影响露天金属矿山开采边坡安全的因素及安全技术分析

张延森，邱化廷

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100；2.山东省标准化研究院，山东 济南 250014）

金属作为一类重要的矿产资源，也是很多行业开展施工的重要原料之一，在金属矿山中，露天开展占据重要地位，据相关数据显示，露天开采在有色金属矿中所占比例高达40%左右。近年来伴随着我国露天开采技术的不断发展，露天开采的深度也日益加大，边坡作为人为施工过程中产生的斜坡，属于一类人类活动地质环境，同时也是人类工程的基础形式。在金属矿露天开采过程中，一旦边坡失稳，不仅会给矿山企业带来巨大的经济损失，而且可能威胁开采人员生命安全。因此在露天金属矿开采过程中，应用安全技术保证边坡的稳定性至关重要。

1 金属矿露天开采技术概述

就目前我国矿山的开采形式来看，露天采矿的成本较低，也是最常见的一类采矿方式。但是从露天采矿开展实践来看，容易受到各种因素的影响，其中最主要的因素便是开采环境。另外，露天开采是否能够顺利进行还直接跟开采作业设计、开采设备、开采深度等存在紧密关系。当前，伴随着金属矿露天开采技术的不断改革和发展、机械设备的不断完善、技术的不断升级改造，在保证露天开采完全性的同时还提升了开采的效率。归纳起来，当前金属矿露天开采技术主要有以下三种：

1.1 间断开采技术

这类技术主要指借助大型的机械设备对金属矿进行开采，开采出来的矿石再由开车进行运输。考虑到卡车的油耗通常较高，并且在运行期间会对环境造成较大的污染，为了减少卡车的油耗，降低对环境的污染，由此诞生了卡车辅助架线技术，从而达到满意的节能环保作用，被广泛应用在金属矿露天开采中。

1.2 半连续以及连续开采技术

这类技术也是金属矿露天开采过程中比较常见的一类技术，具有低碳、绿色、环保等等优点，该技术的所有操作系统是由电力驱动，减少了对环境的污染。在实际操作过程中，但是因为地面因素的限制，会在一定程度上限制半连续开采作业[1]。

2 金属矿露天开采过程中常见边坡问题

2.1 边坡的稳定动态平衡难以维持

金属矿露天开采过程中边坡的稳定动态平衡作为生产安全的重要保障，同时也是预防边坡滑坡等安全事故的重要手段。近年来，伴随着工业生产对金属矿的需求量不断加大，极大地推动了采矿技术与采矿设备的发展，同时也进一步延伸了露天金属矿的开采深度。但是在增加金属矿露天开采深度的同时，相应的也会增加深凹露天金属矿露出的边坡高度，从而增加了边坡动态平衡维持的难度。另外，在金属矿露天开采中，常常需要借助爆破等操作，增加了边坡的振动，再加上地下水、地应力等方面的影响，改变了边坡稳定性的动态平衡，不利于金属矿露天开采的安全，增加了边坡发生滑体的风险，增加了开采人员控制边坡稳定性的难度。

2.2 边坡灾害事故发生频率高

伴随着经济和科学技术的飞速发展，极大地推动了我国矿资源开采业的进步和发展。伴随着金属矿露天开采难度的不断增加，相应地增加了其边坡各类灾害事故发生的风险和频率。据统计，威胁金属矿露天开采安全性的诸多因素中，边坡滑坡这一灾害所占不利较高，并且带来的危害也不断增加，已经被列入金属矿露天开采中重大事故的主要类型之一。另外，伴随着金属矿露天开采的深度不断增加，会逐步从露天开采进入地下开采阶段，其中地下开采会存在用数量和地应力增加的情况，再加上地质条件的恶化，此时如果不及时采取有效的措施稳定开采隔离层的厚度，处理好露天与地下采矿爆破控制等关系，均可能增加边坡安全事故发生的风险，威胁整个采矿工作的完全性[2]。

3 影响露天金属矿山开采边坡安全的因素

3.1 岩体构造对露天金属矿山开采边坡安全的影响

不管是岩体自身的结构还是岩体的变化，均会对金属矿露天开采作业中边坡的安全造成巨大的影响。结合既往开采经验以及施工分析报告，可以总结出矿山开采过程中导致边坡滑坡的一大主要因素便是岩体构造。通常情况下，开采单位在设计边坡和设计开采方案时，会对矿区四周的岩体结构进行调查和研究，借助对周围岩体采样的形式，分析岩体的结构与组成，在此基础上判断出该区域是否满足露天开采的施工要求。而开采人员则是按照岩体结构面的表面性能是否具备承受施工因素与自然因素的影响来判断是否符合露天开采的要求，弱面结构作为矿山中常见的不良岩体结构，主要是因为该结构容易遭受四周自然环境的影响进而发生分化或者开裂等现象，并且如果岩体表面的裂纹过多积聚，将极大地损害边坡的质量与稳定性[3]。

