露天礦開采中邊坡的穩(wěn)定性研究

＊宮 鑫

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司 山西 036506）

露天礦山的邊坡安全問題主要表現(xiàn)在滑坡上，隨著開采深度的不斷增加以及邊坡高度的不斷加大，使得邊坡穩(wěn)定性和安全性越來越差。近年來，由于地質(zhì)條件的劣化、應力環(huán)境的擾動和氣候條件變化異常等原因，我國各地的地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，每年發(fā)生的滑坡災害造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)十億元，人員傷亡高達數(shù)百人。而對于高深邊坡露天礦山而言，確保在采礦生產(chǎn)作業(yè)過程中邊坡的穩(wěn)定、安全高效的生產(chǎn)與提高企業(yè)的經(jīng)濟效益的問題比較突出。因此，進行露天礦山邊坡失穩(wěn)機制、預測預報、邊坡失穩(wěn)防治的基礎研究，有助于推動我國邊坡治理技術的發(fā)展，對于確保礦山的生產(chǎn)、人員與設備的安全具有十分重要的理論與實際的意義。

1.礦物的物理力學性質(zhì)

在某一煤礦靠幫邊坡中的礦物質(zhì)特性非常單一，其中含量最高的就是燈影組（Z?d）硅質(zhì)白云巖。對部分區(qū)域的土壤進行取樣并開展實驗檢測工作。對普通物料進行檢測，所采用的實驗方式大致分成兩種，包括：大型剪切實驗與室內(nèi)中型剪切實驗。因為實驗場地和實驗環(huán)境的局限，大型的原位剪切實驗開展的時間要久些，投入資金較多，實驗過程難度較高。室內(nèi)實驗的方式雖說也不夠完善，但是也屬于運用較為普遍的實驗模式，室內(nèi)實驗能夠?qū)ΜF(xiàn)場原位實驗方式中的缺陷進行補充，能夠大致映射出巖石體的基礎特點。將現(xiàn)場收集的散式樣本轉移到實驗室中實施中型剪切實驗，首要任務是對樣本實施裝樣處理，按照摩爾（Mohr）—庫倫（Coulomb）強度觀念，將垂直壓力P作用在實驗樣品上，對樣品的剪切工作可以利用水平剪切力F來完成，最后獲得剪切力τ。通過庫倫定律能夠獲得抗剪程度的數(shù)據(jù)：粘聚力c和內(nèi)摩擦角?。在實驗室中開展的中型剪切實驗可以獲得和物料密度與含水量有關的信息數(shù)據(jù)。在實驗完成以后把有關參數(shù)套用固定公式核算出法向應力參數(shù)與剪切應力參數(shù)。

