建筑用砂巖礦露天采場穩定性評價及治理措施研究

楊建勛

（深圳市地質局，廣東 深圳 518023）

我國是全球砂石需求量最大的國家，約占世界砂石骨料用量的45%，隨著我們基礎設計建設力度的不斷加強，預計我國對砂石骨料的需求將不斷增大。礦產資源的開發利用成為我國經濟發展的關鍵因素，但露天礦邊坡穩定性問題一直是困擾露天開采的難點問題，也是關乎露天礦生產安全的關鍵性問題[1]。因為，露天礦山邊坡穩定性問題的研究顯得尤為重要。本文基于廣東省清遠市某建筑用砂巖礦為研究對象，開展對礦山邊坡穩定性的研究。

1 露天采場現狀

礦山于2016年11月申領采礦證開始進行基建，2017年正式投產。礦山前期開采因受多方面因素制約，未嚴格執行“至上而下”開采。礦山已基本完成剝離工作，目前形成面積約0.55km2的不規則采場。采場最低標高+322.54m（東南部集水池），最高+642m（西側邊坡坡頂），相對高差319.46m。露天采場邊坡表土層臺階坡面角大部分為45°，局部因順層滑坡自然形成坡面角約30°～40°的邊坡；巖質邊坡大部分臺階坡面角60°～70°，局部因順層滑坡自然形成坡面角約30°～40°的邊坡。目前礦山開采邊坡呈“凹”形分布依據邊坡的朝向特性，將礦區邊坡分為東南向、西南方向和北方向、東西方向；礦山邊坡分層開采，單層坡高15～30m，坡度55°～85°。

2 地質環境背景

2.1 氣象水文

礦區靠近北回歸線，屬典型的南亞熱帶季風候區，冬無嚴寒，夏無酷熱，氣候溫和。據氣象資料，區內多年平均降雨量為2143.2mm（1993～2019年），年最大降雨量2739.5mm（1997年），本區為廣東省暴雨中心之一，最大日降雨量253.4mm（1997年5月8日），最大時降雨量47 mm（2001年9月1日）。區內降雨量時間上分布不均勻，主要集中在每年4～9月的汛期，約占全年降雨量的80%，而且多為暴雨。區內多年平均水面蒸發量的變化幅度不大，約在1200～1300mm之間，變化趨勢為由南向北遞減。

本區降水豐富，是廣東省三大降雨量高值區之一，極端降雨等氣象因素對礦山開采的邊坡安全有較大的影響，綜合評定礦區氣象水文條件復雜。

2.2 地形地貌

礦區處于低山丘陵地貌單元，位于低山與山前堆積平原分界附近，低山呈北東向展布，周邊地面標高+140～+645m不等，總體地勢西北高，東南低，地形起伏大，自然坡度高、陡，一般20°～45°，局部呈70°～90°陡崖狀，因受長期剝蝕切割作用，山體溝壑起伏、溝谷密布。區內溝谷走向主要由2條近東西走向的下切溝谷控制，屬于暴雨型溝谷。礦區內植被茂盛，為人工桉樹種植林區，以桉樹及雜草為主，局部地段巖石裸露。綜上所述，礦區地形地貌條件復雜程度為復雜。

2.3 工程地質巖組

礦區基巖主要為松散軟弱巖類和層狀巖類組成。松散軟弱巖類為風化殘坡積土及強—中風化巖帶覆蓋，覆蓋層厚度7.8～29.5m，具有粘性差、穩定性差、吸水率高、易形成超飽和狀的特點。層狀巖類包括寒武系高灘組（∈g）及泥盆系桂頭群楊溪組（D y）和老虎頭組（D l）組成，原巖巖性復雜，包括寒武系高灘組（∈g）的泥質粉砂巖、細砂巖、雜砂巖、粉砂巖，泥盆系桂頭群楊溪組（D y）石英砂巖、含礫砂巖，砂礫巖和老虎頭組（D l）中粒、細粒石英砂巖、粉砂巖、頁巖等組成，層狀巖類傾向120°～155°，傾角30°～50°，與擬治理邊坡傾向一致。

