鐵礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析及其控制技術(shù)

馮金旭，李貽兵，劉 號(hào)

（1.太鋼尖山鐵礦，陜西 太原 030300；2.中勘冶金勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河北 保定 071069）

鐵礦開采作業(yè)過程中，由于安全管理工作不到位，加之周圍自然環(huán)境因素的影響，使得邊坡穩(wěn)定性降低，最終出現(xiàn)滑坡、坍塌等嚴(yán)重事故，不僅給鐵礦正常生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)造成影響，同時(shí)也給人員的生命安全構(gòu)成威脅。針對(duì)這一嚴(yán)重問題，必須要引起足夠的重視，通過結(jié)合鐵礦實(shí)際情況，找出邊坡穩(wěn)定性影響因素，開展針對(duì)性的預(yù)防控制措施，將事故發(fā)生概率降至最低，有效提升邊坡穩(wěn)定性。

1 鐵礦概況

某鐵礦位于寒區(qū)地帶，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，夏季炎熱干燥，冬季氣溫一般為-20℃～-35℃，夏季氣溫為20℃～33℃。鐵礦礦床東西長(zhǎng)3400m，寬650m，面積約2.0km2，該鐵礦現(xiàn)采用露天開采，最終邊坡高度可達(dá)260m。就當(dāng)前該鐵礦開采現(xiàn)狀進(jìn)行研究和分析發(fā)現(xiàn)，隨著其作業(yè)水平的不斷提升，在對(duì)邊坡加大開挖過程中，因?yàn)榕R空面和結(jié)構(gòu)面組合切割，導(dǎo)致邊坡當(dāng)中一些巖體出現(xiàn)變形，最終由于局部巖體失穩(wěn)而影響邊坡整體穩(wěn)定性。從礦山邊坡巖性角度看，該鐵礦邊坡當(dāng)中主要存在以下幾種巖體，包括變粒巖、角閃變粒巖以及條帶狀角閃變粒巖等，其它還有一些巖體雖然存在，但是比較少，例如黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖等。從礦區(qū)地下水文情況進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)地下水不發(fā)育，但是由于鐵礦所處寒區(qū)，冬季降雪普遍較大，大面積的積雪覆蓋會(huì)在春天溫度升高時(shí)融化成水源，以此形成的地下水會(huì)對(duì)邊坡巖層構(gòu)成影響，出現(xiàn)不同程度的坍塌。由此可見，該鐵礦邊坡整體穩(wěn)定性較好，但是也存在局部不穩(wěn)定的問題，實(shí)際當(dāng)中需要加以預(yù)防和控制，如果任由其發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步增大安全事故發(fā)生的概率。

2 鐵礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 巖性的影響

對(duì)本次研究的鐵礦邊坡巖性進(jìn)行分析和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，邊坡巖性力學(xué)性能較好，特別是變粒巖、角閃變粒巖等，單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪切能力等參數(shù)都十分良好，但是邊坡中其它的一些巖體力學(xué)性能卻比較差，例如黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，其單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)比其它巖體較低，所以該巖體所在區(qū)域的邊坡通常穩(wěn)定性會(huì)差很多，后續(xù)的控制和防護(hù)要給予高度重視。不僅如此，該鐵礦邊坡巖體還存在圍巖蝕變情況，造成這一問題的主要是變粒巖，由于該巖體容易風(fēng)化，加之性脆、鈣化嚴(yán)重，并且破碎后呈現(xiàn)粉末狀，所以對(duì)于邊坡強(qiáng)度的干擾十分嚴(yán)重，但是該情況出現(xiàn)的范圍相對(duì)比較低，所以后續(xù)控制相對(duì)容易。