2.影響邊坡穩(wěn)定性的因素

第一，邊坡的幾何形狀和形態(tài)。對邊坡結構進行科學適當?shù)脑O置可有效提升邊坡的安全穩(wěn)固性。邊坡幾何形狀主要是指坡面的幾何形狀與平面上邊坡的形態(tài)。通過臺階分層采掘的方式，臺階最高可達270m，而臺階坡面的角度則在70°上下，邊坡的高度在14m。這一平臺中的巖體比較破碎，巖性大都是白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白巖和含泥巖質(zhì)。表層土壤風化程度較高，為了預防出現(xiàn)邊坡滑落現(xiàn)象，對270平臺斷面進行了凹形設置，凹形斷面的穩(wěn)固性要遠遠高于凸形與直線形邊坡。直線形更適合用在坡高較低、巖石構造穩(wěn)固完整以及巖石性質(zhì)改變不強烈的邊坡上；而其中的凸形邊坡更適于坡底巖石穩(wěn)固完整而上坡構造不穩(wěn)松軟的邊坡上，這一結構可降低剝離。露天煤礦的邊坡在惡劣地質(zhì)構造的影響下，想要確保其穩(wěn)固性，可將邊坡設置成陡坡。在對規(guī)模較大的礦山進行采掘時，邊坡過長，在邊坡向采空的一面突出時，在邊坡的巖體中產(chǎn)生側向的拉力，如果邊坡面向采空的一面凹陷時，便會在邊坡的巖體中產(chǎn)生側應力。因為巖體具有抗壓不抗拉的特性，將邊坡設置成向采空面凹陷的形式會充分提升邊坡的穩(wěn)固度。在對邊坡進行穩(wěn)固性的研究時最關鍵的分析內(nèi)容為巖石結構面的力學特性和幾何要素。第二，巖石風化與巖石侵蝕問題的影響。巖石風化主要指的是風、雨、大氣、陽光、氣溫等多種因素長久作用在巖石上，對巖體帶來一定的破壞力，久而久之改變了巖體的結構或者特性。使巖體抗壓和抗剪的強度變低，從而降低了巖體形變的特性。增加了巖石中小型裂縫數(shù)量同時向巖體內(nèi)部進行持續(xù)伸展，巖石表層松動軟化出現(xiàn)膨脹情況，嚴重時會分層脫落。加之風化的持續(xù)性影響，會使邊坡的幾何狀態(tài)出現(xiàn)變化，最終使得邊坡失去了穩(wěn)固性出現(xiàn)坍塌問題。所以，對邊坡的表層進行封層處理可充分降低各方因素對邊坡的影響程度，在對煤礦進行開采期間需要對邊坡實施綠化處理。第三，結構應力與殘余應力的影響。在對煤礦進行采掘期間，邊坡的邊緣部分出現(xiàn)應力集聚的情況，因為底層結構的影響，同樣會導致其承載著相應的結構應力。結構應力不但會導致邊坡向采空區(qū)面進行形變，使得邊坡中巖石原有裂痕繼續(xù)擴充，甚至會導致出現(xiàn)新的裂縫，最終在邊坡底部集聚大量應力，使得巖石的強度被破壞。這部分應力直接影響著邊坡支護載合的高低，因此充分預測這部分應力能夠有效縮減對于邊坡的影響程度。第四，人為因素的影響。首先，在對露天煤礦進行爆破處理時，一般會因為爆破產(chǎn)生的震蕩力使得邊坡巖體中的應力出現(xiàn)改變，致使產(chǎn)生應力聚集問題，進而導致裂縫的擴充。其次，在采剝工作推進期間，通常會因為監(jiān)管不當，例如，在采剝工作中調(diào)度監(jiān)管不合理，有關施工人員在露天煤礦邊坡的坡底實施采掘工作，在這種情況下產(chǎn)生浮石等風險，進而使底層整體的穩(wěn)固度受到干擾。最后，對臺階的高度和寬度設計不夠科學，通常必需設計較大的邊坡角度。

3.邊坡穩(wěn)定性分析

影響邊坡穩(wěn)固度的因素是多種多樣的，例如，礦山地質(zhì)問題、水文條件、邊坡形狀、采掘工藝、經(jīng)濟情況等等。各種因素間都有密不可分的聯(lián)系性，互相影響互相作用。以下主要總結了三種分析邊坡穩(wěn)固性的方式：第一，彈塑性力學核算方式。經(jīng)過對微元的應力進行核算來評判微元是不是能夠進行拉伸、屈服、彎折和斷裂等，通過這種方式來評判是不是能夠使材料的部分或者全部進行損壞。第二，極射赤平投影辨識方式。之所以會出現(xiàn)不同類型坍塌情況，重點是因為地質(zhì)間斷面和采掘面間存在差異性的幾何關聯(lián)導致的，這類斷面幾何體可以用極射赤平投影方式來展現(xiàn)?，F(xiàn)階段，應用最為普遍的極射赤平投影包括：施密特網(wǎng)以及吳爾福網(wǎng)。第三，剛體極限平衡分析方式。一幫能夠假設成任何一個滑移面，在滑移面中的屈服部分所遭遇的損壞無法滿足所有局部，但是能夠滿足整體性。是不是會出現(xiàn)滑移問題，重點是滑體的滑動強度、滑動速度和滑床決定的。