2.4 地質構造

區內地質構造相對較為簡單，斷層構造不發育。但變質砂巖節理裂隙較發育，沿裂隙節理面風化作用強烈。評價區地層巖石種類較多，地質構造簡單、但節理較發育，區域地殼穩定性屬于基本穩定，考慮到地層產狀傾向與擬治理邊坡傾向，綜合評價地層巖石及地質構造條件復雜。

2.5 地下水

根據地下水賦存條件及鉆探揭露特征，擬治理區地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水和層狀裂隙水兩類。考慮到評價區匯水面積大、地形高陡、大氣降雨對治理工程有較大的影響，綜合水文地質條件復雜程度為中等。

3 露天采場邊坡分級

根據礦山開采設計，擬治理邊坡相對高差295.5m，屬高邊坡，邊坡高度等級指數H為2級；露天采場邊坡總邊坡角為50°，屬陡坡，坡度等級指數A為1級；礦山水文地質條件為中等，工程地質條件為復雜等級，根據就高原則，地質條件等級指數G為1級。則因此，露天采場邊坡邊坡變形指數D=H+A+G=2+1+1=4，安全監測等級為一級。

根據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》（GB 51016-2014），邊坡高度等級為3級，邊坡危害等級為Ⅰ級，邊坡工程安全等級為Ⅰ級。

擬治理邊坡潛在威脅人數約45人，潛在經濟損失約5000萬元。根據《廣東省地質災害危險性評估實施細則》（2019年修訂版），其地質災害危害程度等級嚴重。根據《滑坡防治工程勘查規范》（DZ/T 0218-2006）表6，危害對象等級劃分為一級。根據《滑坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T 0219-2006）邊坡防治工程分級為一級。綜上露天采場邊坡工程等級定為一級。

4 邊坡穩定評價

4.1 土質邊坡穩定性評價

采用圓弧滑動法對邊坡的安全性進行估算，結果表明，在一般天然條件下，土質邊坡的邊坡處于穩定狀態。但是當降雨量使邊坡土體處于飽和狀態時，穩定性明顯降低，發生崩塌、滑坡的可能性增大。

預測擬治理邊坡中的土質邊坡發生崩塌、滑坡的可能性在一般氣象條件下小，危險性小，危害性小。但在降雨量使邊坡土體處于飽和狀態時，發生崩塌、滑坡的可能性中等，危險性及危害性中等。危害對象主要為邊坡下面的作業人員及機械設備。

4.2 巖質邊坡穩定性評價

（1）邊坡面與地層（礦體）傾向基本一致的邊坡（順向坡）。根據勘查報告結合現場調查，礦體產狀為120°～155°，傾角30°～50°。位于礦區西側，拐點為：5-6-7-8-1-2組成的邊坡面（即開采面）與地層（礦體）傾向基本一致的邊坡（順向坡），本邊坡覆蓋層為7.8～29.5m左右，覆蓋層按土質邊坡考慮，巖質邊坡最高為280m，整個邊坡最高處達295m。本段巖質邊坡高度按285m考慮（扣除上部的土層邊坡），邊坡走向總體按40°～50°考慮，最終坡角不小于50°計，礦層的傾向基本與開采面一致，傾角為30°～50°。

通過用赤平投影進行分析，可知，本段邊坡的巖層傾角、傾向、坡角及走向決定了很有可能產生順序滑動，導致邊坡失穩，因此，預測產生滑坡、崩塌的可能性大，危險性大，危害性大。應調整邊坡角，使邊坡角小于礦層的傾角，以降低順層滑動的可能性。

（2）邊坡面與地層傾向垂直的邊坡。在本礦區的露天采場中，按方位可分為東、西兩段，其中西段為拐點4～5之間的地段；東段為拐點2～3點之間地段。西段坡面傾向為45°，坡度最終為50°，臺階高度為15m，最終邊坡高度為185m，地形傾向與坡面基本垂直，但發育三組裂隙，其產狀分別為135°∠62°、210°∠70°、240°∠50°。