2.2 地下水的影響

地下水是影響鐵礦邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素之一，主要表現(xiàn)如下，即邊坡巖體的溶蝕、軟化以及沖刷等，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致巖層物理力學(xué)性能劣化，造成巖層強(qiáng)度下降，最終影響邊坡穩(wěn)定性，出現(xiàn)坍塌及滑坡等嚴(yán)重事故。而對(duì)于一些寒區(qū)礦山地帶，地下水對(duì)于鐵礦邊坡穩(wěn)定性的影響相對(duì)更大一些，因?yàn)槠涑吮旧硭斐傻挠绊懲猓€會(huì)加劇凍融循環(huán)效應(yīng)，如此一來(lái)就間接的破壞了邊坡穩(wěn)定性。對(duì)于該鐵礦邊坡來(lái)說(shuō)，礦區(qū)所在地的地下水主要形成有兩種，一種是天然的降水，還有一種是冬季積雪融化所形成的水。

2.3 爆破振動(dòng)的影響

該鐵礦邊坡穩(wěn)定性受到爆破振動(dòng)的影響較大，通過調(diào)查研究顯示，該礦山開采過程中深孔爆破每周大約在2次～3次左右，爆破的藥量最多可達(dá)到10t左右，單段藥量最多3t，并且爆破中一次淺孔及二次破碎時(shí)常進(jìn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，爆破振動(dòng)速度最大可達(dá)到35.14cm/s，可見后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性預(yù)防控制中，應(yīng)當(dāng)格外重視爆破振動(dòng)因素的控制及防護(hù)。

2.4 凍融的影響

相對(duì)比其它區(qū)域的鐵礦邊坡，寒區(qū)礦山邊坡會(huì)受到凍融循環(huán)作用的影響，這也是寒區(qū)礦山邊坡的主要特性。本次研究的礦山邊坡節(jié)理裂隙較發(fā)育，因?yàn)樗幍貛楹畢^(qū)，冬季降雪量較大，積雪會(huì)覆蓋到巖體之上，而當(dāng)氣溫升高時(shí)，積雪融化所產(chǎn)生的水分會(huì)沿著節(jié)理裂隙進(jìn)入到巖體中，讓巖層當(dāng)中的空隙充滿水，此時(shí)含有過量水分的巖層會(huì)隨之周圍溫度的改變而出現(xiàn)一定程度的變形，即溫度降低導(dǎo)致水分膨脹引發(fā)巖層變形，這樣巖體的相應(yīng)強(qiáng)度和性能就會(huì)進(jìn)一步降低，最終邊坡穩(wěn)定性受到干擾。

3 鐵礦邊坡穩(wěn)定性控制技術(shù)要點(diǎn)探究

3.1 鐵礦邊坡穩(wěn)定性控制原則

由實(shí)際對(duì)該鐵礦進(jìn)行調(diào)查和勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，鐵礦高陡坡暫時(shí)不存在大規(guī)模的滑坡以及崩塌問題，主要是局部崩塌、淺表層滑坡以及滾石等。針對(duì)這一問題，要想提升鐵礦邊坡穩(wěn)定性，不需要進(jìn)行大規(guī)模的加固處理，主要的穩(wěn)定性控制原則如下，即“以預(yù)防為主，必要的工程加固為輔”。對(duì)于預(yù)防性安全理念而言，這屬于一種全新的控制理念，其本質(zhì)在于防患于未然，以達(dá)到降低安全事故發(fā)生概率的效果，同時(shí)也最大程度的提升礦山經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)本次研究中鐵礦高陡坡預(yù)防性控制而言，其主要針對(duì)上述論述的邊坡穩(wěn)定性的各類影響因素進(jìn)行分析，明確高陡坡邊坡安全問題要點(diǎn)，并且制定科學(xué)合理的預(yù)防性控制體系，同時(shí)實(shí)施有效的解決措施，達(dá)到降低安全問題出現(xiàn)概率目的。

