露天矿山的边坡治理安全技术

甘泽勇

（中国非金属材料南京矿山工程有限公司，江苏 南京 210016）

露天矿边坡稳定性研究历来是露天矿安全生产的关键技术问题，并一直是岩石力学等相关学科的基本命题。回顾历史，露天矿边坡稳定性研究经历了由经验到理论、由定性到定量、由单一评价到综合评价、由传统理论和方法到新理论、新方法、新技术的发展过程，对确保矿山边坡稳定起到巨大作用。

1 边坡失稳因素

1.1 地质因素

由于岩土体中存在的空隙、裂痕等都会增强吸水能力以及抗拉强度增加。由于在地质中存在断层或者破碎层等，不仅可以产生水流通的通道，而且水和软土层相结合形成滑移面，最终影响边坡的稳定性。

1.2 人为因素

①在爆破露天矿山的过程中，通常因爆破震动而导致边坡岩石内部的应力发生变化，导致出现应力集中的现象，从而诱发裂痕扩展等。②在实施采剥作业的过程中，存在管理不当的问题，比如在采剥时调度管理不科学，相关工作人员从露天矿山边坡的底部进行开采，在使用该方式之后出现浮石与空等危险的地带，从而给整个底层的平稳性带来较大的影响。③台阶宽度与高度设置不合理，往往需要设置比较大的边坡角度。

1.3 环境因素

①通常降雨量对边坡构成威胁，在我国降雨量比较大，往往发生泥石流的情况比较多，又会引发泥石流等自然灾害。相对于地下水渗流而言，空隙水压力对边坡稳定性会造成严重的威胁，当空隙水压增大时，表明边坡的有效应力变小，从而出现边坡稳定性急剧下降。②温度变化对岩石的影响，岩石表面随着温度的不断增加岩石会进一步风化，从而降低岩石的机械性能。

2 边坡稳定性分析

作为矿山安全高效生产的重大影响因素，矿山边坡稳定性研究一直在岩体力学的相关研究中占有重要地位。对于露采边坡稳定性的研究方法也从早期的靠个人经验定性分析，逐步发展到现在的通过新理论、新方法和新技术对矿山边坡稳定性进行定性与定量、经验与理论相结合的综合分析。目前，工程地质分析法、极限分析法、极限平衡法、数值分析法以及可靠性分析法是矿山边坡的稳定性分析中最为常见的几种方法。

2.1 工程地质分析法

通过总结以往矿山生产的相关经验，对边坡的变形破坏模式以及破坏机理、变形地质体的成因及其演化史等影响矿山边坡稳定性的相关因素进行分析，进而得出相关的结论。地质成因演化论、岩体结构控制理论以及工程地质类比法是其理论基础。该法在确定复杂地质条件下的边坡破坏模式和力学机制方面十分有效，为实现边坡稳定性的定量研究打下了基础。

2.2 极限分析法

于1952年由Prager和Drucker提出的，在上世纪的70年代潘家铮院士提出了用于滑坡极限分析的极大极小值原理。该方法是以极限状态时，外荷载和自重所做的功等于滑动面上阻力所消耗的功为条件，通过假设边坡体是服从流动法则的理想塑性材料，从而构造协调的速度场或应力场来求解上限或下限极限荷载从而求得边坡极限荷载与安全系数。由于极限分析法对于复杂荷载及环境条件的变化缺乏考虑，且求解相当困难，因此该方法在工程应用较少。

2.3 极限平衡法

作为最简单、最基本的方法在各勘察设计规范中得到广泛应用，通过人为假定一个处于极限平衡状态下的滑动面，然后把滑动面上部的滑体划分成有边界的刚体条块，再通过在条块之间建立静力平衡方程分析其受力，最终通过求解得到边坡的稳定系数。极限平衡条分法早期是由瑞典人彼德森于1916年提出，极限平衡法的力学模型较为简单，可以快速获得边坡稳定性系数从而对边坡稳定性进行定量评价。

2.4 数值分析法

主要是随着计算机的不断进步而衍生出来的定量分析方法。数值模拟方法可以对材料的应力和应变关系进行模拟，有效的处理材料的非均一性和各向异性以及复杂的边界条件，通过将模拟对象看成可变形体，模拟出边坡内的位移场分布、应力分布和塑性区的范围等，为定量评价边坡稳定性问题创造了条件。数值模拟分析方法主要有有限差分、快速拉格朗日、离散元、有限单元、不连续变形、边界元、流形元等。在上述方法中，有限元法是一种较成熟的数值方法，是目前运用最广泛的数值分析方法之一。此法拥有着严密的理论体系，考虑了滑面的应力——应变关系，对于边坡变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。缺点是需要求解大型方程组，不能有效的解决位移不连续和大变形等问题。为了弥补有限元法的不足，美国的Cundall教授提出了快速拉格朗日法和离散单元法，这两种方法在解决非连续的、离散的问题和大变形的问题这两方面比较具有优势，但是，快速拉格朗法和离散元法缺乏严密的理论基础，其计算结果缺乏说服力。此外，流形元、连续变形分析方法等数值方法也在边坡稳定性分析中得到了广泛应用，这些方法尽管仍存在着不足，但却加深了人们对于边坡破坏机理的理解认识。