3.2 岩性土层对露天金属矿山开采边坡安全的影响

岩性土层之所以会影响露天金属矿山开采边坡的稳定性，一方面主要是跟岩体结构相关，而另一方面则是因为岩性土层及其内部的结构和性能有关。以铁质与硅质的岩性土层为例，二者对边坡稳定性的影响差异较大。从本质上分析，不同性能的岩性土层对露天金属矿山开采边坡安全的影响的差异主要在于土层中矿物质的类型不同，在地下，土层通常会通过不同的连接形式组合起来构成不同的岩体结构，常见的连接方式有结晶与胶连接等等，但是绝大多数的脚结构会对岩体结构以及边坡的稳定性造成极大的影响，严重时还可能发生边坡滑坡和移滑等情况，从而影响了露天金属矿山开采边坡安全。

3.3 自然因素对露天金属矿山开采边坡安全的影响

自然因素也是影响露天金属矿山开采边坡安全的一大重要因素，常见的自然因素有风化、地下水侵蚀、温度改变以及自然环境的影响等等。其中风化主要是会破坏岩体表面的结构，在自然风长期影响下，岩体表面层会受到扩张力作用也不断形成裂纹，当形成的裂纹数量超过了极限时便会很大程度削弱岩体自身结构的稳定性。而温度的不断改变会导致岩底内部与外部的受力不均衡，产生热胀冷缩的物理变化，最终导致岩体开裂。在诸多自然因素中，地下水侵蚀对露天金属矿山开采边坡安全的影响最为严重，这主要是因为破碎的岩石结构与裂纹在地下水的作用下，时间一长便容易出现裂纹扩张与岩石颗粒流失的现象。地下水产生的侵蚀改变虽然比较缓慢，但是长此以往造成的影响是巨大的。

3.4 人为因素对露天金属矿山开采边坡安全的影响

人为因素对露天金属矿山开采边坡安全的影响主要包含两个方面：一是，爆破振动造成的影响。爆破作为露天金属矿山开采中常见技术，爆破会持续振动边坡，增加了边坡的不稳定性。即便当前毫秒爆破技术被应用在矿山开采中，有时会采用两孔起爆或者逐孔起爆，或者尽可能减少单位炸药的用量，但是依然不可避免地会对边坡造成极大的影响，致使边坡的表面岩体发生破碎，诱发边坡滑坡，坡面岩石滚落等等，威胁开采的安全性。二是，施工技术的影响。在露天金属矿山开采过程中，不严格按照设计的施工方案进行，开采的台阶坡面角度高于设计标准，或者开采平台时未按照设计开展，以至于边坡的坡脚被破坏、边坡不规整、边坡有伞檐状形成，导致边坡失稳，引发滑坡或者塌方等等。个别施工人员不按照爆破设计执行，穿孔质量不达标，爆破后破坏了坡脚，导致边坡失稳。除此之外，在开采作业过程中，个别施工人员未执行施工规范，随意进行挖装，从而影响了边坡的稳定性[4]。

4 露天金属矿山开采边坡安全技术分析

4.1 应急治理技术在露天金属矿山开采中的应用

在露天金属矿山开采过程中一旦发现边坡存在质量问题与安全问题时，便需要做好对应的应急处理。边坡治理人员应当现场勘察已经发生滑坡的事故，弄清楚安全事故发生的原因。关于边坡安全事故的分析当前主要技术操作如下：对发生安全事故的现场开展取样分析，当前常见的取样方式主要有三类，一类是开挖基坑原状土取样；第二类是台阶开挖边坡取样；第三类是钻孔取样。当完成取样工作后，将采集到的样品送至实验室分析，分析内容包含土壤物理力学性质、滑坡区组成部分等等，在分析样品的同时还要注意对滑坡水文地质条件进行分析，明确滑坡的各项参数，从而为滑坡治理提供参考。在治理滑坡时，通常需要治理削方，在采取应急治理技术时，需要注重进入滑坡区的水量控制，目前主要采取截水方案与渗沟截留的方式来降低进入滑坡区的地下水，同时对上方的地表径流条件与汇水区域的渗流条件进行控制，尽可能减少流入滑坡区中的流水[5]。

4.2 防护加固治理技术在露天金属矿山开采中的应用

归纳起来，常见的加固技术主要有以下四种：

4.2.1 HDPE防渗膜护坡加固技术

将HDPE防渗膜护坡加固技术应用在金属矿露天开采中时，需要把握关键技术的操作要点。在铺设防渗膜之前，需要清理干净边坡表面，确保其表面的清洁度。然后对HDPE的厚度进行严格控制，最好将其宽度控制在1厘米左右。防渗膜的固定方式采用沟槽锚方式，宽度范围控制在0.6m左右，需要搭接的部分的宽度范围为1m左右，而且还需要注重坡脚和接缝地方的平行。在具体施工中，该方法因成本低、操作简便等优点，因此被广泛应用在边坡加固中。

4.2.2 抗滑桩支护加固技术

这类技术通常被应用在复杂的破碎露天边坡场景加固中，该技术能够有效地避免边坡伴随着破碎带移动引起塑性改变的现象。为了充分发挥出抗滑桩支护加固技术的效果，在应用该技术时需要对抗滑桩方案进行设计，根据设计好的施工方案开展。

