露天矿边坡宏观破坏模式及稳定性控制方法

刘宇

【摘  要】露天矿开采过程中会产生大量的人工边坡，一旦边坡失稳，将严重威胁财产生命安全。论文概述了露天矿边坡的宏观破坏形式，阐述了露天矿边坡稳定性控制方法，对露天矿生产作业有一定指导意义。

【Abstract】In the process of open-pit mining， there will be a lot of artificial slopes. Once the slope is unstable， it will seriously threaten the safety of property and life. This paper summarizes the macroscopic failure forms of slope in open-pit mine， and expounds the stability control methods of slope in open-pit mine， which has certain guiding significance for the production and operation of open-pit mine.

【关键词】露天矿;边坡;宏观破坏模式;稳定性控制方法

【Keywords】open-pit mine; slope; macroscopic failure mode; stability control method

【中图分类号】TD824                                             【文獻标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）12-0176-03

1 引言

在露天矿生产作业过程中，由于开挖、废土排弃和运输系统布置等工程的实施，将会产生大量的人工边坡。相关数据显示，我国露天矿山中约有30%的边坡是不稳定的[1，2]。而一旦发生大规模边坡失稳，不仅会中断采场的生产作业，造成大量的经济损失，还会对采矿工人的生命造成严重威胁。因此，要进行露天矿边坡稳定性宏观破坏模式的研究，并以此为基础探索边坡稳定性的控制方法。

2 露天矿边坡特点

露天矿边坡相比于公路、铁路、水坝等其他人工边坡相比，具有以下特点：

①露天矿边坡是由上至下逐步形成的，随着露天矿开采深度和范围的增大，边坡高度也会越来越高，最终边坡高度可达几百米。

②露天矿边坡一般跨度走向较长，从几百米到数公里不等，因此边坡揭露的岩层较多，变化复杂[3]。

③露天矿采场生产作业中频繁的爆破、穿孔和大型车辆的走动，会对边坡产生持续的动载荷。

④露天矿采场边帮的每级台阶都会承担运输功能。

⑤露天矿边坡稳定性会随着开采作业的推进不断发生变化。

3 露天矿边坡宏观破坏模式

3.1 圆弧形破坏

圆弧形破坏是指在边坡失稳时，在滑体截面呈现出圆弧形的滑坡破坏，大多出现在外排土场、内排土场等松散体中。由于松散体在宏观统计学上属于均质岩土体，颗粒在各方向上受力均匀且近似相同，当其受到外力作用、雨水侵蚀或岩土体结构改变等因素，平衡状态被打破时，滑体就沿着平衡状态时的力矩相等滑面即圆弧轨迹滑出，从而形成圆弧滑面，如图1a所示。

3.2 顺层面滑动破坏

顺层滑面破坏是指沿已有结构面发生顺层滑动的破坏，在露天矿生产中多发生在大倾斜地层的工作边帮上。结构面一般由前期地质构造作用形成，主要有断层、节理、裂隙等，根据连续介质力学理论，不连续的结构面会导致两侧物理力学性能差异，且一般沿着结构面产生抗剪弱层，易产生滑动。顺层面滑动破坏模式有：

①牵引式破坏。当边坡斜坡下部受到开挖或爆破等扰动时，先行失去平衡，继而牵动上层岩土体滑动的破坏。

②推动式破坏。当边坡斜坡上部受到运载卡车等冲击载荷先行失稳，并挤压下层岩土体滑动的破坏。

③混合式破坏。即牵引与推动破坏的混合形式。顺层面滑动破坏如图1b所示。

3.3 楔形体破坏

楔形体破坏是指滑体呈现四面体的破坏，因其形成原因较苛刻，且状态不稳定，故在自然界中很少存在，但在人工边坡上较常见。当断层、裂隙、节理等软弱结构面相交时，结构面组合交线形成楔形体。当楔形体与边坡倾向相同或相近，并且倾角在内摩擦角和边坡角之间时，与顺层面滑动类似，滑体沿结构面发生滑动，即是楔形体破坏。楔形体的空间结构决定了其破坏体一般较小。楔形体破坏如图1c所示。

