建筑用砂岩矿露天采场稳定性评价及治理措施研究

杨建勋

（深圳市地质局，广东 深圳 518023）

我国是全球砂石需求量最大的国家，约占世界砂石骨料用量的45%，随着我们基础设计建设力度的不断加强，预计我国对砂石骨料的需求将不断增大。矿产资源的开发利用成为我国经济发展的关键因素，但露天矿边坡稳定性问题一直是困扰露天开采的难点问题，也是关乎露天矿生产安全的关键性问题[1]。因为，露天矿山边坡稳定性问题的研究显得尤为重要。本文基于广东省清远市某建筑用砂岩矿为研究对象，开展对矿山边坡稳定性的研究。

1 露天采场现状

矿山于2016年11月申领采矿证开始进行基建，2017年正式投产。矿山前期开采因受多方面因素制约，未严格执行“至上而下”开采。矿山已基本完成剥离工作，目前形成面积约0.55km2的不规则采场。采场最低标高+322.54m（东南部集水池），最高+642m（西侧边坡坡顶），相对高差319.46m。露天采场边坡表土层台阶坡面角大部分为45°，局部因顺层滑坡自然形成坡面角约30°～40°的边坡；岩质边坡大部分台阶坡面角60°～70°，局部因顺层滑坡自然形成坡面角约30°～40°的边坡。目前矿山开采边坡呈“凹”形分布依据边坡的朝向特性，将矿区边坡分为东南向、西南方向和北方向、东西方向；矿山边坡分层开采，单层坡高15～30m，坡度55°～85°。

2 地质环境背景

2.1 气象水文

矿区靠近北回归线，属典型的南亚热带季风候区，冬无严寒，夏无酷热，气候温和。据气象资料，区内多年平均降雨量为2143.2mm（1993～2019年），年最大降雨量2739.5mm（1997年），本区为广东省暴雨中心之一，最大日降雨量253.4mm（1997年5月8日），最大时降雨量47 mm（2001年9月1日）。区内降雨量时间上分布不均匀，主要集中在每年4～9月的汛期，约占全年降雨量的80%，而且多为暴雨。区内多年平均水面蒸发量的变化幅度不大，约在1200～1300mm之间，变化趋势为由南向北递减。

本区降水丰富，是广东省三大降雨量高值区之一，极端降雨等气象因素对矿山开采的边坡安全有较大的影响，综合评定矿区气象水文条件复杂。

2.2 地形地貌

矿区处于低山丘陵地貌单元，位于低山与山前堆积平原分界附近，低山呈北东向展布，周边地面标高+140～+645m不等，总体地势西北高，东南低，地形起伏大，自然坡度高、陡，一般20°～45°，局部呈70°～90°陡崖状，因受长期剥蚀切割作用，山体沟壑起伏、沟谷密布。区内沟谷走向主要由2条近东西走向的下切沟谷控制，属于暴雨型沟谷。矿区内植被茂盛，为人工桉树种植林区，以桉树及杂草为主，局部地段岩石裸露。综上所述，矿区地形地貌条件复杂程度为复杂。

2.3 工程地质岩组

矿区基岩主要为松散软弱岩类和层状岩类组成。松散软弱岩类为风化残坡积土及强—中风化岩带覆盖，覆盖层厚度7.8～29.5m，具有粘性差、稳定性差、吸水率高、易形成超饱和状的特点。层状岩类包括寒武系高滩组（∈g）及泥盆系桂头群杨溪组（D y）和老虎头组（D l）组成，原岩岩性复杂，包括寒武系高滩组（∈g）的泥质粉砂岩、细砂岩、杂砂岩、粉砂岩，泥盆系桂头群杨溪组（D y）石英砂岩、含砾砂岩，砂砾岩和老虎头组（D l）中粒、细粒石英砂岩、粉砂岩、页岩等组成，层状岩类倾向120°～155°，倾角30°～50°，与拟治理边坡倾向一致。

