大型露天矿山开采边坡处安全开采技术

魏勃

摘要：为提高边坡开采中结构的稳定性，以某大型露天矿山工程为例，对矿山边坡安全开采技术的规范化实施展开设计研究。采用锚杆法对边坡进行加固，根据设计需求，设计矿山边坡中的仰斜式挡墙与直立式挡墙。采用逐层爆破技术，设计边坡开采装药。建立作业现场与安全管理终端之间的通信连接，设计边坡开采安全预警。经实例检验，证明所设计方案有助于提高露天矿开采过程中边坡稳定系数，保证矿体结构的稳定性与安全性，降低开采作业中安全事故的发生。

关键词：安全预警；安全挡墙；安全开采技术；装药量；开采边坡

0   引言

矿山开采行为会引起周边地质环境的剧变，导致边坡出现失稳现象，从而诱发边坡的安全问题。同时，长期的采矿活动对地质构造影响很大，所以在采矿中要重视工程的时效性，尽量减少开采行为对地质构造变化的影响。

与其他工程相比，矿山工程的施工作业条件更为复杂和严峻[1]。尤其是此类工程的实施会受到当地气候条件变化的影响，导致矿山边坡出现较大的地质构造活动。为了保证露天采矿时的边坡稳定性，提高边坡作业的安全性，并为其提供了可靠的保障，矿山开采企业都加大了对边坡开采中的安全设计。深入研究发现，矿山岩体及其变质程度对坡面安全有较大的影响。根据大量生产实践和生产报告可知，边坡岩体结构的异常是引起滑坡的主要原因[2]。

对岩体进行开采中的安全评价，其关键在于其表层特性能否经受自然条件的影响。当前一般的劣质岩层多为软弱表层构造，此类岩体表面大多裂缝过多，会对边坡的安全和质量造成很大影响。一般的结晶构造，包括变质岩等，在结构中能起到较好的胶结作用[3]。但这种胶结结构不仅会严重地影响岩体结构和稳定性，还可能造成滑坡等灾害。

为解决此方面问题，提高矿山工程作业的安全性，本文将在此次研究中，以某大型露天矿山工程为例，对矿山边坡安全开采技术的规范化实施展开设计研究，旨在通过此次设计，提高矿山工程边坡开采作业的安全性。

1   工程概况

矿山工程是保证社会经济产业稳定产出的主要工程项目之一，也是安全事故频发的工程，为提高此类工程的安全性，需加大对矿山边坡开采安全性技术的应用。

为确保相关工作的实施达到预期，施工前，应根据工程需求，对矿山现状展开调研[4]。所选的矿山工程为石英岩，根据有关单位对此矿山的勘探，掌握此矿山的开采现状，相关内容如表1所示。

在深入相关方面的调研中发现，此矿山的资源产出相对稳定，地质条件、构造良好，整体开采条件良好。将3个矿体标号为1、2、3，其中1号矿体的全长为1747m，厚度在23～197m范围内，2号矿体的全长为364m，厚度在5～14m范围内，3号矿体的全长为1020m，厚度在4.5～21m范围内。

2   矿山边坡安全开采施工方案

2.1   设置开采边坡位置安全挡墙

为提高矿山边坡开采施工的安全性，可采用設置边坡位置安全挡墙的方式，对边坡结构进行支护与加固。在此过程中，可采用锚杆法对边坡进行加固。

在采用锚杆补强技术时，必须明确错位的标准长度和所采用的挡墙厚度[5]。在实际工程中，还必须对锚杆的长度和邻近的锚杆间距进行精确地控制。

根据设计需求，针对矿山边坡设计仰斜式挡墙与直立式挡墙，如图1所示。在此过程中，需要先清理矿山现场的土渣，采用锚杆加固的钢筋混凝土设置挡墙，如有需要，可结合悬挂网或喷淋混凝土。

对岩性硬度等级为F的挡土墙支护时，矿山的边坡角应控制在30～80°范围内[6]。且立柱之间的间隔应控制在2.5～3.5m范围内。根据其高度，设置2～3个锚杆。通常情况下，锚杆的水平方向倾斜角度在10～45°范围内。

在进行安全挡墙的分层布置时，各层的高度不得超过6m，两层之间应留出1～2m的台阶，以保证作业的安全性[7]。在此基础上，采用双层钢网进行挡墙的加厚，以达到加固边坡的目的。

2.2   边坡开采装药设计

在上述设计内容的基础上，进行边坡开采装药量的设计。在此过程中，为避免爆破对边坡主体结构稳定性造成影响，采用逐层爆破技术。

中深孔段的爆破飞石数量较少，而基坑和边坡的爆破则较为突出，因此梯级深孔充填最少保证4m。填充物以碎石为主，禁止使用石粉，同时应强化炮眼、采矿深度和采矿孔壁的完整性测量。装药前，对其进行统一测量。装入最后一袋膨化硝酸钠后，进行装药量的集中检测，保证充填长度。

根据基底飞石较为严重的问题，通过长时间的观测发现，造成基底飞石的主要原因是填筑质量差，以及爆破工人在基底充填时出现孔洞。为解决这一问题，从管理上严格规定，浅孔充填时采用两个人共同操作，一人输送填充材料，一人用钻杆密封，以保证充填的密实度。

