露天石灰石矿山边坡治理工程与环境恢复措施

刘建丽

（唐山冀东水泥股份有限公司，河北 唐山 063000）

由于历史遗留原因，唐山冀东水泥股份有限公司石灰石矿北采区预留的边坡已被破坏，部分平台缺失严重。随着开采年限的增长，开采深度的加深，边坡高差大，受本身地质条件和外部环境等多方面因素的影响，极易形成边坡陡立，边坡失稳，将直接影响矿区的安全生产，发生安全生产事故，还会引发一系列矿山地质问题，如压占损毁土地资源、破坏矿区生态环境平衡、诱发边坡地质灾害等[1-4]。

目前在边坡治理与环境恢复的防治措施中，一般主要采取控制爆破技术进行削坡减载、截排水、坡脚压载、喷播绿化等工程技术措施，消除边坡危害，恢复矿山环境[5-8]。对于质量复杂且剥采比较高的石灰石矿山来说，削坡减载不但增加废石排放量，增加矿山生产成本，排放的废石也将污染矿区周边环境；而采取废石填方出平台，不但解决废石堆放问题，达到了安全稳定的要求，还大大降低了矿山生产成本。

1 矿山概况

1）地质概况。矿山矿床呈完整的宽缓向斜，矿体以冶里组豹皮灰岩、竹叶状灰岩为主，矿床顶板为亮甲山组灰质白云岩，底板为寒武系凤山组泥质条带灰岩及薄层泥质灰岩等，各岩体间为层状结构类型，呈整合或平行不整合接触关系。岩层倾角较缓，边部一般30°～45°，中部一般小于15°，各岩层间不存在软软夹层，地表风化带深度10～20 m，采坑边坡均为岩层倾斜面，基本不存在上部荷载。根据岩石性质、岩层倾角、倾向、构造，以及穿爆方法等因素，矿体由上至下分层开采，台阶高度12 m，工作台阶坡面角取65°～70°，非工作台阶坡面角取65°。据岩石物理力学性质、地质构造、水文地质等条件，采用类比法确定最大露天最终边坡角55°。

2）采区开采现状。唐山冀东水泥股份有限公司石灰石矿始建于1983 年，设计开采深度50 m 以上，开拓方案为露天开采，采用公路－汽车－钢芯胶带机联合开拓运输方案。矿区内现有2 个采区在生产，分别为北采区和南采区，北采区位于矿区的北部8～14勘探线间，现已形成6 个台段，目前已开采至＋50 m水平。矿山年采剥总量1 200 万t，剥采比0.8∶1，剥离量大，废石排放是制约矿山生产瓶颈问题。

2 矿山北采区边坡安全隐患

由于历史遗留原因，矿山北采区预留的边坡已被破坏，缺失严重，边坡上到处存有遗留的散石堆。矿山开采最高点为＋221 m，最低开采标高＋50 m，相对高差170 m，边坡破坏后，安全平台、清扫平台、边坡坡面角等已不能满足设计要求。

1）山体滑坡及危石滑落。引起山体边坡失稳的原因主要有：工程地质条件差，岩石坚固性差，结构不完整，存在地质构造弱面，如岩体的结构面、节理、裂隙等，岩石不稳固。北采区上由于边坡落差较大，边坡岩体较为破碎，且受到风化，周边裂隙以及雨水渗透侵蚀等影响，使得本来不完整的岩体的强度大大降低，滑体无根基，特别是在夏季多雨季节或春季冰雪融化时期，存在很大的安全隐患，一旦发生大面积山体滑坡，对下方的采场会造成巨大的冲击，对人员和设备造成极大的威胁。

2）爆破危害。露天采场中深孔爆破时，会产生爆破振动、爆破内部破坏作用等，对露天边坡有一定的影响。地震波通过岩体时，给岩体的潜在破坏面以附加的动力，可使岩体的原有结构面规模扩大，承载力降低，并可产生次生结构面（爆破裂隙），从而促使边坡破坏。也就是说，露天边坡在爆破的反复震动作用下，其稳定性会受到影响，甚至遭受破坏而发生滑坡事故。

