露天礦邊坡穩定性影響因素分析

王志城 劉杰 姜昕健

摘 要:本文從分析露天礦邊坡穩定性的重要性入手,系統總結了露天礦邊坡穩定性的特點,分析了影響露天礦邊坡穩定性的因素,并按內因、外因對各影響因素進行了分類;最后根據各影響因素對露天礦邊坡穩定性產生影響的機理與方式不同,提出了預防露天礦邊坡失穩的簡要措施。

關鍵詞:露天礦邊坡穩定性影響因素

中圖分類號:TD8 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(a)-0110-02

隨著科學技術發展,露天采礦工程邊坡已經成為困擾礦山安全生產的重要問題[1],其穩定性是保證礦山正常生產的先決條件。露天礦山開挖后在一定程度上破壞和擾動原來較為穩定的巖體而形成新的人工邊坡,隨著回采工作的逐年推進,大量的永久性邊坡隨之形成。它們的穩定性隨著時間的延長逐漸降低,對生產、生活的安全威脅將會隨之增大。因此,對露天邊坡穩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

邊坡失穩是指在采礦過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,出現滑坡、坍塌等現象。與其他巖土工程相比,露天礦邊坡穩定性具有如下特點[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數公里,因而邊坡揭露的巖層多,邊坡各部分地質條件差異大、變化復雜。

(2)露天礦的邊坡是由上往下逐步形成,高陡邊坡越往上穩定性越差,軟弱夾層較多,受風化、地表水侵蝕的時間較長,易產生滑坡現象。上部和下部邊坡的服務年限相差較大,因此在實際生產中對上部邊坡和下部邊坡的穩定性也有不同的要求。

(3)露天邊坡采用爆破、機械開掘形成,巖體完整性遭到破環,故邊坡巖體較破碎不穩定。在露天礦中每天進行的大量的爆破活動使邊坡經常受到震動,對邊坡的穩定性會造成一定程度的不利影響。

(4)露天礦場頻繁的爆破作業和車輛運行,使邊坡經常受到動荷載的作用。同時隨著采掘、運輸及其他設備日益大型化,邊坡臺階的負荷有日益增大的趨勢。這也使得對邊坡穩定性要求越來越高。

2露天礦邊坡穩定性的影響因素

影響露天邊坡穩定性的因素,分為內因和外因兩方面。內因影響主要包括巖性、巖體結構、地質構造等;外因影響主要包括水、震動、構造應力、自然風化與氣候、開采技術條件、人為因素[3～6],等。

2.1 內因影響

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

(2)巖體結構。巖體結構包括兩個因素,即結構面和結構體。結構面是指巖石物質分異面及不連續面,具有一定方向、一定規模、一定形態和特性的面、縫、層、帶狀的各種地質界面。結構體是由不同產狀的各種結構面組合起來,將巖體切割單元塊體而成的。

(3)地質構造。地質構造因素,包括區域構造特點、邊坡地段的褶皺形態、巖層產狀、斷層和節理裂隙發育特征、破碎帶、極不穩定的軟弱夾層和遇水膨脹的軟弱面形成的弱面,及區域新構造運動活動等。

2.2 外因影響

(1)水。水對邊坡的穩定性有顯著影響。露天礦滑坡大量發生在雨后、解凍時期,因疏干排水方法不當所致。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構面的抗剪強度,引起孔隙水壓力上升,降低滑動面上的有效正應力,導致滑動面的抗滑力減小,從而導致邊坡失穩。

(2)震動。當爆破地震波在巖體中傳播時,給巖體的潛在破壞面以附加的振動力,使邊坡圍巖中的剪應力增大,原有的裂紋裂隙擴展和延伸,原生結構面和構造結構面的規模增大,并且還產生次生結構面（爆破裂隙）,從而破壞了巖體的整體結構,降低了整體強度;使地下水狀態發生改變,直接或間接地影響到滑移處的阻滑能力。生產爆破長年反復對邊坡產生的動載沖擊作用,將使上述破壞效應得到不斷的加強和延續,產生近似材料的蠕變或巖石內部的損傷積累,當這種蠕變或損傷積累超過邊坡穩定的臨界值,則發生邊坡的失穩。

(3)構造應力。邊坡巖體除受自重應力外還受地質構造的殘余應力、水應力、震動應力等影響。巖體因自重引起的鉛直應力等于單位面積內上覆巖層重量,鉛垂應力δl=γH,而平均水平應力隨深度增加甚至有可能超過鉛直應力值。構造應力會增強邊坡巖體向采空區變形,使原有裂隙進一步擴大或造成新的裂隙,降低巖體強度,減小邊坡的穩定性。

