西藏知不拉多金屬礦邊坡穩(wěn)定性影響因素及防治措施

程先才，單 帥，魏凡森

（中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

西藏知不拉多金屬礦位于墨竹工卡縣城西南34.50km處的岡底斯山脈東余脈郭喀拉日居北麓，地勢南高北低，為高山區(qū)，主要開采礦種為銅。最高海拔5594m，水系較為發(fā)育，總體北流，屬雅魯藏布江流域。雨季潮濕寒冷，晝夜溫差較大，每年10月底開始冰凍，翌年4～5月解凍，最大凍結(jié)深度可達40m。礦體圍巖上部為安山質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰?guī)r的風化層，飽和抗壓強度大于30MPa，裂隙發(fā)育，巖石較破碎，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖級別Ⅲ級，開挖后圍巖有小坍塌的可能性，爆破震動過大易發(fā)生坍塌；下部基巖為較完整的安山質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r，飽和抗壓強度大于30MPa，有少量裂隙發(fā)育，但多閉合，裂隙組合關(guān)系不會產(chǎn)生下滑力，圍巖級別為Ⅱ級。開挖后，長時間暴露可能會出現(xiàn)局部小坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定。礦區(qū)有六條斷層。采場構(gòu)成要素：臺階高度12m，安全平臺寬度3m，清掃平臺寬度3m，最小工作平臺寬度30m，臺階破面角65°～70°，最終邊坡角65°～70°。臨近邊坡爆破作業(yè)時，采取控制爆破措施[1]。

2 邊坡破壞類型

（1）坍塌：坡面巖體突然脫離母體，迅速降落至坡體下部，部分巖石滾落至遠處現(xiàn)象

（2）滑坡：邊坡巖體在較大的范圍內(nèi)沿某一特定的剪切面滑動。一般的滑坡是滑落前在滑體的后緣先出現(xiàn)裂隙，而后緩慢滑動，或周期性的快慢更迭，最后驟然滑落[2]。

（3）傾倒：邊坡內(nèi)部存在一組與坡面成反傾向而傾角又很陡的弱面，并且它將巖體切割成許多個相互平行的塊體。

3 邊坡穩(wěn)定性影響因素

（1）巖石物理力學性質(zhì)。該礦上下部圍巖級別不同，圍巖硬度、凝聚力和內(nèi)摩擦角都不同，在強弱面的抗剪強度不平衡時，就容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，從而導致滑坡現(xiàn)象。

（2）地下水。該礦邊坡具有的松散巖孔裂縫水將產(chǎn)生水壓力，進而減小有邊坡的有效應(yīng)力，影響邊坡的穩(wěn)定性。地下水從以下兩個方面影響邊坡穩(wěn)定性：①靜水壓力。當巖石裂縫中富含有地下水時，產(chǎn)生的靜水壓力將使兩璧裂縫產(chǎn)生位移，而隨著邊坡巖體位移而產(chǎn)生的張裂隙水的靜水壓力場促使邊坡逐步產(chǎn)生推動力，當達到閥值時，邊坡極易破壞。②動水壓力。當?shù)叵滤谄扑閹r土中流動時，受到巖土碎塊的阻力，水要流動就得對它們施力以克服它們對水的阻力，其作用方向與滲透方向和水流方向一致，當動水壓力打破阻力平衡時，將破壞邊坡巖體。

（3）風化程度的影響。該礦采場邊坡上部圍巖風化裂隙發(fā)育，受風化作用的影響，巖體的強度比較低，邊坡穩(wěn)定性差，容易發(fā)生沿碎裂結(jié)構(gòu)巖體中最不利滑動面滑移破壞。部分風化區(qū)呈松軟狀態(tài)，遇水易軟化、崩解，邊坡出現(xiàn)開裂解體。

（4）斷層的影響。該礦邊坡發(fā)育有多組斷層，這些斷層中的水產(chǎn)生的滲流荷載，以及對斷層中填充物的軟化作用，將對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利。

（5）開采技術(shù)條件的影響。開采方法、開采順序、邊坡角、邊坡形式和爆破工藝的合理性。根據(jù)現(xiàn)場條件，邊坡角大小與邊坡穩(wěn)定性緊密相關(guān)；上部緩下部陡的邊坡比上部陡下部緩的邊坡穩(wěn)定；邊坡出露的時間越短越穩(wěn)定[3]。

