边坡支护工程在矿山地质灾害治理施工中的应用

石玲娣

（甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020）

矿山边坡是矿山开采活动的间接产物，边坡的高度﹑坡度以及范围直接决定了安全支护的技术路径，同时还要考虑到矿山边坡的地质条件因素。边坡地质灾害的主要形式为滑坡，并且滑坡的形式呈现出多样化的特点，常见的包括楔体滑坡﹑圆弧滑坡等。目前的矿山边坡支护技术已经发展得较为成熟，即可采用单一的支护技术，亦可多种技术并用，工程技术人员需广泛研究各类矿山边坡支护技术，提高安全水平。

1 矿山边坡的结构及分类

1.1 矿山边坡的结构

矿山开采所用形成的边坡常见于露天矿中，其结构按照从上到下的顺序依次包括了坡顶面﹑坡肩﹑坡面﹑坡角以及坡底面，这些结构组合在一起形成了坡体。坡脚决定了边坡的坡度，坡高和坡脚在很大程度上影响着边坡的稳定性，通常坡脚和坡高越大，边坡出现滑坡地质灾害的风险也就越大[1]。矿山边坡的结构可参考图1来理解。

图1 矿山边坡示意图

1.2 矿山边坡的分类

第一，按照成因划分。①自然边坡。矿山经过漫长的地质作用逐渐形成，其大多分布在自然条件下的山坡和山谷区域，并且坡面长期受到风化和雨水的作用，容易形成破碎状的岩土形态，自然边坡滑塌的范围通常较大，不易监控和防范。②人工边坡。露天矿山开采时会在采空区的周围产生坡面，为了提高边坡的稳定性，需在机械或者人工方式下调整边坡的坡脚，有些边坡是通过填筑方式形成的，称为填筑边坡。有些边坡采用开挖方式形成，称为开挖边坡。无论采用哪一种边坡施工技术，此类边坡都是在人工操作下形成的，因而可统称为人工边坡。第二，按照组成物质划分。边坡大体可分为土质和岩质两类不同的物质组成，大部分矿山边坡同时含有这两类物质，不同的物质组成导致边坡的耐水性和滑坡风险存在较大的差异[2]。

2 矿山边坡失稳滑坡地质灾害成因分析

2.1 岩体结构

第一，岩石类型分析。矿山自然边坡中含有大量的岩石，有些岩石质地坚硬﹑整体性好，此类岩石不易产生滑塌。还有些岩石长期受到环境因素的作用，导致其形成片状﹑层状﹑破碎状的结构形态，并且还在不断地发育和变化之中，这些岩石易受到矿山开采活动的扰动，进而发生局部或者整体性的滑塌。第二，岩体结构。露天矿的边坡无论是整体高度，还是绵延的长度，一般都较大，在大范围的边坡中难免会出现岩体结构断裂的情况，换言之，此类边坡的岩体结构在局部是不连续的，这是造成边坡失稳的常见因素之一。在分析矿山边坡的岩体结构时需从以下几个方面来进行。①结构面的倾角和倾向。边坡按照结构面倾向和边坡坡面倾向的相同与否分为同向缓倾坡面和反向缓倾坡面两种，后者的稳定性更好。在同向坡面中，岩层的稳定性与倾角的陡峭程度相关，显然，越陡峭越容易滑坡；②结构面的连续性。由于矿山边坡的水平跨度可达到数公里之多，不连续的断面更容易出现滑坡类的地质灾害[3]。

2.2 地下水和地表水

冬季冰雪的融化以及雨季产生的大量降水会从矿山上地势较高的位置向矿坑内流动，有些是在坡顶面汇聚成径流，冲刷矿山的坡面，有些则是顺着岩层裂缝向下渗透，岩体中的孔隙﹑裂缝等为其提供了流通的渠道，还有些水体是地下水。无论水的来源如何，其对坡面稳定性的危害是一致的。其一，水体赋存在岩体的孔隙之中可对其产生一定的静水压力和动水压力。静水压力是因为水并不流动，但其静压力是存在的。而动水压力是水在岩体孔隙中不断流动所引发的，这种冲刷作用会加剧岩体的破碎程度。其二，水体具有软化坡面的作用。矿山坡面中存在一定含量的土质成分，并且有些岩石在水的浸泡作用之下也会逐渐变软。因此，水体产生的静压力﹑动压力以及软化效应都会显著增加矿山坡面滑塌的风险，大量的矿山滑坡都是由此而引起的[4]。