根据上述分析，若北采区边坡不加治理继续开采，将容易发生滚石和滑坡事故。边坡岩体较为破碎，且受到风化，周边裂隙以及雨水渗透侵蚀等影响，使得本来不完整的岩体的强度大大降低，特别是在夏季多雨季节或春季冰雪融化时期，极易造成大面积山体滑坡，而在其正下方即为矿山生产作业面和村民的基本农田，严重威胁到矿山下部开采安全和村民的农业生产安全。若对边坡不及时处理，边坡荷载、爆破振动、水文及其它扰动的综合作用下，容易引发边坡失稳甚至大规模滑坡，对下游一定范围内的建构筑物、设备设施及人员造成严重威胁。

3 边坡治理与环境恢复方案

3.1 回填缺失平台

北边坡已开采到底板，为终了边坡。若通过扩帮设置平台，不但增加成本，扩帮产生的废石也无处堆放，因此，根据矿山地质条件现状，利用矿山矿体的赋存特点，采用填方出平台，放缓坡面角，压脚稳坡，使阻滑力与下滑力的比值提升至合理区间。为了达到边坡稳定的目的，每隔15 m 高差填方出1 个最终平台，回填出最终边坡参数如下：①台阶高度：15 m；②台阶坡面角：30°；③最终平台宽度：24 m；④最终边坡角：18°；⑤最终堆置高度：自104 m 水平堆至170 m 水平，堆高66 m；⑥台阶数4，依次为119、134、149、170 m 水平。

回填的物料采用矿山剥离的废石，通过回填出平台的方式既能解决矿山废石堆放问题，还能达到边坡治理的目的，极大的降低矿山生产成本。

3.2 疏排水

1）平台排水采用修建混凝土道路，并在道路两侧设置缓冲水池的方式。道路路面硬化，宽3 m，路面、路基各高150 mm，两侧路缘石高200 mm，道路路面由中线向两侧设计3%的坡度，沿道路前进方向设置±3‰的坡度，道路兼具排水功能，沿道路前进方向每隔约400 m 在道路两侧分别设置1 个缓冲水池。

2）坡面设置纵向排水沟。纵向排水沟主要为道路收集的降水向下级平台输送，纵向排水沟每隔400 m 布设1 道。排水沟顶宽1 m，底宽0.6 m，深0.5 m，部分区域排水沟规格可根据水量进行调整。

3.3 坡脚防护及拦碴工程

为达到压脚稳坡的效果，在每个边坡坡底处堆砌废石用以压脚，借以支撑滑体和增加滑体下部滑动面上的摩擦力，同时拦截部分碴石。

在开采最低标高的1 个台阶坡脚位置设1 座防护坝。防护坝采用露天采场剥离的大块岩石堆筑而成，亦作为渗水过滤层。坝体断面为梯形，内坡比为1∶1.20，外坡比为1∶1.73，坝高4.5 m，顶宽2 m。施工前，将原始地表山坡基底进行处理，按坝体底宽，采用挖掘机将表面风化层剥离，露出岩石基底，以增加稳定性[9]。

3.4 边坡稳定分析

通过以上工程实施，回填后的最终边坡角不大于45°，平台宽度大于20 m，故塌方及滑坡出现率极小，边坡稳定性良好。为此，矿山委托第三方机构对矿山边坡进行稳定性分析，借助slide 软件对边坡进行稳定性分析，使用垂直条块极限平衡法对边坡进行稳定性计算[10]。

1）边坡安全等级的确定。内排排土场边坡高度范围约为50～85 m，根据GB 51016—2014《非煤露天矿边坡工程技术规范》，边坡高度H＜100 m 范围内，属于中、低边坡，且根据边坡现状情况，认为最终边坡危害等级Ⅲ级，因此，综合评定认为本排土场边坡安全等级为Ⅲ级。