2.5 可靠性分析法

借用了可靠性分析理论将矿山边坡工程中的不确定因素视为随机变量，认为边坡稳定性分析中安全系数和强度参数都是符合某种概率分布的函数，用破坏概率来对边坡的稳定性进行分析的一种方法。这种综合各种随机因素的分析方法将会成为未来边坡稳定性分析的一种发展趋势。20世纪70年代后期马鞍山矿山研究院最早将可靠度理论引入矿山边坡的研究中。

虽然对于矿山边坡稳定性分析方法的相关研究有了极大的改进，也有效的处理了很多的工程实际问题，但是现有的各种方法仍有各自的不足，理论上的不足再加上不同矿山边坡岩体性质的不同从而导致单一的计算结果并不能有效的反映矿山的真实情况。因此，对于每一个矿山都需要具体分析，针对矿山边坡进行多方面的考察和研究，选取恰当的分析方法有针对性的对边坡稳定性进行分析和处理，最终得出符合矿山实际情况的研究结论。

3 边坡治理措施

通常情况下，在治理边坡的过程中选用如下几种方式：第一，刷方减载；第二，反压坡脚；第三，排水疏干；第四，绿化防护；第五，加固坡体等等。同时依据防护的重点而划分为如下几个部分。

3.1 水害治理

地表排水法通常在边坡坡面位置设置合理的排水沟，同时对于裂缝而言，可以进行深度填充，以达到密封的效果。

3.2 滑塌治理

可以采用缓坡清理与减重压脚法来减小下滑力与增大抗滑力。不断增加岩体的强度，其方式包括如下几种：第一，锚杆加固；第二，抗滑桩；第三，喷射混凝土；第四，注浆防渗等。

3.3 生产优化

针对生产引发的爆破震动问题，通常可以对爆破方式进行优化，不断调整爆破参数，在降低炸药用量时可以选用缓冲爆破以及预裂爆破等技术，这样可以有效的减少对边坡破坏强度。

3.4 绿色生态防护

对于边坡植物绿化问题上，通常需要依据参考如下方面采取措施：机械化程度、经济性等，另外，最具代表性的生态防暑施工技术由液压喷播、客土喷播以及对应的喷混植生构成，此方式能够彰显边坡绿化的理念。

3.5 其他措施

通常情况下，露天矿边坡在空气中的时间要远高于煤层，因此需要对边坡煤层实施覆盖，防止出现煤层自燃的现象，从而导致边坡失稳。当工况条件比较好时，可以采取靠帮内排的方式进行处理，从而可以有效的减少边坡出露时间，进而能够极大地提高边坡稳定系数。

4 边坡监测手段

4.1 边坡位移监测

可以采用GPS监测方式对边坡岩体进行全面的监测诸如：第一，大面积移动情况；第二，内部变形情况；第三，表面岩体移动情况。随着GPS技术的不断发展，能够实时监测形变体上的精确三维坐标。通过对采集到的数据进行分析，从而可以判断变体的健康情况，最终可以为科学决策提供有力的支撑。

4.2 边坡应力监测

当前，监测仪器广泛的安装在锚杆中，其产生的监测方法有如下几个：第一，锚杆尾部测力法；第二，锚杆杆体串接振弦测力方法；第三，锚杆表面贴片测力法。涉及的测力传感器比较多诸如如下几种：机械式、电气式、光弹式以及液压式等。

4.3 爆破振动监测

经过工程实践发现，爆破振动对露天边坡的稳定性产生较大的影响，同时高强度的振动将导致边坡出现松动。现在，流行的监测方式主要有如下两种：第一，振动检测法；第二，声波监测发，其中前者可以借助拾振仪实现对爆破位置的振速进行监测，以此查看振动情况，后者可以使用超声波技术，其工作原理为：依据超声波在岩石中的传播速度以及岩体的密度等情况，对地质的情况进行判断，其往往可以借助超声波在岩体中的传播速度来判断岩石的各种参数。

4.4 渗流监测

经过工程实践发现边坡灾难的影响因素比较多，其中影响最大的有水、边坡角度等，由此可以看出必须对降水量以及地下水进行严格的监督。从地下水渗透而言，孔隙水压力在边坡稳定性方面尤为重要，当前，我国在监测孔隙水以及裂痕水压时主要选用水压计。

5 结语

综上所述，岩石工程中，边坡的稳定性是长期研究的重点。总而言之，在实施边坡工程的时候，由于施工工况比较复杂，因此，处理边坡失稳技术非常重要。因此，必须对边坡失稳技术进行全面的分析，在进行工程实践的过程中，通常依据设计方案调研边坡存在的危险，同时选用科学的解决办法，从而最大限度提高边坡的安全性。