露天矿边坡稳定性影响因素分析

王志城 刘杰 姜昕健

摘 要:本文从分析露天矿边坡稳定性的重要性入手,系统总结了露天矿边坡稳定性的特点,分析了影响露天矿边坡稳定性的因素,并按内因、外因对各影响因素进行了分类;最后根据各影响因素对露天矿边坡稳定性产生影响的机理与方式不同,提出了预防露天矿边坡失稳的简要措施。

关键词:露天矿边坡稳定性影响因素

中图分类号:TD8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(a)-0110-02

随着科学技术发展,露天采矿工程边坡已经成为困扰矿山安全生产的重要问题[1],其稳定性是保证矿山正常生产的先决条件。露天矿山开挖后在一定程度上破坏和扰动原来较为稳定的岩体而形成新的人工边坡,随着回采工作的逐年推进,大量的永久性边坡随之形成。它们的稳定性随着时间的延长逐渐降低,对生产、生活的安全威胁将会随之增大。因此,对露天边坡稳定性影响因素的分析也就变得尤为重要。

1露天矿边坡特点

边坡失稳是指在采矿过程中边坡的土体在自身重力和外界作用力下失去原有平衡,出现滑坡、坍塌等现象。与其他岩土工程相比,露天矿边坡稳定性具有如下特点[2,3]:

(1)露天矿边坡一般较高,高度从几十米到几百米不等,边坡走向从几百米延伸可达数公里,因而边坡揭露的岩层多,边坡各部分地质条件差异大、变化复杂。

(2)露天矿的边坡是由上往下逐步形成,高陡边坡越往上稳定性越差,软弱夹层较多,受风化、地表水侵蚀的时间较长,易产生滑坡现象。上部和下部边坡的服务年限相差较大,因此在实际生产中对上部边坡和下部边坡的稳定性也有不同的要求。

(3)露天边坡采用爆破、机械开掘形成,岩体完整性遭到破环,故边坡岩体较破碎不稳定。在露天矿中每天进行的大量的爆破活动使边坡经常受到震动,对边坡的稳定性会造成一定程度的不利影响。

(4)露天矿场频繁的爆破作业和车辆运行,使边坡经常受到动荷载的作用。同时随着采掘、运输及其他设备日益大型化,边坡台阶的负荷有日益增大的趋势。这也使得对边坡稳定性要求越来越高。

2露天矿边坡稳定性的影响因素

影响露天边坡稳定性的因素,分为内因和外因两方面。内因影响主要包括岩性、岩体结构、地质构造等;外因影响主要包括水、震动、构造应力、自然风化与气候、开采技术条件、人为因素[3～6],等。

2.1 内因影响

(1)岩性。岩性包括岩石的化学水理和物理力学性质。岩石在饱和水条件下的力学强度是影响边坡稳定的重要因素。一般的,容重、纵波波速大的岩石,通常有较高的力学强度,强度高的岩石边坡稳定性也高;而湿度大、可溶性强、吸水性强、软化性大、抗冻性差的岩石力学性质较弱,极不利于边坡稳定。

(2)岩体结构。岩体结构包括两个因素,即结构面和结构体。结构面是指岩石物质分异面及不连续面,具有一定方向、一定规模、一定形态和特性的面、缝、层、带状的各种地质界面。结构体是由不同产状的各种结构面组合起来,将岩体切割单元块体而成的。

(3)地质构造。地质构造因素,包括区域构造特点、边坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙发育特征、破碎带、极不稳定的软弱夹层和遇水膨胀的软弱面形成的弱面,及区域新构造运动活动等。

2.2 外因影响

(1)水。水对边坡的稳定性有显著影响。露天矿滑坡大量发生在雨后、解冻时期,因疏干排水方法不当所致。地下水富集程度的提高一方面增大坡体下滑力;另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪强度,引起孔隙水压力上升,降低滑动面上的有效正应力,导致滑动面的抗滑力减小,从而导致边坡失稳。

(2)震动。当爆破地震波在岩体中传播时,给岩体的潜在破坏面以附加的振动力,使边坡围岩中的剪应力增大,原有的裂纹裂隙扩展和延伸,原生结构面和构造结构面的规模增大,并且还产生次生结构面（爆破裂隙）,从而破坏了岩体的整体结构,降低了整体强度;使地下水状态发生改变,直接或间接地影响到滑移处的阻滑能力。生产爆破长年反复对边坡产生的动载冲击作用,将使上述破坏效应得到不断的加强和延续,产生近似材料的蠕变或岩石内部的损伤积累,当这种蠕变或损伤积累超过边坡稳定的临界值,则发生边坡的失稳。

(3)构造应力。边坡岩体除受自重应力外还受地质构造的残余应力、水应力、震动应力等影响。岩体因自重引起的铅直应力等于单位面积内上覆岩层重量,铅垂应力δl=γH,而平均水平应力随深度增加甚至有可能超过铅直应力值。构造应力会增强边坡岩体向采空区变形,使原有裂隙进一步扩大或造成新的裂隙,降低岩体强度,减小边坡的稳定性。