2.4 地质构造

区内地质构造相对较为简单，断层构造不发育。但变质砂岩节理裂隙较发育，沿裂隙节理面风化作用强烈。评价区地层岩石种类较多，地质构造简单、但节理较发育，区域地壳稳定性属于基本稳定，考虑到地层产状倾向与拟治理边坡倾向，综合评价地层岩石及地质构造条件复杂。

2.5 地下水

根据地下水赋存条件及钻探揭露特征，拟治理区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水和层状裂隙水两类。考虑到评价区汇水面积大、地形高陡、大气降雨对治理工程有较大的影响，综合水文地质条件复杂程度为中等。

3 露天采场边坡分级

根据矿山开采设计，拟治理边坡相对高差295.5m，属高边坡，边坡高度等级指数H为2级；露天采场边坡总边坡角为50°，属陡坡，坡度等级指数A为1级；矿山水文地质条件为中等，工程地质条件为复杂等级，根据就高原则，地质条件等级指数G为1级。则因此，露天采场边坡边坡变形指数D=H+A+G=2+1+1=4，安全监测等级为一级。

根据《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB 51016-2014），边坡高度等级为3级，边坡危害等级为Ⅰ级，边坡工程安全等级为Ⅰ级。

拟治理边坡潜在威胁人数约45人，潜在经济损失约5000万元。根据《广东省地质灾害危险性评估实施细则》（2019年修订版），其地质灾害危害程度等级严重。根据《滑坡防治工程勘查规范》（DZ/T 0218-2006）表6，危害对象等级划分为一级。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T 0219-2006）边坡防治工程分级为一级。综上露天采场边坡工程等级定为一级。

4 边坡稳定评价

4.1 土质边坡稳定性评价

采用圆弧滑动法对边坡的安全性进行估算，结果表明，在一般天然条件下，土质边坡的边坡处于稳定状态。但是当降雨量使边坡土体处于饱和状态时，稳定性明显降低，发生崩塌、滑坡的可能性增大。

预测拟治理边坡中的土质边坡发生崩塌、滑坡的可能性在一般气象条件下小，危险性小，危害性小。但在降雨量使边坡土体处于饱和状态时，发生崩塌、滑坡的可能性中等，危险性及危害性中等。危害对象主要为边坡下面的作业人员及机械设备。

4.2 岩质边坡稳定性评价

（1）边坡面与地层（矿体）倾向基本一致的边坡（顺向坡）。根据勘查报告结合现场调查，矿体产状为120°～155°，倾角30°～50°。位于矿区西侧，拐点为：5-6-7-8-1-2组成的边坡面（即开采面）与地层（矿体）倾向基本一致的边坡（顺向坡），本边坡覆盖层为7.8～29.5m左右，覆盖层按土质边坡考虑，岩质边坡最高为280m，整个边坡最高处达295m。本段岩质边坡高度按285m考虑（扣除上部的土层边坡），边坡走向总体按40°～50°考虑，最终坡角不小于50°计，矿层的倾向基本与开采面一致，倾角为30°～50°。

通过用赤平投影进行分析，可知，本段边坡的岩层倾角、倾向、坡角及走向决定了很有可能产生顺序滑动，导致边坡失稳，因此，预测产生滑坡、崩塌的可能性大，危险性大，危害性大。应调整边坡角，使边坡角小于矿层的倾角，以降低顺层滑动的可能性。

（2）边坡面与地层倾向垂直的边坡。在本矿区的露天采场中，按方位可分为东、西两段，其中西段为拐点4～5之间的地段；东段为拐点2～3点之间地段。西段坡面倾向为45°，坡度最终为50°，台阶高度为15m，最终边坡高度为185m，地形倾向与坡面基本垂直，但发育三组裂隙，其产状分别为135°∠62°、210°∠70°、240°∠50°。