2）排土场边坡岩土体计算参数的选取。根据本矿岩土体性质，参照《岩土力学参数手册》，边坡岩土体计算参数选取为：密度1.95 t/m3；内摩擦角22°；黏聚力20 kPa。

3）边坡安全分析工况。根据规范，露天矿边坡需要计算不同荷载工况下的安全稳定情况。不同荷载组合下边坡的设计安全系数见表1。

表1 不同荷载组合下边坡的设计安全系数

4）边坡安全稳定分析计算结果。对取的4 个典型边坡剖面进行计算和分析，对每个剖面在荷载组合1（自重）、荷载组合2（自重＋爆破振动）和荷载组合3（自重＋地震振动）3 种不同荷载工况下的安全稳定性。各典型剖面采场现状边坡最小安全稳定系数表见表2，各典型坡面最终边坡最小安全稳定性系数表见表3。由表2 和表3 可知，根据边坡稳定性计算结果与规范要求相比较，矿山现状边坡和最终边坡安全系数满足规范要求，最终边坡是稳定的。

表2 各典型剖面采场现状边坡最小安全稳定系数表

表3 各典型坡面最终边坡最小安全稳定性系数表

3.5 边坡在线监测

回填后的平台相当于一个排土场，排土场作为永久建筑设施，对其周边设施、人员来说都是潜在危险源，一旦发生灾害，如不能及时预警，对其下游的设施和人员将造成不可估量的损失，因而加强对边坡的监测是十分重要的，故在平台上设置边坡在线位移监测系统，实时在线监测边坡稳定性。

根据北采区边坡实际情况，在边坡上设置4 个监测平台，每个平台设置4 个监测断面，共12 个监测点，每个监测点钻孔直径为100～120 mm，深15～20 m 的钻孔。每个孔安装2 个测斜仪，对边坡的稳定性进行实时监测。监测点之间有线缆连接，传感器测量的水平位移信号通过无线传输至监控中心综合数据采集系统。

监测预警软件系统根据获取的边坡水平位移数据，采用相关模型算法计算边坡实时位移量，并对边坡位移进行分级预警。

3.6 边坡覆土和绿化及引水上山喷灌工程

1）边坡覆土。对修整后的边坡的平台、坡面进行覆土，恢复矿山环境。土主要来自矿山矿界内表层山皮土，不外购土，自上而下进行覆土回填。坡面覆土厚度0.3 m，平台覆土0.8 m。使其达到植被生长的要求后。对于矿车不能到达地点采用人工运送土方。在平台边缘设置挡土墙1 道，拦挡土壤，防止强降雨时引发水土流失。

2）边坡绿化。覆土结束后，进行绿化。台阶以植树为主，辅以种草。除种植已生长树木外，也可种植景观树种，如太阳李、北美海棠、榆叶梅等高档观赏树种。增加矿山美化，各平台靠山体一侧种植1 排藤蔓（爬山虎），种植间距0.2 m。台阶、坡面以种草绿化为主，靠自然生长，辅以草籽撒播。

3）引水上山喷灌工程。为保证治理区的绿化效果，保证植被存活率，建立绿化喷灌系统，喷灌系统水源取自采场坑底水，喷灌主管路自坑底沿边坡修至各平台，主管路采用无缝钢管。平台布置旋转喷头进行灌溉，喷头由PE 灌溉管与主管路连接，喷头间距20 m。

4 结语

唐山冀东水泥股份有限公司石灰石矿基于矿山自身地质条件，矿体赋存特点，通过填方出平台，并建设相关安全设施，既解决了矿山废石堆放问题，又满足安全要求，且实现成本最优。边坡治理后，可有效控制泥石流、山体塌方等地质灾害对生态环境的影响。对治理后的边坡通过人工覆土及绿化，增加草地面积，可有效减缓水土流失，不仅已损毁的山体得到治理及绿化，有效地遏制水土流失，还可改善及恢复矿区生态环境。