2.3 爆破振动

爆破作业是在矿山岩层表面打孔，然后将爆破的雷管埋设在其中，其爆炸威力﹑爆破范围以及爆破深度等都经过了严格的计算，爆破的目的是将覆盖在矿层表面的坚硬岩石层破碎清除掉，借此来提高矿山开采的进度。爆破可引发地表的地质作用，爆炸产生的冲击波可在岩土层中传播，矿山边坡中不连续的岩土带在爆破的剧烈扰动作用下可产生滑坡的风险。根据工程测算，爆破作用会引发岩土体中的质点运动，而质点的运动速度决定了边坡破坏变形的程度，当其运动速度超过25.4m/s时，就会出现小幅度的岩土剥落，运动速度越大，岩土破碎程度越严重，超过254m/s时，岩体将完全破碎，引发大面积的滑坡[5]。

2.4 坡体几何形态

正如图1所示，矿山边坡的坡脚以及整体的坡高是滑坡风险的动力学影响因素，如果坡脚为零，即使岩石层完全破碎，也不会出现滑坡地质灾害。坡角的存在导致重力对矿山坡面产生显著的影响。露天矿山的边坡在高度上甚至可达到数百米，如果边坡的高度较大，且坡度也较为陡峭，那么其出现滑坡地质灾害的可能性将进一步上升[6]。因此，矿山边坡的几何形态（尤其是坡高﹑坡度）会显著影响坡体的稳定性。

3 矿山滑坡的常见形式

矿山滑坡的形式与地质因素密切相关，不同地质条件下的矿山滑坡呈现出不同的形态，主要可分为四种滑坡形式。第一，楔体滑坡。这种滑坡在几何形态上类似于一个楔形体，当倾角小于坡面角且大于摩擦角时，会引发此类滑坡形式。第二，圆弧形滑坡。坡高大的碎裂岩体边坡﹑土质边坡以及散体结构岩体边坡常出现圆弧形的滑坡面，剪切造成的破坏是其产生滑坡的主要原因，滑坡部分与边坡的交界面呈现出弧形的姿态，故而称为圆弧形滑坡；第三，倾倒滑坡。有些自然边坡或者人工边坡的坡面中存在陡峭的结构，当其受到重力的作用之后，陡峭面层向外侧倾倒坍塌，形成滑坡地质灾害。第四，平面滑坡。边坡中局部区域以面层的形式整体向下滑坡，其几何形态类似于一个平面，这种滑坡是因为边坡中存在断层，在层间形成了错动面[7]。矿山边坡的四种常见滑动形式可参考图2来理解。

图2 矿山边坡滑坡常见形式示意图

4 矿山边坡支护施工技术应用

矿山边坡的稳定性直接关系到矿山安全生产的管理效果，因而矿山开采企业在日常管理中要对存在滑坡地质灾害的区域实施人工加固，具体涵盖了多种技术措施，常用的包括混凝土喷浆护坡﹑设置抗滑桩﹑设置金属锚杆和锚索等。

4.1 抗滑桩施工技术要点

抗滑桩的作用原理较为简单明确，如图3所示，将桩体以特定的方式设置到矿山边坡上存在滑坡风险的位置，桩体从侧面向坡体产生阻碍作用，有效地防止其产生滑坡。目前可使用预制桩或者现浇桩来实现抗滑桩施工，预制桩包括钢筋混凝土材质和钢材质两种主流形式。现浇桩是在边坡上的特定位置挖孔，然后搭设模板﹑下放钢筋笼以及浇筑混凝土材料，使其形成稳固的结构桩体。其施工方法上多采用挖孔灌注成桩的路径。挖孔可采用机械及人工两种形式，考虑到大部分矿山边坡不宜搭设挖孔的机械，因而人工挖孔在施工中更为常见。以人工成孔为例，此类施工的技术要点如下[8]。

