露天礦開采中邊坡的穩(wěn)定性研究

＊宮 鑫

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司 山西 036506）

露天礦山的邊坡安全問題主要表現(xiàn)在滑坡上，隨著開采深度的不斷增加以及邊坡高度的不斷加大，使得邊坡穩(wěn)定性和安全性越來越差。近年來，由于地質(zhì)條件的劣化、應(yīng)力環(huán)境的擾動和氣候條件變化異常等原因，我國各地的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，每年發(fā)生的滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)十億元，人員傷亡高達數(shù)百人。而對于高深邊坡露天礦山而言，確保在采礦生產(chǎn)作業(yè)過程中邊坡的穩(wěn)定、安全高效的生產(chǎn)與提高企業(yè)的經(jīng)濟效益的問題比較突出。因此，進行露天礦山邊坡失穩(wěn)機制、預(yù)測預(yù)報、邊坡失穩(wěn)防治的基礎(chǔ)研究，有助于推動我國邊坡治理技術(shù)的發(fā)展，對于確保礦山的生產(chǎn)、人員與設(shè)備的安全具有十分重要的理論與實際的意義。

1.礦物的物理力學(xué)性質(zhì)

在某一煤礦靠幫邊坡中的礦物質(zhì)特性非常單一，其中含量最高的就是燈影組（Z?d）硅質(zhì)白云巖。對部分區(qū)域的土壤進行取樣并開展實驗檢測工作。對普通物料進行檢測，所采用的實驗方式大致分成兩種，包括：大型剪切實驗與室內(nèi)中型剪切實驗。因為實驗場地和實驗環(huán)境的局限，大型的原位剪切實驗開展的時間要久些，投入資金較多，實驗過程難度較高。室內(nèi)實驗的方式雖說也不夠完善，但是也屬于運用較為普遍的實驗?zāi)Ｊ剑覂?nèi)實驗?zāi)軌驅(qū)ΜF(xiàn)場原位實驗方式中的缺陷進行補充，能夠大致映射出巖石體的基礎(chǔ)特點。將現(xiàn)場收集的散式樣本轉(zhuǎn)移到實驗室中實施中型剪切實驗，首要任務(wù)是對樣本實施裝樣處理，按照摩爾（Mohr）—庫倫（Coulomb）強度觀念，將垂直壓力P作用在實驗樣品上，對樣品的剪切工作可以利用水平剪切力F來完成，最后獲得剪切力τ。通過庫倫定律能夠獲得抗剪程度的數(shù)據(jù)：粘聚力c和內(nèi)摩擦角?。在實驗室中開展的中型剪切實驗可以獲得和物料密度與含水量有關(guān)的信息數(shù)據(jù)。在實驗完成以后把有關(guān)參數(shù)套用固定公式核算出法向應(yīng)力參數(shù)與剪切應(yīng)力參數(shù)。