3.4 倾倒破坏

倾倒破坏是指当高边坡坡面由多个逆向层面构成，在重力因素下发生缓慢变形倾倒的破坏。露天开采中一般发生在大倾斜地层的工作边帮上，以表层破坏为主。倾倒破坏一般分为几个阶段：

①受外力扰动影响，边坡面上逆向结构层初步分层。

②边坡岩土体结构面之间发生错动。

③错动引发不均匀变形，一般变形速度较缓慢，变形速度受降雨、外力扰动等因素影响。

④当变形积累引起失稳时，随即发生倾倒破坏。倾倒破坏如图1d所示。

3.5 溃屈破坏

溃屈破坏也称溃曲破坏，是指坡面即将沿已有结构面发生滑动，但在坡脚或坡中某处受阻，因而只有坡体后部岩层移动发生溃屈产生的变形破坏[4]。溃屈破坏多发生在结构面与坡面角度相近的边坡上。该种破坏大多由结构面内部起裂，并扩展形成脱层面，而后脱层面向外鼓起变形，产生溃屈。溃屈破坏一般是加速变形破坏，多发生在缓倾斜地层的露天矿上。溃屈破坏如图1e所示。

4 露天矿边坡稳定控制方法

露天矿生产作业中会产生大量的人工边坡，其中工作边帮以岩性为主、排土场边坡则以土性为主。边坡服务年限差异很大，从临时到几十年甚至永久不等。露天矿边坡所涉及的领域也很多，包括露天采矿、地质测量、水文地质、爆破工程、检测工程、机械设计、力学等。因此，边坡稳定性控制方法工程综合性很强，具体以3个方面进行阐述：

①边坡监测。

②边坡防治水。

③边坡加固。

4.1 边坡稳定性监测

4.1.1 地表位移监测

地表位移监测是最直观，也是对边坡整体稳定性评价最重要的监测方式。常规也是最简便的方式是目测法，凭借施工人员对日常施工环境的经验判断，对发生变形的滑坡进行观察积累，一般适用于临时边坡。近年来产生了许多地表位移技术，其中使用范围最广的是“3S”技术监测系统，即全球定位系统（GPS）、遥感技术系统（RS）、地理信息系统（GIS）共同作用[5]。一般在永久边坡上设立的“3S系统”，可以实施24小时监测，为安全生产提供保障。

4.1.2 深部位移监测

深部位移监测一般应用于地质构造较复杂的露天矿，通过监测手段，对地下岩土体进行实时监测，从而得到地下岩土体位移情况、变形速率、变形方向等变化规律，其中包括钻孔测斜仪和钻孔多点位移计。在边坡工程检测中，这些仪器主要用在稳定性可能有问题的边坡进行稳定观测，考虑到费用和作业因素，通常在永久边坡上安装。

4.1.3 地下水监测

土壤含水量的变化，将很大程度上影响土质边坡的内摩擦角和粘聚力。对于有高含水地层或处在高降雨量地区的露天矿，对地下水的监测是必不可少的，尤其是内外排土场的监测。地下水监测一般通过钻孔完成，并将监测传感器置于钻孔内。常用的传感器是孔隙水压力传感器。该传感器可根据压力和水位的比例关系，间接得出水位高度，从而得到地下水位数据。

4.1.4 爆破震动监测

在露天开采过程中爆破与地震的作用方式类似，都是通过施加大范围冲击动载荷实施扰动。当冲击波穿过边坡抗剪弱面时，诱使结构面发展成含有裂隙的次生结构面，从而影响坡体稳定性。近些年比较可靠的监测仪器包括声发射监测仪和爆破振动监测仪。当爆破发生时，边坡岩土体内部在爆破冲击作用下发生裂纹的产生与扩展，岩土体内部会发生应力松弛现象，积聚在岩土体内部的应变能以弹性波和声波的形式释放出来，由安装在附近的监测仪器采集和回收信号，之后根据数据分析反演出岩土体内裂纹扩展的具体情况，从而推断出岩土体宏观裂纹发展趋势，进而为边坡的稳定性提供参考依据。

