露天礦邊坡穩定性分析

1露天礦邊坡失穩事件為防治工作帶來的一些思考隨著天開采規模的擴大，露天開采深度也迅速增加。同時，露天礦邊坡的暴露高度也在增加。一些室外礦區形成了塌陷礦區和深凹礦區。由于邊坡不穩定因素的影響和邊坡安全管理的不善,可能會導致露天礦邊坡滑坡,給礦山人員安全、國家財產和礦產資源帶來嚴重的危害和損失。以撫順西露天礦為例,自1914年投產以來,至1985年共發生滑坡60次,為處理滑坡,共削坡減災剝離巖石近一億立方米。滑坡造成了多次重大事故。1996年5月3日的元陽老金山采礦區滑坡,死亡372人,直接經濟損失1.6億元。一方面,露天礦邊坡失穩事件不斷出現,給礦山生產和安全造成威脅和巨大損失;另一方面,露天礦的深度加大,邊坡角每增加一度,就可以使礦山企業減少數以千萬噸計的剝離量,從而能很大程度地降低開采成本,獲得巨大經濟效益,安全與經濟形成了尖銳矛盾。因此,做好露天礦邊坡事故的防治工作,對保證露天礦山的安全生產和企業發展具有重要意義。因此本文根據露天礦自身特點,從理論上探討露天礦滑坡災害及其防治。2地質條件的特性露天礦邊坡與其它一些邊坡工程如:鐵路、公路、水庫、水壩等形成的邊坡相比,有以下一些特點:⑴露天礦邊坡一般比較高,從幾十米到幾百米均有,走向長從幾百米到數公里,因而邊坡揭露的巖層多,邊坡各部分地質條件差異大,變化復雜。⑵露天礦最終邊坡是由上而下逐步形成,上部邊坡服務年限可達幾十年,下部邊坡則服務年限較短,底部邊坡在采礦結束時即可廢止,因此上下部邊坡的穩定性要求也不相同。⑶露天礦場每天頻繁的穿孔、爆破作業和車輛行走,使邊坡巖體經常受到震動影響。⑷露天礦邊坡是用爆破、機械開挖等手段形成的,坡度是人為的強度控制,因此邊坡巖體較破碎,并易受風化影響產生次生裂隙,破壞巖體的完整性,降低巖體強度。⑸露天礦邊坡的穩定性隨著開采作業的進行不斷發生變化。3影響露天開采邊坡穩定性的因素3.1巖體邊坡穩定性的影響因素露天礦邊坡是由不同地質條件的巖層組成的,巖體自身的因素對露天礦邊坡的穩定性有著決定性的影響。巖體是由各種形狀的巖塊和結構面組成的地質體,巖塊的強度與其組成成分、結構、構造有關。這里主要介紹結構面對巖體邊坡穩定性的影響。巖體中的結構面都是弱面,比較破碎,易風化。結構面中的縫隙往往被易風化的次生礦物所充填,因此,其抗剪強度低,破壞了巖體的完整性。很多滑坡并不是由于巖石達到極限強度破壞所至,而是由結構面的強度決定了邊坡的穩定性,滑坡一般就是沿結構面發生的。結構面的存在,為地表水的滲入和地下水的活動提供了良好的通道。水活動的結果,使巖石和結構面的強度進一步降低。結構面控制了滑體的滑動面及邊緣輪廓,甚至決定了邊坡破壞的類型。3.2水對邊坡的作用水對邊坡的穩定性有顯著影響,地表水的滲入和地下水的活動往往是導致露天礦滑坡的重要原因,許多滑坡具有“大雨大滑、小雨小滑、無雨不滑”的特點。水對邊坡的作用主要體現在:處于水下的透水將承受水的浮托力作用;不透水的邊坡將承受靜水壓力;充水的張開裂隙將承受裂隙水壓力的作用;地下水的滲透流動,將對坡體產生動水壓力。另一方面,水對巖體邊坡將產生軟化作用,降低巖體的強度。3.3影響穩定性的因素露天礦的生產過程中,經常要進行爆破作業,爆破震動不可避免的會對邊坡穩定性產生影響。當爆破地震波通過巖體時,給巖體的潛在破壞面以附加的振動力,使原生結構面和構造結構面的規模增大,并且還產生次生結構面(爆破裂隙),長期的爆破作業也會使巖體產生疲勞效應,從而影響邊坡的穩定性。