2.3   边坡开采安全预警

2.3.1   建立边坡滑坡位移微分方程

在此基础上，在作业现场与安全管理终端之间建立通信连接，并建立开采过程中边坡滑坡位移微分方程。方程表达式如下。

f=l/aln〔bx₀/a-bx₀〕（1）

公式（1）中：?表示开采过程中边坡滑坡位移函数；a表示边坡位移演化变量；b表示待定系数；x₀表示边坡位移间距。

2.3.2  边坡稳定系数计算

完成上述设计后，对开采过程中的边坡稳定程度进行计算。可将矿山开采过程中的边坡稳定系数，作为描述其稳定程度与安全程度的关键指标，其计算公式如下：

F=Wcosα·tanφ+c·l/Wsinα（2）

公式（2）中：F表示矿山开采过程中的边坡稳定系

数；α表示边坡滑面倾斜角度；φ表示边坡稳定的最大容许角度；W表示滑坡体重力；c表示土壤容重；l表示边坡安全距离。

2.3.3   设置稳定系数取值范围

完成计算后，结合矿山工程的实际情况，设定的有效取值范围。在边坡开采过程中，要求（稳定系数）应满足≥1.25的需求。特殊的情况下，的最小值允许减少至1.15。

2.3.4   失稳、滑坡等隐患判定

如边坡施工中其稳定系数满足上述条件，说明开采作业具有安全性，即边坡在此种条件下不存在失稳、滑坡等隐患[8-9]。反之，如计算后开采边坡不满足上述条件，说明开采技术的应用无法达到预期效果，即边坡在此种条件下存在失稳、滑坡等隐患，触发了边坡开采安全预警。

3   边坡开采方案应用

3.1   大型露天矿山工程开采条件

为检验设计的边坡开采施工方案在实际应用中的效果，本文以上文提出的矿山工程为例，对该露天矿的开采条件进行分析。大型露天矿山工程开采条件如表2所示。

3.2   边坡开采现存问题

通过大量的现场调研与测算，结合历年来此矿山工程的采矿成果可知，为满足市场对矿产资源的需求，开采单位对此矿山边坡开采的总投资已超过了4亿元。但根据工程方的反馈可知，近年来由于矿山边坡安全开采技术仍未完善，导致企业亏损严重，年均亏损超过8000万元，整个生产周期为负收益状态。

此外，由于开采深度的持续增大，露天边坡会逐渐向矿体内部收缩，从而产生大量的压帮矿，使露天采矿的回收率下降。开采到现阶段，露天矿的开采垂直高度超过400m，不仅很难保证开采过程中矿山结构的稳定性，还会诱发矿山现场安全事故。

3.3   边坡开采方案设计

为了保证矿山工程的顺利实施，在生产过程中，需要加大对边坡维护成本的投入。因此，在与工程方综合商议后，提出使用本文设计的方案，进行露天矿边坡安全开采。

开采过程中，根据作业区的实际情况，设置开采边坡位置安全挡墙，同时在现场设计边坡开挖孔，结合预期工程量，设计开采过程中的装药量。通过边坡的开采安全预警，实现安全开采技术在该矿山工程中的应用。

参照公式（2），以此为标准，选择时间点，计算边坡开采施工中的稳定系数，将其作为此次实验的结果。边坡稳定系数计算结果如表3所示。

根据上述表3所示的内容可以看出，所有的时间点对应的大型露天矿开采过程中边坡稳定系数计算结果，均满足≥1.25的要求。

3.4   应用效果

在完成上述实验后，得到如下所示的结论：本文设计的大型露天矿山开采边坡處安全开采技术，在实际应用中的效果良好。该技术可以提高露天矿开采过程中边坡稳定系数，保证矿体结构的稳定性与安全性，避免或降低开采作业中安全事故的发生。

4   结束语

近几年，矿山工业、冶金行业的发展趋势呈现迅猛状态。为满足企业建设与生产需求，矿山开采作业得到业内人士的广泛关注。在露天矿开采中，部分施工企业忽视边坡技术应用的合理性与作业中的安全管理，以求提高产量和经济效益为目标，盲目地开采矿产资源，造成矿产资源赋存量急剧降低。

施工方对边坡的防护技术不够重视，不仅会导致工程在实施中发生安全事故，还会对作业人员的个人安全造成威胁。为解决此方面问题，本文以某大型露天矿山工程为例，通过设置开采边坡位置安全挡墙、设计边坡开采布孔与装药量、设置边坡开采安全预警，对矿山边坡安全开采技术的规范化实施展开设计研究。

经检验后证明，该技术可以提高露天矿开采过程中边坡稳定系数，保证矿体结构的稳定性与安全性，避免或降低开采作业中安全事故的发生。

参考文献

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[3] 冯少杰，高晨，刘雷鹏，等.露天转地下开采L型工作面上覆岩体破坏规律及边坡治理方案研究[J].黑龙江工业学院学报（综合版），2022，22（4）：62-66.

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[9] 苏文杰.基于微震试验扫描监测技术的路堑高边坡稳定性分析[J].工程机械与维修，2022（3）：175-177.