2.影響邊坡穩(wěn)定性的因素

第一，邊坡的幾何形狀和形態(tài)。對邊坡結(jié)構(gòu)進行科學(xué)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置可有效提升邊坡的安全穩(wěn)固性。邊坡幾何形狀主要是指坡面的幾何形狀與平面上邊坡的形態(tài)。通過臺階分層采掘的方式，臺階最高可達270m，而臺階坡面的角度則在70°上下，邊坡的高度在14m。這一平臺中的巖體比較破碎，巖性大都是白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白巖和含泥巖質(zhì)。表層土壤風(fēng)化程度較高，為了預(yù)防出現(xiàn)邊坡滑落現(xiàn)象，對270平臺斷面進行了凹形設(shè)置，凹形斷面的穩(wěn)固性要遠遠高于凸形與直線形邊坡。直線形更適合用在坡高較低、巖石構(gòu)造穩(wěn)固完整以及巖石性質(zhì)改變不強烈的邊坡上；而其中的凸形邊坡更適于坡底巖石穩(wěn)固完整而上坡構(gòu)造不穩(wěn)松軟的邊坡上，這一結(jié)構(gòu)可降低剝離。露天煤礦的邊坡在惡劣地質(zhì)構(gòu)造的影響下，想要確保其穩(wěn)固性，可將邊坡設(shè)置成陡坡。在對規(guī)模較大的礦山進行采掘時，邊坡過長，在邊坡向采空的一面突出時，在邊坡的巖體中產(chǎn)生側(cè)向的拉力，如果邊坡面向采空的一面凹陷時，便會在邊坡的巖體中產(chǎn)生側(cè)應(yīng)力。因為巖體具有抗壓不抗拉的特性，將邊坡設(shè)置成向采空面凹陷的形式會充分提升邊坡的穩(wěn)固度。在對邊坡進行穩(wěn)固性的研究時最關(guān)鍵的分析內(nèi)容為巖石結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性和幾何要素。第二，巖石風(fēng)化與巖石侵蝕問題的影響。巖石風(fēng)化主要指的是風(fēng)、雨、大氣、陽光、氣溫等多種因素長久作用在巖石上，對巖體帶來一定的破壞力，久而久之改變了巖體的結(jié)構(gòu)或者特性。使巖體抗壓和抗剪的強度變低，從而降低了巖體形變的特性。增加了巖石中小型裂縫數(shù)量同時向巖體內(nèi)部進行持續(xù)伸展，巖石表層松動軟化出現(xiàn)膨脹情況，嚴重時會分層脫落。加之風(fēng)化的持續(xù)性影響，會使邊坡的幾何狀態(tài)出現(xiàn)變化，最終使得邊坡失去了穩(wěn)固性出現(xiàn)坍塌問題。所以，對邊坡的表層進行封層處理可充分降低各方因素對邊坡的影響程度，在對煤礦進行開采期間需要對邊坡實施綠化處理。第三，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與殘余應(yīng)力的影響。在對煤礦進行采掘期間，邊坡的邊緣部分出現(xiàn)應(yīng)力集聚的情況，因為底層結(jié)構(gòu)的影響，同樣會導(dǎo)致其承載著相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力不但會導(dǎo)致邊坡向采空區(qū)面進行形變，使得邊坡中巖石原有裂痕繼續(xù)擴充，甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)新的裂縫，最終在邊坡底部集聚大量應(yīng)力，使得巖石的強度被破壞。這部分應(yīng)力直接影響著邊坡支護載合的高低，因此充分預(yù)測這部分應(yīng)力能夠有效縮減對于邊坡的影響程度。第四，人為因素的影響。首先，在對露天煤礦進行爆破處理時，一般會因為爆破產(chǎn)生的震蕩力使得邊坡巖體中的應(yīng)力出現(xiàn)改變，致使產(chǎn)生應(yīng)力聚集問題，進而導(dǎo)致裂縫的擴充。其次，在采剝工作推進期間，通常會因為監(jiān)管不當(dāng)，例如，在采剝工作中調(diào)度監(jiān)管不合理，有關(guān)施工人員在露天煤礦邊坡的坡底實施采掘工作，在這種情況下產(chǎn)生浮石等風(fēng)險，進而使底層整體的穩(wěn)固度受到干擾。最后，對臺階的高度和寬度設(shè)計不夠科學(xué)，通常必需設(shè)計較大的邊坡角度。

3.邊坡穩(wěn)定性分析

影響邊坡穩(wěn)固度的因素是多種多樣的，例如，礦山地質(zhì)問題、水文條件、邊坡形狀、采掘工藝、經(jīng)濟情況等等。各種因素間都有密不可分的聯(lián)系性，互相影響互相作用。以下主要總結(jié)了三種分析邊坡穩(wěn)固性的方式：第一，彈塑性力學(xué)核算方式。經(jīng)過對微元的應(yīng)力進行核算來評判微元是不是能夠進行拉伸、屈服、彎折和斷裂等，通過這種方式來評判是不是能夠使材料的部分或者全部進行損壞。第二，極射赤平投影辨識方式。之所以會出現(xiàn)不同類型坍塌情況，重點是因為地質(zhì)間斷面和采掘面間存在差異性的幾何關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的，這類斷面幾何體可以用極射赤平投影方式來展現(xiàn)。現(xiàn)階段，應(yīng)用最為普遍的極射赤平投影包括：施密特網(wǎng)以及吳爾福網(wǎng)。第三，剛體極限平衡分析方式。一幫能夠假設(shè)成任何一個滑移面，在滑移面中的屈服部分所遭遇的損壞無法滿足所有局部，但是能夠滿足整體性。是不是會出現(xiàn)滑移問題，重點是滑體的滑動強度、滑動速度和滑床決定的。