对以上节理进行赤平投影，节理②、③倾向与边坡倾向夹角较大，节理①倾向也与边坡倾向夹角接近垂直，但三组节理与边坡相交时，把边坡切割成一个楔形体，因此，易发生发生崩塌、滑坡。节理交线倾角方向控制了楔形滑体的滑动方向，交线倾伏的角度决定了滑动的趋势。本边坡交线倾伏角大约60°左右。因此，如果边坡坡角大于60°时，则很可能产生滑坡或崩塌。

预测本段边坡产生滑坡、崩塌的可能性较大，危险性较大，危害性大，危害对象主要为作业人员、施工设备及运输车辆等。

（3）边坡面与地层（矿层）倾向相反的边坡（反向坡）。在露天采场中，主要拐点为3～4之间的地段。地层倾向与坡面正好相反，即反向坡，最高坡高约165m，平均坡高约100m左右，由于层面有三组节理、裂隙均与坡面基本垂直，产生滑坡、崩塌的可能性小，不会对开采面的稳定性有大的影响。但也不能排除局部有楔形破坏，形成崩塌，开采过程中要注意裂隙发育的情况，及时调整开采系数，避免楔形破坏。

预测本段边坡产生滑坡、崩塌的可能性小，危险性小，危害性小，危害对象主要为作业人员、施工设备及运输车辆等。

综上所述，采场边坡发生崩塌、滑坡的可能性大，必须采取治理措施。建议将边坡面与地层（矿体）倾向基本一致的边坡（顺向坡）台阶坡面角调整为平均35°以下，以杜绝顺层滑坡的可能性，并根据地层产状的揭露情况实时进行调整。建议将其他边坡台阶坡面角调整至60°以下，以减小因楔形体产生的崩塌、滑坡。

5 治理工程措施

根据采场边坡的形态特征、工程地质性质等特点，选择安全可靠、经济合理、技术可行、施工可行、尽量减少治理工程对周边环境的影响的原则，充分分析前期地质勘查工作成果的基础上。针对影响边坡稳定性的控制因素、施工环境条件等，开展治理设计。

经过对勘查报告的研读和详细的现场调查，根据现行相关规定、规范，以地质环境综合治理，彻底消除地质灾害隐患，并兼顾“矿地统筹，先矿后地”的原则，规划同步开展生态修复及后期的矿山景观公园建设，同时考虑经济可行的原则，建议采场边坡边坡治理项目边坡采用“削坡卸载+截排水+绿化+监测”的方案进行治理。通过采取上述综合措施后，使拟治理区达到稳定和安全要求，治理后环境更加友好，更利于矿山闭坑后的土地复垦及生态环境修复。

6 结论

（1）矿区气象水文条件复杂；矿区地形地貌条件复杂程度为复杂；地层岩石及地质构造条件复杂；水文地质条件中等；工程地质条件复杂；综合评定矿区地质环境条件为复杂。

（2）采场5-6-7-8-1-2组成的边坡面（即开采面）与地层（矿体）倾向基本一致的边坡（顺向坡）顺坡向卸载裂隙发育，且频发小—中型崩塌滑坡，可判别为可能失稳的边坡。边坡现处于不稳定状态。若不进行治理，极有可能发生多层多级顺层滑坡。

（3）建议地质环境综合治理，彻底消除地质灾害隐患，并兼顾“矿地统筹，先矿后地”的原则，规划同步开展生态修复及后期的矿山景观公园建设，同时考虑经济可行的原则，建议采场边坡治理项目边坡采用“削坡卸载+截排水+绿化+监测”的方案进行治理。

（4）通过工程治理预期可达到大幅降低矿山露天采场边坡安全隐患、改善景观、实现自然资源节约集约利用的目的。有利于闭坑后的土地复垦及生态环境恢复，有利于土地资源的节约集约利用。可达到安全、合理、有效以及最大化的回收与利用资源，实现社会效益、生态环境效益与经济效益相统一。