3.2 鐵礦邊坡穩(wěn)定性預(yù)防控制措施

上述分析了鐵礦邊坡穩(wěn)定性的幾方面影響因素，接下來(lái)主要針對(duì)幾點(diǎn)影響因素分析預(yù)防性控制措施，具體如下。

3.2.1 邊坡巡查

鐵礦邊坡開挖前需要進(jìn)行地質(zhì)勘察工作，但是由于地質(zhì)勘察效率不高，所以無(wú)法提供準(zhǔn)確全面的地質(zhì)資料信息，加之鐵礦作業(yè)過程中存在諸多不穩(wěn)定因素，因此在邊坡開挖后需要在服務(wù)期內(nèi)進(jìn)行邊坡狀態(tài)、異常情況的監(jiān)測(cè)工作，這就是所謂的邊坡巡查，其目的是及時(shí)掌握鐵礦邊坡穩(wěn)定性情況，以便于最早發(fā)現(xiàn)安全隱患，并進(jìn)行有效的預(yù)防及處理。通常情況下，對(duì)于鐵礦邊坡巡查工作來(lái)說(shuō)，其主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：第一，對(duì)鐵礦邊坡形態(tài)、角度以及臺(tái)階寬度等參數(shù)是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；第二，明確邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育部位以及軟弱地帶是否存在不穩(wěn)定性因素；第三，鐵礦邊坡存在的不穩(wěn)定體是否存在進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)；第四，邊坡是否存在滾石墜落問題，是否對(duì)人員、設(shè)備等造成嚴(yán)重影響。

3.2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警

邊坡巡查是提升邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，而邊坡監(jiān)測(cè)則是邊坡安全控制的核心，其就像是一雙“眼睛”，實(shí)時(shí)掌握邊坡安全狀態(tài)，并通過制定科學(xué)合理的措施提升邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)也可以有效明確邊坡變形破壞的具體過程，然后經(jīng)過進(jìn)一步分析判斷崩滑體在不同階段的自穩(wěn)狀態(tài)，以便于進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，將安全事故發(fā)生損失將至最低。針對(duì)本次研究中的鐵礦邊坡來(lái)說(shuō)，其邊坡監(jiān)測(cè)中可以選擇二級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)格型監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，主要進(jìn)行平面監(jiān)測(cè)和高程監(jiān)測(cè)。結(jié)合該鐵礦實(shí)際情況，邊坡監(jiān)測(cè)要點(diǎn)詳細(xì)體現(xiàn)如下：第一，觀測(cè)點(diǎn)位的布置中，水平方向上保持觀測(cè)點(diǎn)相距100m～200m左右，豎直方向上保持觀測(cè)點(diǎn)相距2個(gè)～4個(gè)臺(tái)階即可；第二，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置要求在水平、豎直以及斜向上的方向可以連接成為直線，形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，便于實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)；第三，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選擇并不是盲目開展的，其選擇需要具備代表性和準(zhǔn)確性；第四，監(jiān)測(cè)點(diǎn)所連接的直線形成的監(jiān)測(cè)剖面應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)在重要的位置和區(qū)域，例如節(jié)理發(fā)育部位、巖體破碎地段等，以確保邊坡監(jiān)測(cè)可以有效發(fā)揮效果，達(dá)到提升邊坡穩(wěn)定性目的。

3.2.3 控制爆破

通過上述的分析和研究發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)是影響鐵礦邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素，其中爆破振動(dòng)的強(qiáng)度與諸多因素存在關(guān)聯(lián)。大量的調(diào)查研究顯示，爆破振動(dòng)強(qiáng)度通常與爆破類型、爆破心距離、裝藥量、介質(zhì)以及起爆方法等存在關(guān)聯(lián)，而其中介質(zhì)以及地質(zhì)等因素是無(wú)法控制和改變的，所以要想通過控制爆破來(lái)提升鐵礦邊坡的穩(wěn)定性，就需要從其它幾方面著手。一般而言，控制爆破大都在靠幫爆破時(shí)開展，通過有效的控制爆破可以確保邊坡具備足夠高的平整度及安全形態(tài)，達(dá)到提升邊坡穩(wěn)定性的效果，而且還可以最大程度的避免爆破對(duì)邊坡巖體造成較大的損傷，保持其具備正常的力學(xué)性能，最終避免不穩(wěn)定性因素的產(chǎn)生。由此可見，控制爆破屬于預(yù)防性的控制措施，其在邊坡穩(wěn)定性控制技術(shù)當(dāng)中效果十分顯著。結(jié)合本次研究中鐵礦的實(shí)際特點(diǎn)，開展科學(xué)有效的控制爆破措施，詳細(xì)如下：第一，針對(duì)巖體破碎區(qū)域的爆破，可以實(shí)施預(yù)裂爆破，目的是避免大型爆破對(duì)邊坡造成較大的影響和損傷，提升邊坡穩(wěn)定性；第二，雖然爆破中應(yīng)用光面爆破比較常見，但是其中的大藥量爆破也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成嚴(yán)重?fù)p傷，在這種情況下就需要對(duì)光面爆破參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過微差爆破的方式控制單段藥量，降低大藥量爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.2.4 凍融效應(yīng)阻隔

