露天礦山的邊坡治理安全技術

甘澤勇

（中國非金屬材料南京礦山工程有限公司，江蘇 南京 210016）

露天礦邊坡穩定性研究歷來是露天礦安全生產的關鍵技術問題，并一直是巖石力學等相關學科的基本命題?；仡櫄v史，露天礦邊坡穩定性研究經歷了由經驗到理論、由定性到定量、由單一評價到綜合評價、由傳統理論和方法到新理論、新方法、新技術的發展過程，對確保礦山邊坡穩定起到巨大作用。

1 邊坡失穩因素

1.1 地質因素

由于巖土體中存在的空隙、裂痕等都會增強吸水能力以及抗拉強度增加。由于在地質中存在斷層或者破碎層等，不僅可以產生水流通的通道，而且水和軟土層相結合形成滑移面，最終影響邊坡的穩定性。

1.2 人為因素

①在爆破露天礦山的過程中，通常因爆破震動而導致邊坡巖石內部的應力發生變化，導致出現應力集中的現象，從而誘發裂痕擴展等。②在實施采剝作業的過程中，存在管理不當的問題，比如在采剝時調度管理不科學，相關工作人員從露天礦山邊坡的底部進行開采，在使用該方式之后出現浮石與空等危險的地帶，從而給整個底層的平穩性帶來較大的影響。③臺階寬度與高度設置不合理，往往需要設置比較大的邊坡角度。

1.3 環境因素

①通常降雨量對邊坡構成威脅，在我國降雨量比較大，往往發生泥石流的情況比較多，又會引發泥石流等自然災害。相對于地下水滲流而言，空隙水壓力對邊坡穩定性會造成嚴重的威脅，當空隙水壓增大時，表明邊坡的有效應力變小，從而出現邊坡穩定性急劇下降。②溫度變化對巖石的影響，巖石表面隨著溫度的不斷增加巖石會進一步風化，從而降低巖石的機械性能。

2 邊坡穩定性分析

作為礦山安全高效生產的重大影響因素，礦山邊坡穩定性研究一直在巖體力學的相關研究中占有重要地位。對于露采邊坡穩定性的研究方法也從早期的靠個人經驗定性分析，逐步發展到現在的通過新理論、新方法和新技術對礦山邊坡穩定性進行定性與定量、經驗與理論相結合的綜合分析。目前，工程地質分析法、極限分析法、極限平衡法、數值分析法以及可靠性分析法是礦山邊坡的穩定性分析中最為常見的幾種方法。

2.1 工程地質分析法

通過總結以往礦山生產的相關經驗，對邊坡的變形破壞模式以及破壞機理、變形地質體的成因及其演化史等影響礦山邊坡穩定性的相關因素進行分析，進而得出相關的結論。地質成因演化論、巖體結構控制理論以及工程地質類比法是其理論基礎。該法在確定復雜地質條件下的邊坡破壞模式和力學機制方面十分有效，為實現邊坡穩定性的定量研究打下了基礎。

2.2 極限分析法

于1952年由Prager和Drucker提出的，在上世紀的70年代潘家錚院士提出了用于滑坡極限分析的極大極小值原理。該方法是以極限狀態時，外荷載和自重所做的功等于滑動面上阻力所消耗的功為條件，通過假設邊坡體是服從流動法則的理想塑性材料，從而構造協調的速度場或應力場來求解上限或下限極限荷載從而求得邊坡極限荷載與安全系數。由于極限分析法對于復雜荷載及環境條件的變化缺乏考慮，且求解相當困難，因此該方法在工程應用較少。

2.3 極限平衡法

作為最簡單、最基本的方法在各勘察設計規范中得到廣泛應用，通過人為假定一個處于極限平衡狀態下的滑動面，然后把滑動面上部的滑體劃分成有邊界的剛體條塊，再通過在條塊之間建立靜力平衡方程分析其受力，最終通過求解得到邊坡的穩定系數。極限平衡條分法早期是由瑞典人彼德森于1916年提出，極限平衡法的力學模型較為簡單，可以快速獲得邊坡穩定性系數從而對邊坡穩定性進行定量評價。

2.4 數值分析法

主要是隨著計算機的不斷進步而衍生出來的定量分析方法。數值模擬方法可以對材料的應力和應變關系進行模擬，有效的處理材料的非均一性和各向異性以及復雜的邊界條件，通過將模擬對象看成可變形體，模擬出邊坡內的位移場分布、應力分布和塑性區的范圍等，為定量評價邊坡穩定性問題創造了條件。數值模擬分析方法主要有有限差分、快速拉格朗日、離散元、有限單元、不連續變形、邊界元、流形元等。在上述方法中，有限元法是一種較成熟的數值方法，是目前運用最廣泛的數值分析方法之一。此法擁有著嚴密的理論體系，考慮了滑面的應力——應變關系，對于邊坡變形和滲流作用的耦合計算有很大的優勢。缺點是需要求解大型方程組，不能有效的解決位移不連續和大變形等問題。為了彌補有限元法的不足，美國的Cundall教授提出了快速拉格朗日法和離散單元法，這兩種方法在解決非連續的、離散的問題和大變形的問題這兩方面比較具有優勢，但是，快速拉格朗法和離散元法缺乏嚴密的理論基礎，其計算結果缺乏說服力。此外，流形元、連續變形分析方法等數值方法也在邊坡穩定性分析中得到了廣泛應用，這些方法盡管仍存在著不足，但卻加深了人們對于邊坡破壞機理的理解認識。