图3 抗滑桩常用结构类型（a-椅式、b-门式、c-排架势）

第一，人工挖桩及护壁施工。①抗滑桩通常成排设置，施工单位需根据设计图纸准确定位桩位以及成排桩体的轴线，放样过程中要做好误差控制（10mm以内）；②为了防止挖孔桩的孔口位置受外力扰动变形，需建造专门的锁口，其高度比原地面略高（一般是高出45cm）,锁口采用现浇法施工，作业前需支模，确保其壁厚不低于40cm；③完成锁口施工之后可为后续的挖孔作业创造良好的条件，如果作业现场的空间足够搭设挖孔机械，此时可优先选用机械挖孔的方式。否则应采用人工挖孔的作业形式，有些地质层为坚硬的岩石，人工挖孔难以开展，此时要采用爆破技术，在岩石上钻孔，埋设炸药爆破；④渣土运输。人工挖孔过程中会在孔内产生大量的渣土，可在外围搭设卷扬机，将渣土运输到指定地点；⑤护壁施工。由于抗滑桩的体积和尺寸相对较大，为了防止灌注混凝土前塌孔，需设置护壁，同样为现浇法施工，搭建模板，在其中浇筑混凝土，壁厚控制在20cm，其中预埋钢筋，提高护壁的整体性。

第二，钢筋工程。抗滑桩中要设置大量的钢筋，以提高其承载力和抗拉力。施工中使用的钢筋材料需通过抽样检测的方式测定其抗拉性能﹑冷弯性能等是否达到设计要求，钢筋加工过程中需控制好搭接长度并将搭接位置应错开。钢筋之间的固定方式为铁丝绑扎或者焊接，具体需根据实际情况而定。待成孔护壁施工完毕之后，将钢筋笼下放到孔内，并做好加固措施。

第三，灌注混凝土材料。在抗滑桩钢筋工程验收合格的情况下可继续开展后续的砼浇筑作业，工程技术人员在桩心浇筑的过程中要对其做好记录，在具体操作的过程中要注意出料口和浇筑面之间的距离，如果二者距离过大，浆液中的粗骨料和水泥浆液之间可能会出现离席的现象，因而灌注时将距离控制在2m之内。由于桩体高度较大，不可一次性灌注到位，而是应采用分层灌注的方式，每一层的厚度控制在30cm左右，待下料之后使用插入式振捣棒对其实施充分的振捣，并且为了防止上下层交界面出现融合不均匀的情况，振捣棒插入的深度要越过上下层的交界面。桩体的养护也是非常关键的一道工序，由于桩体为大体积混凝土结构，在凝固的过程中有可能产生干缩裂缝，因而要及时向其表面补水[9]。

4.2 混凝土喷浆护坡施工技术

对于坡度和高度都相对较小的矿山边坡，可采用喷射砼护坡的技术方法，通常这种施工护坡施工技术与挖土边坡或者填筑边坡配合使用。基本的施工作业流程如下。第一，土方开挖或者填筑。采用人工和机械方式调整矿山边坡的坡角和高度，使其处于合理的范围之内，并且对表面进行夯实和沉降处理。这种人工边坡的稳定性已经达到了较高的程度，但为了进一步防止滑坡，还需采用喷射砼的方式形成保护面层。第二，护坡修理。将边坡表面的异物﹑数值﹑凸起的石块等清理出来，提高其表面的平整度。第三，砼初喷。在面层处理完成之后，在坡面上初步喷射一层砼，初次喷射砼的厚度控制在60mm的水平。第四，挂网加钢筋。保护层的整体厚度一般在100mm，不同的项目可能存在一定的差异性，初喷完毕且达到凝固之后，要在其表面设置喷锚网片，钢筋网竖向钢筋的上部采用绑扎施工，下部采用焊接方式固定。由于复喷时会产生一定的冲击作用力，为防止其影响钢筋网片的位置，在施工前需牢固地固定钢筋网片，为此，通常是先在坡面上设置土钉，然后将网片与土钉焊接在一起。第五，复喷。待钢筋网片固定牢靠之后，即可采用喷射砼的方式完成复喷，厚度控制在40mm[10]。