(4)自然风化与气候。矿山开采后由于边坡长时间裸露,造成矿岩自然风化,易产生滑坡,时间越长越容易发生滑坡。通常,风化速度与岩石本身的矿物成分、结构构造和后期蚀变有关,同时也与湿度、温度、降雨、地下水以及爆破震动等因素有关;气候影响是指雨量、降雨频度、积雪、地表水流量、排水方式等对边坡稳定性的影响。

(5)开采技术条件。开采技术条件包括边坡角、台阶组成形式、开采程序、推进方向以及穿爆工艺等。通常边坡角越小边坡越稳定,上部较缓下部较陡的边坡比上部陡下部缓的边坡稳定;边坡出露的时间越短越稳定;爆破震动作用也会影响边坡的稳定性。

(6)人为因素。由于对影响边坡稳定的因素认识不足,在生产中往往人为地促使边坡破坏。如边坡维护和管理不到位,作业人员违章操作;在边坡上堆积废石和设备以及建筑房屋等,加大了边坡上的承重,增加了岩体的下滑力;挖掘坡脚,减小了岩体的抗滑力。

3防治露天矿边坡失稳破坏的措施

在露天矿山开采的过程中,随开挖作业的变化边坡稳定性也在不断地变化。为减少边坡事故的发生,杜绝产生不必要的损失,我们可以采取以下的措施:

(1)加强地质勘查。对矿区地质进行勘查是确保边坡稳定性的基础。应对矿区岩石类型、水文地质、岩体结构面、自然边坡及滑落情况等进行深入透彻地了解。

(2)控制爆破技术。控制爆破技术是减少爆破震动对边坡影响的关键措施,主要从减小震源的爆炸能量与阻断或减弱地震波的传播两个方面来考虑。

(3)降压疏干。降压疏干的目的是把边坡地段内水压力降到允许范围之内。

(4)人工加固。主要有以提高岩体的粘结强度为主的注浆加固法和以增加滑动面摩擦力为主、外加支挡结构的加固法,等等。

(5)合理安排开采顺序。确定合理的台阶高度,进行分层回采。对于小型露天矿,有条件的均应采用分层开采,使较高的采场分成几个台阶开采,以降低边坡的相对高度。

(6)采取减重措施。利用削坡、压坡脚等减重措施来减少边坡承受的压力。运用缓坡清理的方式,实现对滑体上部或中上部进行削坡来达到减小边坡角及下滑力的目的,从而抑制滑坡体进一步发展。

(7)建立边坡监测系统。矿山边坡监测与治理是优化边坡设计和保证边坡安全的重要措施。一般分为地表位移监测、岩体内部位移监测和水压监测等。应用最多的是地表位移监测系统。矿山应建立地表岩层移动监测站,定期对地表和坡面进行水平和垂直位移测量。建立切实可行的边坡管理及检测制度,配备专门的边坡管理人员,并定期对边坡的稳定性能进行测试,对边坡的失稳事故制定一定的紧急预案。

4结语

与井工开采相比,露天开采较为安全,资源回收率较高,采场作业空间大,生产能力大,建设速度较快。但露天矿边坡稳定问题仍威胁着生产安全。露天矿边坡是矿山重大的安全性工程,必须克服由于时间的推移、工程条件的变化所造成的安全系数和可靠性降低的情况,必须根据动态变化提高和改善边坡的稳定性。随着人们对影响边坡稳定性因素的进一步深入研究,其解决办法也将不断的完善,从而减少由边坡引起的事故。但是,露天边坡稳定性尚存在大量急需研究解决的核心理论与技术问题,且这些问题的解决直接关系着边坡稳定性理论系统的完善及其在现场的应用。相信在广大科研工作者的共同努力下,露天边坡稳定问题一定能够尽早得到完善,使矿山工程在安全的前提下得以顺利进行,确保矿山正常的生产秩序。

参考文献

[1]杜计平,孟宪锐.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[2]朱振华.露天边坡稳定性分析及防治措施[J].采矿技术,2006,6(3):338～339.

[3]王思文,张绪杰,宋玉金.露天矿边坡稳定性的安全因素分析及防治建议[J].露天采矿技术,2011(3):21～23.

[4]李全明,付士根,王云海.露天开采边坡稳定性分析方法及灾害防治措施研究[J].中国安全科学学报,2007,17(2):55～60.

[5]赵洪宝,潘卫东.开挖对岩质边坡稳定性影响的数值模拟[J].金属矿山,2011,(7):32～35.

[6]姜汉磊.爆破震动对抚顺东露天矿边坡稳定性影响的分析[J]．露天采矿技术,2011,(5):44～46.