3.4風化作用⑴邊坡上存在構筑物,增加了邊坡的下滑力,引起邊坡下滑位移,同時也影響了上部構筑物的安全。⑵邊坡設計不合理,為了減少剝離量,增大邊坡角。同時,在坡角一定是,增加邊坡的高度,也不利于邊坡的穩定,因為這增加了邊坡巖體的重量。⑶風化作用能造成巖體原生結構面和構造結構面的規模增大,條件惡化,并可產生風化裂隙等次生結構面,長時間的風化作用,還會使巖體自身強度降低。因此,長時間的風化作用勢必對邊坡穩定性產生不利影響。⑷在地震頻繁的地區,地震對邊坡穩定性的影響也不容忽視。4礦山不穩定邊坡的治理應及時采取為在露天礦建設的初期,應充分收集礦山的地質資料,了解礦山地質情況,進行合理的開采設計。在生產過程中,應做好對邊坡的監測工作,如發現問題,應及時采取措施。不穩定邊坡會給露天礦的生產帶來極大的危害,因此礦山企業應十分重視不穩定邊坡的監控,并及時采取合理的工程技術措施,防止滑坡的發生,從而確保生產人員和設備的安全。我國對露天礦邊坡穩定問題的研究始于上世紀50年代,當時僅限于煤礦。60年代初大冶露天鐵礦發生滑坡,從此開始了金屬露天礦的邊坡穩定研究。特別是80年代以來,各種新的工程技術治理方法得到了有力的推廣,獲得了良好的效率。4.1采剝排巖場邊坡穩定問題⑴確定合理的臺階高度,進行分層回采。對于小型露天礦和采石場,有條件的均應采用分層開采,使較高的采場分成幾個臺階開采。以降低邊坡的相對高度。暫時不能分層的礦場也應采取措施,控制邊坡的穩定性,如減小邊坡角,提前開挖山頭部分,使邊坡的絕對高度降低等措施(見圖1)。⑵確定合理的開采順序和推進方案。在生產過程中要堅持從上到下的開采順序,堅持打下向孔或傾斜孔,杜絕在作業臺階底部進行掏底開采,避免邊坡形成傘檐狀和空洞,一般情況下應選用從上盤到下盤的采剝推進方向,做到有計劃有條理的開采。如圖1(a)所示,在開采水平礦體時可從礦田中央開始,向兩翼推進,在開采結束前形成最終邊坡角,最終邊坡角可以很陡而不需擔心其失穩。圖1(b)是水平礦體從礦田的一翼向另一翼開采,一翼首先形成最終邊坡,但采空區作為內部排巖場,邊坡受到內部排巖場的支撐,邊坡穩定問題變成了排巖場的穩定問題。圖1(c)表示急傾斜礦體沿露天礦底幫開拓,下盤的上部邊坡迅速出露且存在時間與露天礦的壽命同長,此邊坡往往設有運輸道路,邊坡穩定的要求高,邊坡角往往較緩。圖1(d)表示急傾斜礦體沿礦體下盤開拓,設臨時非工作幫,開采到一定深度后向外擴幫形成最終邊坡,露天礦的頂、底盤永久邊坡出露較晚,且上盤先出露,下盤后出露,有利于控制不穩定的巖層。圖1(e)為沿主礦體開拓,形成兩個工作幫,頂、底盤邊坡的出露都較晚,有利于掌握邊坡的穩定狀態。⑶由于爆破作業產生的地震可以使巖體的節理張開,因此在接近邊坡地段盡量不采用大規模的齊發爆破,可以采用微差爆破、預裂爆破、光面爆破等控制爆破技術,并嚴格控制同時爆破的炸藥量。在采場內盡量不使用拋擲爆破,應采用松動爆破,以防止飛石傷人,減少對邊坡的破壞。4.2邊坡監測的功能監測的目的是為邊坡及后階段的開采提供技術依據,圈定失穩邊坡的范圍,掌握邊坡體的變形規律,探測潛在失穩邊坡的滑移面,確定滑體的體積及位移的速率和方向,了解地下水及爆破震動對邊坡的影響程度,以便及時掌握邊坡動態,保證礦山的安全生產。邊坡監測的內容包括:巖體位移監測(包括地表位移監測和地下位移監測)、地下水監測、地震和爆破震動監測等。⑴地表位移監測:穩定地段建立測量基準點,在被測量的邊坡上設若干觀測點,用儀器定期測量測點和基準點之間的位移變化量。