混凝土的质量在喷砼施工中非常关键，粗集料的粒径不宜过大，否则会影响砼喷射的效果，一般将粗集料的粒径控制在12mm之内，混凝土的强度等级需根据设计要求来配置，在喷砼作业中要注意各类机械设备之间的配合效果，由于材料用量较大，需加强供料速度，材料的等待时间也不宜太久。

4.3 基于锚杆或锚索的矿山护坡施工技术

锚索框架或锚杆边坡支护技术是两种不同的技术路线，但二者在原理上的相似度非常高，因而大体上可归为同一类边坡支护施工技术。其施工要点如下。第一，造孔。根据坡面的特点，按照特定的间距在坡面上放样出孔位，例如，将间距控制为4m×3.5m，由于坡面较高，作业时需搭设专门的脚手架平台，可使用盘扣式脚手架系统，其搭设效率较高，并且承载力和安全性较钢管式脚手架更为优异。脚手架平台上部使用锚杆和坡面锚固在一起，防止作业过程中脚手架坍塌。然后将钻孔设备搭设在平台上，按照从上到下的顺序逐排完成钻孔。第二，清孔。钻孔过程中会在孔内形成大量的渣土和碎屑，因而在钻孔结束之后可使用高压力吹风设备将其中的石屑﹑粉末等吹出来，以达到清孔的目的。清孔结束之后可根据下一道工序的作业时间，采用临时性的封孔措施，防止碎屑再次进入到孔内。第三，锚索框架梁施工。清除边坡表面的松土，但清除的部位需再次填平，可使用水泥砂浆将其填平。紧接着在这一基础上完成钢筋固定﹑锚索钢管固定﹑锚具定位﹑模板搭建以及混凝土浇筑等一系列工序。通常锚索和锚杆选择其一，并且在工序上也极为接近。第四，下放锚索或者锚杆，并完成注浆。待成孔且其他预埋件施工结束后，将锚索或者锚杆施放到孔内，向其中注入水泥浆液。待条件成熟时完成锚固。

4.4 辅助性的边坡维稳施工技术

第一，边坡防水施工。矿山边坡的防排水施工技术虽然不能起到直接的矿山边坡加固效果，但是这一技术可间接的减少地表水和地下水对边坡的影响。施工的主要内容涉及排水沟﹑截水沟﹑排水孔等设施。例如，截水沟通常设置在坡顶面，并且和坡肩保持足够的安全距离，具体地距离需根据坡顶的地质情况来确定。截水沟依据地势而建，每隔一段距离就设置一个集水点，其深度比截水沟大，可在紧急情况下收纳一部分地表形成的积水，防止坡顶面地径流冲刷坡面。

第二，边坡监护施工。矿山滑坡地质灾害大多是一个缓慢的蠕变过程，边坡局部位置不断变形，当其超过一定程度之后就会引发地质滑坡。工程实践中要针对边坡设置专门的监测措施。主要监测内容包括渗透压力﹑降雨量﹑地下水位﹑边坡裂缝﹑内部质点位移以及表面位移等。各种先进的传感器和探测设备一旦监测到可引发变形的因素，即可采取针对性的处理措施，将事故可能性降到最低程度。

5 结语

矿山边坡地质灾害的主要形式是滑坡，为了防止矿山滑坡，可采用设置抗滑桩﹑喷射砼面层﹑设置锚杆或者锚索等技术。不同的技术路线在适用范围﹑加固效果方面存在一定的差异。除了加固施工，还需有效地处理地下水和地表水，如设置专门的排水沟﹑截水沟等。