(4)自然風化與氣候。礦山開采后由于邊坡長時間裸露,造成礦巖自然風化,易產生滑坡,時間越長越容易發生滑坡。通常,風化速度與巖石本身的礦物成分、結構構造和后期蝕變有關,同時也與濕度、溫度、降雨、地下水以及爆破震動等因素有關;氣候影響是指雨量、降雨頻度、積雪、地表水流量、排水方式等對邊坡穩定性的影響。

(5)開采技術條件。開采技術條件包括邊坡角、臺階組成形式、開采程序、推進方向以及穿爆工藝等。通常邊坡角越小邊坡越穩定,上部較緩下部較陡的邊坡比上部陡下部緩的邊坡穩定;邊坡出露的時間越短越穩定;爆破震動作用也會影響邊坡的穩定性。

(6)人為因素。由于對影響邊坡穩定的因素認識不足,在生產中往往人為地促使邊坡破壞。如邊坡維護和管理不到位,作業人員違章操作;在邊坡上堆積廢石和設備以及建筑房屋等,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破壞的措施

在露天礦山開采的過程中,隨開挖作業的變化邊坡穩定性也在不斷地變化。為減少邊坡事故的發生,杜絕產生不必要的損失,我們可以采取以下的措施:

(1)加強地質勘查。對礦區地質進行勘查是確保邊坡穩定性的基礎。應對礦區巖石類型、水文地質、巖體結構面、自然邊坡及滑落情況等進行深入透徹地了解。

(2)控制爆破技術。控制爆破技術是減少爆破震動對邊坡影響的關鍵措施,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方面來考慮。

(3)降壓疏干。降壓疏干的目的是把邊坡地段內水壓力降到允許范圍之內。

(4)人工加固。主要有以提高巖體的粘結強度為主的注漿加固法和以增加滑動面摩擦力為主、外加支擋結構的加固法,等等。

(5)合理安排開采順序。確定合理的臺階高度,進行分層回采。對于小型露天礦,有條件的均應采用分層開采,使較高的采場分成幾個臺階開采,以降低邊坡的相對高度。

(6)采取減重措施。利用削坡、壓坡腳等減重措施來減少邊坡承受的壓力。運用緩坡清理的方式,實現對滑體上部或中上部進行削坡來達到減小邊坡角及下滑力的目的,從而抑制滑坡體進一步發展。

(7)建立邊坡監測系統。礦山邊坡監測與治理是優化邊坡設計和保證邊坡安全的重要措施。一般分為地表位移監測、巖體內部位移監測和水壓監測等。應用最多的是地表位移監測系統。礦山應建立地表巖層移動監測站,定期對地表和坡面進行水平和垂直位移測量。建立切實可行的邊坡管理及檢測制度,配備專門的邊坡管理人員,并定期對邊坡的穩定性能進行測試,對邊坡的失穩事故制定一定的緊急預案。

4結語

與井工開采相比,露天開采較為安全,資源回收率較高,采場作業空間大,生產能力大,建設速度較快。但露天礦邊坡穩定問題仍威脅著生產安全。露天礦邊坡是礦山重大的安全性工程,必須克服由于時間的推移、工程條件的變化所造成的安全系數和可靠性降低的情況,必須根據動態變化提高和改善邊坡的穩定性。隨著人們對影響邊坡穩定性因素的進一步深入研究,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,露天邊坡穩定性尚存在大量急需研究解決的核心理論與技術問題,且這些問題的解決直接關系著邊坡穩定性理論系統的完善及其在現場的應用。相信在廣大科研工作者的共同努力下,露天邊坡穩定問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行,確保礦山正常的生產秩序。

參考文獻

[1]杜計平,孟憲銳.采礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.

[2]朱振華.露天邊坡穩定性分析及防治措施[J].采礦技術,2006,6(3):338～339.

[3]王思文,張緒杰,宋玉金.露天礦邊坡穩定性的安全因素分析及防治建議[J].露天采礦技術,2011(3):21～23.

[4]李全明,付士根,王云海.露天開采邊坡穩定性分析方法及災害防治措施研究[J].中國安全科學學報,2007,17(2):55～60.

[5]趙洪寶,潘衛東.開挖對巖質邊坡穩定性影響的數值模擬[J].金屬礦山,2011,(7):32～35.

[6]姜漢磊.爆破震動對撫順東露天礦邊坡穩定性影響的分析[J]．露天采礦技術,2011,(5):44～46.