一般能夠辨別FS的值數(shù)，以此評判平衡情況，針對煤礦的工作情況來講，其參數(shù)一定不能低于1.2。

4.防治措施

第一，治理水害。地表排水方式一般會在邊坡的坡面處開設(shè)適用的排水溝槽，另外針對裂縫來講，可實施深度充填處理，從而達成密封的目的。第二，優(yōu)化生產(chǎn)。對于開采期間造成的爆破震蕩情況，一般可優(yōu)化爆破的方法，對爆破數(shù)值進行持續(xù)調(diào)節(jié)，在縮減炸藥的適用量期間可利用預(yù)裂爆破法和緩沖爆破法等方式，以充分降低對于邊坡的損壞程度。第三，其他方案。一般來講，露天煤礦邊坡要比煤炭裸露在環(huán)境中的時間長很多，所以應(yīng)該利用一些方法對邊坡煤炭進行遮蓋，以免產(chǎn)生煤炭自燃問題，進而降低了邊坡的穩(wěn)固度。在工作環(huán)境良好的狀態(tài)下，可利用靠幫內(nèi)排的方法實施處理工作，進而充分降低邊坡外露的時長，最終有效提升邊坡的穩(wěn)固性。第四，露天開采場地邊坡設(shè)置參數(shù)的推薦。露天采掘最后的邊坡角度、臺階邊坡角度和邊坡采掘各個部分的巖石情況，構(gòu)造面生產(chǎn)情況、綜合狀態(tài)和邊坡之間的空間聯(lián)系、采掘擾動詳情與邊坡出現(xiàn)時長等具有較大關(guān)聯(lián)性，當(dāng)前計劃的邊坡角主要是按照現(xiàn)在項目地質(zhì)情況與煤礦采掘詳情明確的，在后續(xù)生產(chǎn)過程中，煤礦企業(yè)可以綜合深處暴露的巖石地質(zhì)詳情，在存有不穩(wěn)固因素的區(qū)域?qū)吰逻M行放緩設(shè)置，確保采掘工作的安全性。

5.邊坡監(jiān)測手段

第一，對邊坡應(yīng)力進行監(jiān)測。現(xiàn)階段，通常會將監(jiān)測設(shè)備安置在錨桿上，由此使用的監(jiān)測方式主要有三種，包括：（1）錨桿尾部監(jiān)測法。（2）錨桿桿體串接振弦監(jiān)測法。（3）錨桿表層貼片監(jiān)測法。用到的傳感器種類也很多，包括：機械方式、電氣方式、廣彈方式和液壓方式等。第二，滲流監(jiān)測。在實際工作中總結(jié)導(dǎo)致邊坡垮塌的因素非常多，而水和邊坡角度的設(shè)置是其中最大的干擾因素，所以需要對自然降水和地下水開展充分的監(jiān)督控制工作。就地下水滲漏的問題來講，孔隙水壓力對邊坡的穩(wěn)固度具有關(guān)鍵的影響力，現(xiàn)階段，國內(nèi)在對裂痕水壓和孔隙水進行監(jiān)控時均是采用水壓計來進行的。

6.結(jié)束語

總之，在進行邊坡工程施工的過程當(dāng)中，其所面對的施工環(huán)境相對復(fù)雜，邊坡失穩(wěn)的處理技術(shù)尤為重要，對此，應(yīng)當(dāng)對邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象展開全面系統(tǒng)的分析，依據(jù)相關(guān)工程的設(shè)計方案對礦山邊坡所存在的潛在危險采用合理科學(xué)的解決方案，盡可能的減少礦山邊坡的安全問題。分析露天礦山邊坡的安全問題，明確其影響因素和發(fā)生原因，相應(yīng)的采用一些辦法來對相關(guān)管理進行優(yōu)化，盡量從根本上來使邊坡的穩(wěn)定性得以提升，降低滑坡、失穩(wěn)問題的發(fā)生率，進而提升采掘作業(yè)安全性。