4.2 边坡防治水

在露天矿生产作业中，滑坡、泥石流等自然地质灾害常发生在雨季，可见，水是诱发边坡失稳的重要因素[6]。根据岩土力学理论可知，土的含水率越高，内摩擦角和粘聚力越小。当岩土体含水率接近饱和，甚至过饱和时，抗滑能力将显著下降，产生巨大安全隐患[7]。矿区水的主要来源是地表水和地下水。

4.2.1 地表水防治

地表水防治，既要保证区内水体不危害生产作业，也要防止区外水体随开采引起的地形变化流入采场或排土场。

当采矿区域内有地表水体直接流动经过时，一般通过改道工程，将水体流动路线绕过区内变更至区外，并在区内每个平台上修筑排水沟，防止地表水体向地下渗透，也可以起到雨季疏流的作用;若流经采区的水体是季节性河流时，还要辅以水库蓄水。当露天开采附近存在河流或湖泊等含水体，一般通过修筑堤坝护堰工程，防止水体漫灌。

4.2.2 地下水防治

露天矿开采过程中，很可能存在煤层处于含水层或开采过程中掘通含水层的情况，因此地下水防治，即控制地下水涌水量，尤为重要。当在地质勘探中发现地下含水层与外界存在水力联系时一般以预防为主，通常是修建防水帷幕或者防水矿柱。若是已经发现地下涌水现象，便通常设立疏干井，将地下水引至采场外部从而降低地下水位。

4.3 边坡人工加固

当坡体抗滑能力小于自身承载力时，边坡随即失稳[8]，因此，对边坡失稳机理采用2种方法提升边坡稳定性，分别是改善岩土体结构和增大岩土体强度。

4.3.1 改善岩土体结构

改善岩土体结构的力学机理是改变岩土体内部受力状况，是露天矿最常用的邊坡加固方式。对于临时边坡，一般通过削减边坡角的方法，使沿着坡面的重力分力变小，从而提升稳定性;对于永久边坡一般采用锚杆或锚索加固的方法，利用锚杆抗拉的特性，将松散的岩土体固结成一个整体，二者组合受力，即便岩土体受到外部扰动，也能保持一定的承载力。

4.3.2 增大岩土体强度

一般通过注浆的方式，将固化浆液充填、置换、挤压进裂隙节理等抗滑损伤裂缝中，形成“注浆岩桥”和“注浆岩楔”，提升岩土体的抗剪能力。同时，注浆也能提高岩土体的抗渗能力。

5 结语

综上所述，露天矿宏观破坏形式多种多样，发生的机理与不同采场位置边坡的物理性质也不尽相同。由此可见，露天矿边坡情况比较复杂，因此，在进行露天开采时对边坡稳定性的控制方法也应该尽可能考虑到多种方面。本文阐述了监测、防治水与边坡人工加固3个方面的措施和技术原理，对露天开采作业具有一定的指导意义。

【参考文献】

【1】刘东伟.露天矿边坡稳定性安全因素分析[J].世界有色金属，2017（15）：201，203.

【2】管晓明，王旭春，聂庆科，等.露天矿边坡稳定性及设计参数优化研究[J].煤矿安全，2018，49（05）：71-74.

【3】王志城，刘杰，姜昕健.露天矿边坡稳定性影响因素分析[J].科技创新导报，2012（13）：110-112.

【4】吁燃，刘品，龙森.顺层岩质斜坡溃曲破坏机理的力学分析[J].公路交通技术，2012（04）：18-21.

【5】杨成德.岩土工程中边坡稳定性分析及监测方法研究[J].工程技术研究，2020，5（03）：265-266.

【6】蔡亚飞，綦春明.渗流-应力耦合及降雨入渗作用下的边坡稳定性分析[J].南华大学学报（自然科学版），2019，33（03）：33-39.

【7】文海家，张岩岩，付红梅，等.降雨型滑坡失稳机理及稳定性评价方法研究进展[J].中国公路学报，2018，31（02）：15-29.

【8】王树彪.岩土工程边坡加固的施工技术研究[J].散装水泥，2020（3）：60-61.