凍融效應(yīng)對(duì)于該鐵礦邊坡穩(wěn)定性的影響比較大，其本質(zhì)是寒區(qū)積雪在溫度升高而融化成水，然后流入到巖層空隙當(dāng)中，以此造成的嚴(yán)重影響和干擾，因此要想有效解決這一問題，就需要對(duì)凍融效應(yīng)進(jìn)行阻隔，切斷雨水入滲的通道，進(jìn)而達(dá)到提升邊坡穩(wěn)定性目的?？紤]該鐵礦邊坡實(shí)際情況，為了讓這種阻隔效果發(fā)揮的最為理想，在開展措施前，又必須要根據(jù)前期巡查和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，特別是一些危險(xiǎn)區(qū)域，在合理分析相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，制定有效的凍融阻隔措施，并且明確其中存在的不穩(wěn)定體，為后續(xù)的處理提供指導(dǎo)。對(duì)于不穩(wěn)定體的處理，建議在每年冬歇期對(duì)其表面進(jìn)行混凝土材料噴射，目的是形成一層混凝土保護(hù)層，這種凍融阻隔效果顯然更加理想，同時(shí)它還可以起到防止巖體風(fēng)化目的。

3.2.5 工程加固措施

對(duì)于本次研究中的鐵礦而言，雖然通過合理施工設(shè)計(jì)以及預(yù)防性控制，使得鐵礦作業(yè)過程中沒有發(fā)生大規(guī)模的滑坡和崩塌問題，但是隨著施工作業(yè)的進(jìn)一步開展以及其它因素的作用，不可避免的會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定體。針對(duì)這一情況，需要在礦山服務(wù)期間加強(qiáng)邊坡巡查和監(jiān)測(cè)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響邊坡安全的不穩(wěn)定體，然后實(shí)施加固處理，一般加固手段包括以下兩種：第一，柔性防護(hù)。該加固措施是利用鋼繩網(wǎng)作為主要的加固結(jié)構(gòu)，將巖石動(dòng)能轉(zhuǎn)換為鋼繩網(wǎng)變形能，防止巖體崩塌和滾石的出現(xiàn)。對(duì)于柔性防護(hù)系統(tǒng)而言，其可以細(xì)分為被動(dòng)防護(hù)和主動(dòng)防護(hù)兩種，兩種防護(hù)系統(tǒng)既可以一起使用，也可以分開使用，具體需要結(jié)合實(shí)際選擇；第二，噴錨網(wǎng)加固，其是目前比較常見的一種加固方式，即可噴射混凝土、掛鋼網(wǎng)、錨桿單獨(dú)實(shí)施，也可以相互結(jié)合使用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本次研究通過實(shí)例分析，確定了影響煤礦邊坡穩(wěn)定性的常見影響因素，包括巖性、地下水、爆破振動(dòng)以及凍融等，針對(duì)這些穩(wěn)定性影響因素，必須要開展針對(duì)性的預(yù)防控制措施，同時(shí)加強(qiáng)煤礦邊坡的巡查和監(jiān)測(cè)以及加固處理，以達(dá)到提升邊坡穩(wěn)定性目的。