2.5 可靠性分析法

借用了可靠性分析理論將礦山邊坡工程中的不確定因素視為隨機變量，認為邊坡穩定性分析中安全系數和強度參數都是符合某種概率分布的函數，用破壞概率來對邊坡的穩定性進行分析的一種方法。這種綜合各種隨機因素的分析方法將會成為未來邊坡穩定性分析的一種發展趨勢。20世紀70年代后期馬鞍山礦山研究院最早將可靠度理論引入礦山邊坡的研究中。

雖然對于礦山邊坡穩定性分析方法的相關研究有了極大的改進，也有效的處理了很多的工程實際問題，但是現有的各種方法仍有各自的不足，理論上的不足再加上不同礦山邊坡巖體性質的不同從而導致單一的計算結果并不能有效的反映礦山的真實情況。因此，對于每一個礦山都需要具體分析，針對礦山邊坡進行多方面的考察和研究，選取恰當的分析方法有針對性的對邊坡穩定性進行分析和處理，最終得出符合礦山實際情況的研究結論。

3 邊坡治理措施

通常情況下，在治理邊坡的過程中選用如下幾種方式：第一，刷方減載；第二，反壓坡腳；第三，排水疏干；第四，綠化防護；第五，加固坡體等等。同時依據防護的重點而劃分為如下幾個部分。

3.1 水害治理

地表排水法通常在邊坡坡面位置設置合理的排水溝，同時對于裂縫而言，可以進行深度填充，以達到密封的效果。

3.2 滑塌治理

可以采用緩坡清理與減重壓腳法來減小下滑力與增大抗滑力。不斷增加巖體的強度，其方式包括如下幾種：第一，錨桿加固；第二，抗滑樁；第三，噴射混凝土；第四，注漿防滲等。

3.3 生產優化

針對生產引發的爆破震動問題，通?？梢詫Ρ品绞竭M行優化，不斷調整爆破參數，在降低炸藥用量時可以選用緩沖爆破以及預裂爆破等技術，這樣可以有效的減少對邊坡破壞強度。

3.4 綠色生態防護

對于邊坡植物綠化問題上，通常需要依據參考如下方面采取措施：機械化程度、經濟性等，另外，最具代表性的生態防暑施工技術由液壓噴播、客土噴播以及對應的噴混植生構成，此方式能夠彰顯邊坡綠化的理念。

3.5 其他措施

通常情況下，露天礦邊坡在空氣中的時間要遠高于煤層，因此需要對邊坡煤層實施覆蓋，防止出現煤層自燃的現象，從而導致邊坡失穩。當工況條件比較好時，可以采取靠幫內排的方式進行處理，從而可以有效的減少邊坡出露時間，進而能夠極大地提高邊坡穩定系數。

4 邊坡監測手段

4.1 邊坡位移監測

可以采用GPS監測方式對邊坡巖體進行全面的監測諸如：第一，大面積移動情況；第二，內部變形情況；第三，表面巖體移動情況。隨著GPS技術的不斷發展，能夠實時監測形變體上的精確三維坐標。通過對采集到的數據進行分析，從而可以判斷變體的健康情況，最終可以為科學決策提供有力的支撐。

4.2 邊坡應力監測

當前，監測儀器廣泛的安裝在錨桿中，其產生的監測方法有如下幾個：第一，錨桿尾部測力法；第二，錨桿桿體串接振弦測力方法；第三，錨桿表面貼片測力法。涉及的測力傳感器比較多諸如如下幾種：機械式、電氣式、光彈式以及液壓式等。

4.3 爆破振動監測

經過工程實踐發現，爆破振動對露天邊坡的穩定性產生較大的影響，同時高強度的振動將導致邊坡出現松動。現在，流行的監測方式主要有如下兩種：第一，振動檢測法；第二，聲波監測發，其中前者可以借助拾振儀實現對爆破位置的振速進行監測，以此查看振動情況，后者可以使用超聲波技術，其工作原理為：依據超聲波在巖石中的傳播速度以及巖體的密度等情況，對地質的情況進行判斷，其往往可以借助超聲波在巖體中的傳播速度來判斷巖石的各種參數。

4.4 滲流監測

經過工程實踐發現邊坡災難的影響因素比較多，其中影響最大的有水、邊坡角度等，由此可以看出必須對降水量以及地下水進行嚴格的監督。從地下水滲透而言，孔隙水壓力在邊坡穩定性方面尤為重要，當前，我國在監測孔隙水以及裂痕水壓時主要選用水壓計。

5 結語

綜上所述，巖石工程中，邊坡的穩定性是長期研究的重點。總而言之，在實施邊坡工程的時候，由于施工工況比較復雜，因此，處理邊坡失穩技術非常重要。因此，必須對邊坡失穩技術進行全面的分析，在進行工程實踐的過程中，通常依據設計方案調研邊坡存在的危險，同時選用科學的解決辦法，從而最大限度提高邊坡的安全性。