當邊坡斜坡下部受到開挖或爆破等擾動時，先行失去平衡，繼而牽動上層巖土體滑動的破壞。

②推動式破壞。當邊坡斜坡上部受到運載卡車等沖擊載荷先行失穩，并擠壓下層巖土體滑動的破壞。

③混合式破壞。即牽引與推動破壞的混合形式。順層面滑動破壞如圖1b所示。

3.3 楔形體破壞

楔形體破壞是指滑體呈現四面體的破壞，因其形成原因較苛刻，且狀態不穩定，故在自然界中很少存在，但在人工邊坡上較常見。當斷層、裂隙、節理等軟弱結構面相交時，結構面組合交線形成楔形體。當楔形體與邊坡傾向相同或相近，并且傾角在內摩擦角和邊坡角之間時，與順層面滑動類似，滑體沿結構面發生滑動，即是楔形體破壞。楔形體的空間結構決定了其破壞體一般較小。楔形體破壞如圖1c所示。

3.4 傾倒破壞

傾倒破壞是指當高邊坡坡面由多個逆向層面構成，在重力因素下發生緩慢變形傾倒的破壞。露天開采中一般發生在大傾斜地層的工作邊幫上，以表層破壞為主。傾倒破壞一般分為幾個階段：

①受外力擾動影響，邊坡面上逆向結構層初步分層。

②邊坡巖土體結構面之間發生錯動。

③錯動引發不均勻變形，一般變形速度較緩慢，變形速度受降雨、外力擾動等因素影響。

④當變形積累引起失穩時，隨即發生傾倒破壞。傾倒破壞如圖1d所示。

3.5 潰屈破壞

潰屈破壞也稱潰曲破壞，是指坡面即將沿已有結構面發生滑動，但在坡腳或坡中某處受阻，因而只有坡體后部巖層移動發生潰屈產生的變形破壞[4]。潰屈破壞多發生在結構面與坡面角度相近的邊坡上。該種破壞大多由結構面內部起裂，并擴展形成脫層面，而后脫層面向外鼓起變形，產生潰屈。潰屈破壞一般是加速變形破壞，多發生在緩傾斜地層的露天礦上。潰屈破壞如圖1e所示。

4 露天礦邊坡穩定控制方法

露天礦生產作業中會產生大量的人工邊坡，其中工作邊幫以巖性為主、排土場邊坡則以土性為主。邊坡服務年限差異很大，從臨時到幾十年甚至永久不等。露天礦邊坡所涉及的領域也很多，包括露天采礦、地質測量、水文地質、爆破工程、檢測工程、機械設計、力學等。因此，邊坡穩定性控制方法工程綜合性很強，具體以3個方面進行闡述：

①邊坡監測。

②邊坡防治水。

③邊坡加固。

4.1 邊坡穩定性監測

4.1.1 地表位移監測

地表位移監測是最直觀，也是對邊坡整體穩定性評價最重要的監測方式。常規也是最簡便的方式是目測法，憑借施工人員對日常施工環境的經驗判斷，對發生變形的滑坡進行觀察積累，一般適用于臨時邊坡。近年來產生了許多地表位移技術，其中使用范圍最廣的是“3S”技術監測系統，即全球定位系統（GPS）、遙感技術系統（RS）、地理信息系統（GIS）共同作用[5]。一般在永久邊坡上設立的“3S系統”，可以實施24小時監測，為安全生產提供保障。

4.1.2 深部位移監測

深部位移監測一般應用于地質構造較復雜的露天礦，通過監測手段，對地下巖土體進行實時監測，從而得到地下巖土體位移情況、變形速率、變形方向等變化規律，其中包括鉆孔測斜儀和鉆孔多點位移計。在邊坡工程檢測中，這些儀器主要用在穩定性可能有問題的邊坡進行穩定觀測，考慮到費用和作業因素，通常在永久邊坡上安裝。

4.1.3 地下水監測

土壤含水量的變化，將很大程度上影響土質邊坡的內摩擦角和粘聚力。對于有高含水地層或處在高降雨量地區的露天礦，對地下水的監測是必不可少的，尤其是內外排土場的監測。地下水監測一般通過鉆孔完成，并將監測傳感器置于鉆孔內。常用的傳感器是孔隙水壓力傳感器。該傳感器可根據壓力和水位的比例關系，間接得出水位高度，從而得到地下水位數據。