4.2.3 锚杆加固技术

在对边坡实施加固时，借助锚杆有助于提高边坡的稳定性，该技术的应用原理是通过承受断裂岩石对锚杆产生的外力，从而避免边坡斜率改变，提高边坡结构的稳定性。在金属露天矿开采中应用锚杆加固技术，需要确定锚杆的标准长度以及应用的挡墙厚度。并且这类加固技术同样适用于土质边坡加固中，在应用时，同样需要控制好锚杆的长度以及相邻锚杆之间的距离。除此之外，在对台阶坡加固时，需要制定科学的方法，合理控制加工的厚度，确保加固的钢筋网层量设置合理。

4.2.4 生态护坡技术

当前比较常见的生态护坡技术有两类，分别是植物防护与土工网植树两种，在金属露天矿开采过程中，可以结合情况联合应用该技术。在植物防护技术应用要求为：边坡的高度＜6m，并且土壤跟植物生长条件的地区相吻合，在应用该技术时，需要根播种、喷播的方式开展。而应用人工王植树技术时，这类技术比较新颖，不仅可以明显地提升边坡的稳定性，而且还能降低坡面的侵蚀程度，同时维持水环境与土壤环境的良好[6]。

4.3 优化金属露天矿境界外驻留矿开采技术

当前我国大部分金属露天矿迈入了开采后期，由于早期开采技术比较落后，露天矿的开采效率较低，因此还遗留很多可用的矿石。提高开采的面积，提升废料的剥离量，会对金属矿山的经济指标产生极大的影响，更重要的是还会对周边生态环境产生破坏。

因此为了实现金属矿资源开采与利用的高效，需要整理分析矿床的赋存条件与地质稳定性，应用高边坡开采和陡帮开采，通过声波技术与位移变化对数据进行监控，掌握岩体的地质活性特征，通过分析开采过程中的相关数据，选择对应的开采技术阐述，从而实现开采效率与矿石利用率的最大化。

4.4 对边坡的各项参数进行科学控制

最终边坡角作为金属露天矿矿产的重要构成要素，其主要包含台阶坡面角、台阶高度、安全平台、运输平台以及安全平台。在设计开采流程时，需要结合台阶的高度综合考虑爆破工艺和挖掘设备方面的能力与要求，同时结合矿岩结构、矿岩性质等各种对台阶面大小等对台阶面交大小造成的影响，在开采的过程中还需要结合矿山的水文地质条件调整各个参数。除此之外，在开展爆破施工时，还需要对地质情况进行勘察，从而获得准确的地质参数，在此基础应用预裂或者缓冲爆破工艺，最终保证爆堆规整，提升爆破的安全性与精准度[7]。

4.5 实现开采技术的连续化与集约化

在金属露天矿开采时，必须确保整个工艺的连续化与集约化。特别是近年来我国金属露天矿山半连续化开采技术快速发展，该技术的采装过程由挖掘机完成，在破碎或者筛分设备的作用下将物料转运至带式运输机上，然后再将其运送至指定的地点完成卸载。半连续开采技术同时具备连续开采与间断开采的优点，拥有很强的适用性，非常适合于金属矿露天开采中，能够连续运输岩石，生产成本低且环境污染少，而且还能提升边坡的稳定性。

4.6 注重检测边坡的稳定性

在对边坡稳定性开展检测时，可以结合具体情况选择最佳的检测手段。首先，应用精密仪器检测法，主要用于检测已经发生变形的边坡，检测的内容包含裂缝变化、位移情况、倾斜动向等等，从而确保获得的检测参数精准，为制定边坡治理方案提供自动。在检测边坡时，需要结合工程的实际情况选择检测的仪器，并对仪器的精度进行调整，提升检测的准确性。其次，采用发声检测技术。当岩体遭受强大的外力时，便会产生裂纹，并且裂纹不算罗占，最终导致岩体应力松弛。此时便会以应力波的形式将岩石中存储的部分能量释放出来，同时形成声发射，因此可以分析声发射，通过这种方式判断出岩石内部形态改变。在当前信息技术背景下，检测边坡稳定性，可以应用远程检测手段，从而确保检测数据的无线传输，提升边坡检测的自动化与自动化[8]。

5 小结

综上所述，矿山安全生产关系着国家的形象，受到了社会各界的广泛关注。露天开采在我国金属矿开采中所占比例较高，但是在露天开采过程中面临的一大安全问题便是边坡稳定性。而导致露天金属矿开采过程中边坡不稳定的因素较多，除了地质条件外，还包含自然因素与人为因素等等，一旦发生边坡滑坡，轻则造成重大经济损失，重则造成人员伤亡。因此在开采过程中，必须积极应用安全施工技术和加固技术，本文提出了采用HDPE防渗膜护坡加固技术、抗滑桩支护加固技术、锚杆加固技术、生态护坡技术、优化金属露天矿境界外驻留矿开采技术、对边坡的各项参数进行科学控制、实现开采技术的连续化与集约化等，从而提升边坡的稳定性，降低安全事故发生率。