一般能夠辨別FS的值數(shù)，以此評判平衡情況，針對煤礦的工作情況來講，其參數(shù)一定不能低于1.2。

4.防治措施

第一，治理水害。地表排水方式一般會在邊坡的坡面處開設適用的排水溝槽，另外針對裂縫來講，可實施深度充填處理，從而達成密封的目的。第二，優(yōu)化生產(chǎn)。對于開采期間造成的爆破震蕩情況，一般可優(yōu)化爆破的方法，對爆破數(shù)值進行持續(xù)調(diào)節(jié)，在縮減炸藥的適用量期間可利用預裂爆破法和緩沖爆破法等方式，以充分降低對于邊坡的損壞程度。第三，其他方案。一般來講，露天煤礦邊坡要比煤炭裸露在環(huán)境中的時間長很多，所以應該利用一些方法對邊坡煤炭進行遮蓋，以免產(chǎn)生煤炭自燃問題，進而降低了邊坡的穩(wěn)固度。在工作環(huán)境良好的狀態(tài)下，可利用靠幫內(nèi)排的方法實施處理工作，進而充分降低邊坡外露的時長，最終有效提升邊坡的穩(wěn)固性。第四，露天開采場地邊坡設置參數(shù)的推薦。露天采掘最后的邊坡角度、臺階邊坡角度和邊坡采掘各個部分的巖石情況，構造面生產(chǎn)情況、綜合狀態(tài)和邊坡之間的空間聯(lián)系、采掘擾動詳情與邊坡出現(xiàn)時長等具有較大關聯(lián)性，當前計劃的邊坡角主要是按照現(xiàn)在項目地質(zhì)情況與煤礦采掘詳情明確的，在后續(xù)生產(chǎn)過程中，煤礦企業(yè)可以綜合深處暴露的巖石地質(zhì)詳情，在存有不穩(wěn)固因素的區(qū)域?qū)吰逻M行放緩設置，確保采掘工作的安全性。

5.邊坡監(jiān)測手段

第一，對邊坡應力進行監(jiān)測?，F(xiàn)階段，通常會將監(jiān)測設備安置在錨桿上，由此使用的監(jiān)測方式主要有三種，包括：（1）錨桿尾部監(jiān)測法。（2）錨桿桿體串接振弦監(jiān)測法。（3）錨桿表層貼片監(jiān)測法。用到的傳感器種類也很多，包括：機械方式、電氣方式、廣彈方式和液壓方式等。第二，滲流監(jiān)測。在實際工作中總結導致邊坡垮塌的因素非常多，而水和邊坡角度的設置是其中最大的干擾因素，所以需要對自然降水和地下水開展充分的監(jiān)督控制工作。就地下水滲漏的問題來講，孔隙水壓力對邊坡的穩(wěn)固度具有關鍵的影響力，現(xiàn)階段，國內(nèi)在對裂痕水壓和孔隙水進行監(jiān)控時均是采用水壓計來進行的。

6.結束語

總之，在進行邊坡工程施工的過程當中，其所面對的施工環(huán)境相對復雜，邊坡失穩(wěn)的處理技術尤為重要，對此，應當對邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象展開全面系統(tǒng)的分析，依據(jù)相關工程的設計方案對礦山邊坡所存在的潛在危險采用合理科學的解決方案，盡可能的減少礦山邊坡的安全問題。分析露天礦山邊坡的安全問題，明確其影響因素和發(fā)生原因，相應的采用一些辦法來對相關管理進行優(yōu)化，盡量從根本上來使邊坡的穩(wěn)定性得以提升，降低滑坡、失穩(wěn)問題的發(fā)生率，進而提升采掘作業(yè)安全性。