4.1.4 爆破震動監測

在露天開采過程中爆破與地震的作用方式類似，都是通過施加大范圍沖擊動載荷實施擾動。當沖擊波穿過邊坡抗剪弱面時，誘使結構面發展成含有裂隙的次生結構面，從而影響坡體穩定性。近些年比較可靠的監測儀器包括聲發射監測儀和爆破振動監測儀。當爆破發生時，邊坡巖土體內部在爆破沖擊作用下發生裂紋的產生與擴展，巖土體內部會發生應力松弛現象，積聚在巖土體內部的應變能以彈性波和聲波的形式釋放出來，由安裝在附近的監測儀器采集和回收信號，之后根據數據分析反演出巖土體內裂紋擴展的具體情況，從而推斷出巖土體宏觀裂紋發展趨勢，進而為邊坡的穩定性提供參考依據。

4.2 邊坡防治水

在露天礦生產作業中，滑坡、泥石流等自然地質災害常發生在雨季，可見，水是誘發邊坡失穩的重要因素[6]。根據巖土力學理論可知，土的含水率越高，內摩擦角和粘聚力越小。當巖土體含水率接近飽和，甚至過飽和時，抗滑能力將顯著下降，產生巨大安全隱患[7]。礦區水的主要來源是地表水和地下水。

4.2.1 地表水防治

地表水防治，既要保證區內水體不危害生產作業，也要防止區外水體隨開采引起的地形變化流入采場或排土場。

當采礦區域內有地表水體直接流動經過時，一般通過改道工程，將水體流動路線繞過區內變更至區外，并在區內每個平臺上修筑排水溝，防止地表水體向地下滲透，也可以起到雨季疏流的作用;若流經采區的水體是季節性河流時，還要輔以水庫蓄水。當露天開采附近存在河流或湖泊等含水體，一般通過修筑堤壩護堰工程，防止水體漫灌。

4.2.2 地下水防治

露天礦開采過程中，很可能存在煤層處于含水層或開采過程中掘通含水層的情況，因此地下水防治，即控制地下水涌水量，尤為重要。當在地質勘探中發現地下含水層與外界存在水力聯系時一般以預防為主，通常是修建防水帷幕或者防水礦柱。若是已經發現地下涌水現象，便通常設立疏干井，將地下水引至采場外部從而降低地下水位。

4.3 邊坡人工加固

當坡體抗滑能力小于自身承載力時，邊坡隨即失穩[8]，因此，對邊坡失穩機理采用2種方法提升邊坡穩定性，分別是改善巖土體結構和增大巖土體強度。

4.3.1 改善巖土體結構

改善巖土體結構的力學機理是改變巖土體內部受力狀況，是露天礦最常用的邊坡加固方式。對于臨時邊坡，一般通過削減邊坡角的方法，使沿著坡面的重力分力變小，從而提升穩定性;對于永久邊坡一般采用錨桿或錨索加固的方法，利用錨桿抗拉的特性，將松散的巖土體固結成一個整體，二者組合受力，即便巖土體受到外部擾動，也能保持一定的承載力。

4.3.2 增大巖土體強度

一般通過注漿的方式，將固化漿液充填、置換、擠壓進裂隙節理等抗滑損傷裂縫中，形成“注漿巖橋”和“注漿巖楔”，提升巖土體的抗剪能力。同時，注漿也能提高巖土體的抗滲能力。

5 結語

綜上所述，露天礦宏觀破壞形式多種多樣，發生的機理與不同采場位置邊坡的物理性質也不盡相同。由此可見，露天礦邊坡情況比較復雜，因此，在進行露天開采時對邊坡穩定性的控制方法也應該盡可能考慮到多種方面。本文闡述了監測、防治水與邊坡人工加固3個方面的措施和技術原理，對露天開采作業具有一定的指導意義。

【參考文獻】

【1】劉東偉.露天礦邊坡穩定性安全因素分析[J].世界有色金屬，2017（15）：201，203.

【2】管曉明，王旭春，聶慶科，等.露天礦邊坡穩定性及設計參數優化研究[J].煤礦安全，2018，49（05）：71-74.

【3】王志城，劉杰，姜昕健.露天礦邊坡穩定性影響因素分析[J].科技創新導報，2012（13）：110-112.

【4】吁燃，劉品，龍森.順層巖質斜坡潰曲破壞機理的力學分析[J].公路交通技術，2012（04）：18-21.

【5】楊成德.巖土工程中邊坡穩定性分析及監測方法研究[J].工程技術研究，2020，5（03）：265-266.

【6】蔡亞飛，綦春明.滲流-應力耦合及降雨入滲作用下的邊坡穩定性分析[J].南華大學學報（自然科學版），2019，33（03）：33-39.

【7】文海家，張巖巖，付紅梅，等.降雨型滑坡失穩機理及穩定性評價方法研究進展[J].中國公路學報，2018，31（02）：15-29.

【8】王樹彪.巖土工程邊坡加固的施工技術研究[J].散裝水泥，2020（3）：60-61.