（6）爆破作用的影響。在開采過程中，爆破產(chǎn)生的震動會對邊坡穩(wěn)定性造成影響。爆破炸藥量的多少、爆破方式的選擇和起爆順序的不同將使爆破產(chǎn)生的地震波給巖體原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面造成的破壞規(guī)模不一致，從而降低圍巖整體強度。另外，爆破作業(yè)會使巖體中原有裂隙擴張成裂縫并產(chǎn)生新裂隙，對邊坡的穩(wěn)定性造成一定的影響。

（7）水文地質(zhì)條件的影響。該礦區(qū)所處的地理位置，晝夜溫差大，冰雪凍融時間長，在雨季期間，冰雪開始解凍。當斷層或裂縫中冰雪解凍的水賦存于軟弱巖層交界位置時，在水的作用下，巖體滑動力增加和摩擦力降低，從而導致邊坡穩(wěn)定性急劇下降。

4 邊坡破壞的危害

邊坡的破壞和變形一般都和采場地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等多方面因素有密切相關(guān)，以上因素具有不確定性，這將會導致不同位置的邊坡發(fā)生變形和位移，從而可能導致邊坡坍塌、滑坡，造成人員傷亡和工程機械的損壞。因此，應(yīng)及時采取相應(yīng)的防治措施來防止邊坡失穩(wěn)的發(fā)生。

5 邊坡失穩(wěn)的防治措施

5.1 合理的開采順序

在生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場管理人員必須遵守《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的要求實施，嚴格按照從上到下的開采順序，假如緩沖孔、預(yù)裂孔在邊坡附近施工時，杜絕鏟裝作業(yè)掏“神仙土”，避免邊坡形成傘檐狀和空洞。

5.2 確保排水疏干

（1）地表排水。在進行露天礦山剝離前，在坡頂開挖截水溝、排水溝，攔截、排除地面水，防止其流入邊坡表面裂隙中。對表土剝離后發(fā)現(xiàn)的裂縫及時用防滲材料充填，防止地表水進入裂縫中。

（2）地下水排水。為排除地下水壓帶來的邊坡變形，抑制軟巖邊坡蠕動變形的現(xiàn)象，采取疏干減壓方法，如集水井、滲井、平孔排水，讓水不處于滑坡范圍內(nèi)，增加邊坡穩(wěn)定性。

（3）鉆孔排水。通過地質(zhì)勘探結(jié)果分析，對富含水區(qū)域利用鉆孔將其引流至邊坡外。

（4）地下巷道排水。利用該礦原是地下開采的優(yōu)勢，通過在巷道內(nèi)打扇形排水孔，以提高疏干效果。

5.3 采用多種邊坡監(jiān)測方法

邊坡監(jiān)測常用方法有地表位移監(jiān)測、深部滑動力監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、露天采場滑坡綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。通過選用科學、經(jīng)濟合理的監(jiān)測方法，建立監(jiān)測系統(tǒng)定期對地表、坡面進行監(jiān)測，從而為邊坡、地面的變形分析與控制提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1）地表位移監(jiān)測。地表位移監(jiān)測技術(shù)，目前主要有GNSS技術(shù)、智能全站儀技術(shù)、合成孔徑雷達技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、光纖技術(shù)和靜力水準技術(shù)。其中靜力水準監(jiān)測技術(shù)、光纖技術(shù)，這兩種技術(shù)只能監(jiān)測單一方向的位移，其他幾種技術(shù)可以實現(xiàn)三維位移同時監(jiān)測。根據(jù)該礦邊坡的實際情況，表面位移監(jiān)測點布設(shè)按照主滑方向和滑動面范圍確定了邊坡測線間距為100m，邊坡測點密度為50m，共布設(shè)地表位移監(jiān)測點32個，其中2個為基準點。

（2）深部滑動力監(jiān)測。深部滑動力是采用“穿刺攝動”技術(shù)，把力學傳感系統(tǒng)穿過滑動面，固定在相對穩(wěn)定的滑床之上，施加一個小的預(yù)應(yīng)力擾動，將可測的人為力學系統(tǒng)插入到不可測的天然力學系統(tǒng)中，組成一個新的部分力學量可測的復雜力學系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場實際工程地質(zhì)概況和邊坡設(shè)計產(chǎn)狀以及建設(shè)成本問題，該礦共布設(shè)深部滑動力智能監(jiān)測點14個。