地表位移監測是邊坡監測的重要組成部分,它可以準確地掌握邊坡整體的變形特征,圈定滑坡的范圍,具有測程遠,操作簡便,可以及時反映坡體變形規律的特點。⑵地下位移監測:分為兩種類型,一種為固定式,是將傳感器通過鉆孔固設在地層中,另一類為移動式,是在鉆孔中安裝觀測管,利用移動式鉆孔傾斜儀進行觀測,從而達到探測深部巖體位移的目的。⑶地下水的監測:通過鉆孔來實現,將鉆孔打在待測層位,然后安裝水壓計,探測邊坡體內地下水的分布規律。通過觀測數據可描繪出邊坡內地下水的分布規律,為制定疏干排水措施及穩定性分析提供可靠的依據。⑷地震、爆破震動的監測:地震的監測主要依靠有關部門的協作。爆破震動監測是通過對爆破產生的地震波的測試,解析出最大位移、速度、加速度、主振頻率、波動速度和振動持續時間等參數,來衡量爆破對邊坡的影響程度。4.3邊坡疏干加固的方法⑴地表排水。一般是在邊坡巖體外面修筑排水溝,使地面水在流過坡地面張裂縫之前就被排走。排水溝要有一定的坡度,底面不能漏水,不能使水停留在地表。有開口張裂縫的部位要用柔性物料如:粘土將裂縫填塞密封。當裂縫較寬時,先用礫石或廢石充填,頂部再用柔性物料填塞密封,但應注意不能用灰漿或混凝土充填張裂縫,它在邊坡巖體內起阻水作用,形成水壓將影響邊坡的穩定性。⑵水平疏干孔。從邊坡打入水平或接近水平的疏干孔,對于降低裂隙底部或潛在破壞面附近的水壓是有效的。水平疏干孔的位置和間距,取決于邊坡的幾何形狀和巖體中結構面的分布情況。在堅硬巖石邊坡中,水一般沿節理流動,如果水平孔能穿過這些節理,則疏干效果會很好。水平疏干孔的主要優點是施工比較迅速,安裝簡便,靠重力疏干,幾乎不需要維護,布設靈活,能適應地質條件的變化。缺點是疏干影響范圍有限,而且只有在邊坡形成后才能安裝。⑶垂直疏干井。在邊坡頂部鉆鑿豎直小井,井中配裝深井泵或潛水泵,排除邊坡巖體裂隙中的地下水,是邊坡疏干的有效方法之一。在巖質邊坡中疏干井必須垂直于有水的結構面,以利于提高疏干效果。在堅硬巖體中,大部分水是通過構造斷裂流動的。垂直疏干井與水平疏干孔相比,其主要優點是它們可以在邊坡開挖前安裝并開始疏干。而且,不論何時安裝,這種裝置均不與采礦作業相互干擾。采礦前疏干有較大好處,因為在某些情況下,疏干井抽水費用可能由于爆破及運輸費用的降低而得到彌補。抽出的水常常是清潔的,可用于選礦廠或其他方面。⑷地下疏干坑道。采用坑道排水是地下疏干最有效的方法,因它穿越的斷面較大,交切較多的地質結構面自流排水,在低溫條件下不受地表凍結影響,不與采場作業面相干擾能長期使用。但由于開挖量較大、費用較高,僅作為疏干地下水的坑道,只是在硬巖中的重要邊體、地下水豐富且對水流情況了解詳細準確的情況下較為適用。坑道開挖后在其內打扇形排水孔以便更多交切地質結構面,使坑道排水發揮更大作用。地表排水、水平疏干孔、垂直疏干井、地下疏干坑道等方式如圖2所示。⑸防滲帷幕與地下連續墻。若在礦區周圍存在河流,且巖體裂隙比較發育時,若采用上述方法,將達不到預定的效果,有時甚至還會引起礦坑涌水。此時應在開采境界之外建一防滲帷幕。具體方法是:在地下水涌入露天采場的通道上,鉆若干個有一定間距的注漿鉆孔,并向鉆孔內注入漿液,依靠漿液在巖縫中擴散、凝結而構成一道擋水隔墻,稱為防滲帷幕。用以攔截帷幕以外的大量地下水涌入采場。如圖3所示。采用防滲帷幕防水,可以節約大量的排水費用,在巖溶發育的礦區,可以避免因疏干排水而引起的地表塌陷保護農田和建筑物。