對以上節理進行赤平投影，節理②、③傾向與邊坡傾向夾角較大，節理①傾向也與邊坡傾向夾角接近垂直，但三組節理與邊坡相交時，把邊坡切割成一個楔形體，因此，易發生發生崩塌、滑坡。節理交線傾角方向控制了楔形滑體的滑動方向，交線傾伏的角度決定了滑動的趨勢。本邊坡交線傾伏角大約60°左右。因此，如果邊坡坡角大于60°時，則很可能產生滑坡或崩塌。

預測本段邊坡產生滑坡、崩塌的可能性較大，危險性較大，危害性大，危害對象主要為作業人員、施工設備及運輸車輛等。

（3）邊坡面與地層（礦層）傾向相反的邊坡（反向坡）。在露天采場中，主要拐點為3～4之間的地段。地層傾向與坡面正好相反，即反向坡，最高坡高約165m，平均坡高約100m左右，由于層面有三組節理、裂隙均與坡面基本垂直，產生滑坡、崩塌的可能性小，不會對開采面的穩定性有大的影響。但也不能排除局部有楔形破壞，形成崩塌，開采過程中要注意裂隙發育的情況，及時調整開采系數，避免楔形破壞。

預測本段邊坡產生滑坡、崩塌的可能性小，危險性小，危害性小，危害對象主要為作業人員、施工設備及運輸車輛等。

綜上所述，采場邊坡發生崩塌、滑坡的可能性大，必須采取治理措施。建議將邊坡面與地層（礦體）傾向基本一致的邊坡（順向坡）臺階坡面角調整為平均35°以下，以杜絕順層滑坡的可能性，并根據地層產狀的揭露情況實時進行調整。建議將其他邊坡臺階坡面角調整至60°以下，以減小因楔形體產生的崩塌、滑坡。

5 治理工程措施

根據采場邊坡的形態特征、工程地質性質等特點，選擇安全可靠、經濟合理、技術可行、施工可行、盡量減少治理工程對周邊環境的影響的原則，充分分析前期地質勘查工作成果的基礎上。針對影響邊坡穩定性的控制因素、施工環境條件等，開展治理設計。

經過對勘查報告的研讀和詳細的現場調查，根據現行相關規定、規范，以地質環境綜合治理，徹底消除地質災害隱患，并兼顧“礦地統籌，先礦后地”的原則，規劃同步開展生態修復及后期的礦山景觀公園建設，同時考慮經濟可行的原則，建議采場邊坡邊坡治理項目邊坡采用“削坡卸載+截排水+綠化+監測”的方案進行治理。通過采取上述綜合措施后，使擬治理區達到穩定和安全要求，治理后環境更加友好，更利于礦山閉坑后的土地復墾及生態環境修復。

6 結論

（1）礦區氣象水文條件復雜；礦區地形地貌條件復雜程度為復雜；地層巖石及地質構造條件復雜；水文地質條件中等；工程地質條件復雜；綜合評定礦區地質環境條件為復雜。

（2）采場5-6-7-8-1-2組成的邊坡面（即開采面）與地層（礦體）傾向基本一致的邊坡（順向坡）順坡向卸載裂隙發育，且頻發小—中型崩塌滑坡，可判別為可能失穩的邊坡。邊坡現處于不穩定狀態。若不進行治理，極有可能發生多層多級順層滑坡。

（3）建議地質環境綜合治理，徹底消除地質災害隱患，并兼顧“礦地統籌，先礦后地”的原則，規劃同步開展生態修復及后期的礦山景觀公園建設，同時考慮經濟可行的原則，建議采場邊坡治理項目邊坡采用“削坡卸載+截排水+綠化+監測”的方案進行治理。

（4）通過工程治理預期可達到大幅降低礦山露天采場邊坡安全隱患、改善景觀、實現自然資源節約集約利用的目的。有利于閉坑后的土地復墾及生態環境恢復，有利于土地資源的節約集約利用。可達到安全、合理、有效以及最大化的回收與利用資源，實現社會效益、生態環境效益與經濟效益相統一。