（3）降雨量監(jiān)測。目前，在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛且成熟的技術(shù)主要有以下幾種：①翻斗式雨量計；②虹吸式雨量計；③稱重式雨量計；④容柵式雨量計。因容柵式雨量計是通過容柵位移傳感器檢測降雨量的大小，計量精確，因此，該礦選用容柵式雨量計。在礦區(qū)共建設(shè)1個降雨量自動監(jiān)測點。

（4）露天采場滑坡綜合監(jiān)測。其關(guān)鍵技術(shù)有多源監(jiān)測信息耦合處理與分析、云端數(shù)據(jù)自動存儲、處理和分析、數(shù)據(jù)冗余保護策略、露天采場在線安全綜合監(jiān)測預(yù)警信息平臺。

該礦露天采場邊坡相對較長、規(guī)模較大，對整個邊坡進行多參數(shù)監(jiān)測從資金投入和技術(shù)保障上難度都非常大，因此必須以地表位移監(jiān)測為主導，深部滑動力監(jiān)測、降雨量監(jiān)測等為輔助，按照一定的設(shè)計原則，建立整體位移監(jiān)測網(wǎng)，該礦邊坡綜合監(jiān)測點分布見表1。

表1 知不拉多金屬礦監(jiān)測內(nèi)容及綜合監(jiān)測點分布統(tǒng)計表

5.4 機械加固法

該方法常采用增大巖石強度的方法，增強邊坡的穩(wěn)定性。不論采用何種加固方法，都將會對采取的方法進行成本與安全分析，以此來驗證施工的經(jīng)濟性、安全性以及可行性。機械加固方法目前是最有效、采用最多的方法之一，通過它加固可以增大邊坡角以達到少剝多采的目的，降低礦山開采成本。采用的加固方法有錨網(wǎng)加固、金屬錨桿、擋土墻、鋼繩錨索、噴射混凝土護坡和注漿防滲加固等。

5.5 控制爆破法

該礦設(shè)計臺階高度12m，一次起爆炸藥量少則50噸，多則100噸，且使用高威力、高猛度炸藥，有效地降低了開采成本。但也造成了爆破能量集中，以致引起最終邊坡后沖拉裂問題。如果對后沖拉裂作用不及時控制，最終將導致邊坡角降低，隨之造成剝采經(jīng)濟指標的增加。雖然可以采取如大面積的清理邊坡浮石、使用錨網(wǎng)或其他機械加固措施，但開采成本價格劇增，效果在某種程度上難以達到預(yù)期要求。因此，因考慮爆破節(jié)省的資金與維護邊坡質(zhì)量花費的資金之間的平衡，實施控制爆破減少對邊坡巖石固有強度的損壞。常用的控制爆破方法有減震爆破、緩沖爆破、光面爆破、預(yù)裂爆破及微差爆破?？刂票品椒ǖ哪康氖峭ㄟ^采用低威力炸藥、不耦合裝藥，合適的炮孔直徑、合適的抵抗線和間排距等方法控制最終邊坡上的能量集中，以便不破壞最終邊坡。結(jié)合該礦實際和多次試驗，采用在臨近邊坡時使用緩沖爆破和預(yù)裂爆破控制了邊坡失穩(wěn)。

5.6 規(guī)范化作業(yè)

安全標準化是實現(xiàn)礦山本質(zhì)安全的重要途經(jīng)。因此，需對邊坡施工規(guī)范化。比如，嚴格按照開采設(shè)計說明書開采，預(yù)留合理的安全平臺、清掃平臺以及作業(yè)平臺，控制工作幫、非工作幫邊坡角和最終邊坡角，建立可行的邊坡管理制度、檢查制度和制定切實可行的坍塌應(yīng)急預(yù)案，發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)邊坡及時處理。

6 結(jié)語

礦山開采過程中，研究邊坡穩(wěn)定性是一項重要的安全系統(tǒng)工程。在應(yīng)用不同的方法治理邊坡穩(wěn)定性的同時，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而總結(jié)經(jīng)驗，獲取科學依據(jù)，不斷改進完善、優(yōu)化施工方案，對于保證礦山安全生產(chǎn)和進一步推廣具有深遠意義。