另外,也可用建地下連續墻的方式來排水,具體方法是:使用某種安定液(如以Polymer,Bentonite等為主要材料)作為護壁的情況下開挖溝槽,在溝槽內插入鋼筋,澆筑混凝土等從而形成土中墻體,然后再把它們連接起來,形成一個較為長大的連續墻體。該方法原本用于深基坑、地下鐵道、市政管溝、盾構工程的豎井、碼頭、地下油庫等重要工程中,在露天礦邊坡加固工程中用的比較少,還處于初步階段,在唐山市遷安神龍峽露天礦的邊坡防水及加固治理中,取得了較好的效果。如圖4所示。4.4錨桿加固對邊坡滑力的影響防水與疏干排水的方法是通過排除巖體強度降低的根源來改善邊坡的穩定性,而人工加固的方法是通過增大巖石強度改善邊坡的穩定性,這是兩種方法的不同之處。采用任何加固方法都要進行工程與經濟分析,以論證加固的可行性和經濟性,在防排水或其它方式不可行或代價更高時,才考慮采用人工加固。人工加固邊坡是較為有效的方法之一,它不但可以加固已產生移動的和不穩定邊坡,而且經過加固還可以提高邊坡角達到少剝多采的目的,使礦山獲得較好的經濟效益。采用的加固方法一般有噴錨加固、抗滑樁、壓力灌漿、混凝土護坡和噴漿防滲等,這里主要介紹前三種加固方法。⑴噴錨加固法。噴錨加固法是在表面噴射混凝土以保護邊坡表面免遭風化和碎塊坍落,并用錨桿或錨索固定滑體的簡稱。在邊坡表面嚴重破碎、石塊滾落威脅采場安全時,通常在邊坡表面鋪設金屬網,然后噴混凝土。錨桿(索)一般有錨頭、拉伸段及錨固段三部分組成。錨頭在錨桿(索)的外面,它的作用是給錨桿(索)施加作用力。拉伸段在孔內,其作用是將錨桿(索)獲得的預應力(拉應力)均勻地傳給錨桿孔的圍巖,增大弱面上的法向應力(正應力),從而提高抗滑力。對于堅硬而又較破碎的巖石,錨桿的預應力可使錨桿孔圍巖產生壓應力,從而增大了破碎巖塊間的摩擦阻力,提高了圍巖的抗剪強度。對于非預應力錨桿,只在安裝完后錨桿受拉時,將應力均勻地傳給圍巖。錨固段在錨桿(索)孔的孔底,它的作用是提供錨固力。錨桿在安裝時,由于孔與弱面之間的夾角不同,錨桿所起的作用也不同。因此應該尋求一個最合理的位置,讓錨桿發揮最大的作用。錨桿與弱面間的關系如圖5所示。它有三種不同的錨固方向,從圖5(a)中可看出,當錨桿垂直于弱面時,錨桿僅給弱面提供一個摩擦阻力p。如圖5(b)、(c)所示β<90°,此時錨桿的錨固力不僅給弱面提供一個摩擦阻力pv,而且還提供向上抗滑力ph,圖5(c)所提供的抗滑力較圖5(b)所提供的抗滑力更大。按照極限平衡理論,γ角應為一負角,即錨桿向上與水平面間的夾角為5°～10°最理想。圖5(d)所示的情況是β>90°,此時錨桿的錨固力不僅產生一個有利于邊坡穩定的摩擦阻力pv外,還將產生一個助滑力ph。綜上所述,圖5(a)、(b)、(d)的錨固方向不可取。國內外采用錨桿(索)加固的實例很多,無論是安全上、經濟效益上都取得了明顯效果。1974年美國某露天銅礦成功地使用了鋼錨索加固邊坡,該礦的原最終邊坡角為40°,開采深度為304.8m,用鋼繩錨索加固邊坡,使最終邊坡角提高到50°,因而獲得經濟效益約1000萬美元。又如加拿大某露天礦用大型鋼繩錨索加固一個深為183m的露天礦邊坡,從而使最終邊坡角由45°提高到了50°,于是坡面每延深1m,即可節省開采成本費19800美元(對比原來的邊坡角)。我國大冶鐵礦用錨桿成功地加固了一個24m高的楔形滑體,也取得了明顯的效果。⑵用抗滑樁加固邊坡(見圖6)。抗滑樁加固邊坡一般用在具有潛在滑動面的堅硬巖體邊坡。抗滑樁抵抗著邊坡滑動時沿著滑面有很薄一層巖