露天礦山的邊坡治理安全技術(shù)

甘澤勇

（中國非金屬材料南京礦山工程有限公司，江蘇 南京 210016）

露天礦邊坡穩(wěn)定性研究歷來是露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，并一直是巖石力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本命題。回顧歷史，露天礦邊坡穩(wěn)定性研究經(jīng)歷了由經(jīng)驗(yàn)到理論、由定性到定量、由單一評(píng)價(jià)到綜合評(píng)價(jià)、由傳統(tǒng)理論和方法到新理論、新方法、新技術(shù)的發(fā)展過程，對(duì)確保礦山邊坡穩(wěn)定起到巨大作用。

1 邊坡失穩(wěn)因素

1.1 地質(zhì)因素

由于巖土體中存在的空隙、裂痕等都會(huì)增強(qiáng)吸水能力以及抗拉強(qiáng)度增加。由于在地質(zhì)中存在斷層或者破碎層等，不僅可以產(chǎn)生水流通的通道，而且水和軟土層相結(jié)合形成滑移面，最終影響邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 人為因素

①在爆破露天礦山的過程中，通常因爆破震動(dòng)而導(dǎo)致邊坡巖石內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而誘發(fā)裂痕擴(kuò)展等。②在實(shí)施采剝作業(yè)的過程中，存在管理不當(dāng)?shù)膯栴}，比如在采剝時(shí)調(diào)度管理不科學(xué)，相關(guān)工作人員從露天礦山邊坡的底部進(jìn)行開采，在使用該方式之后出現(xiàn)浮石與空等危險(xiǎn)的地帶，從而給整個(gè)底層的平穩(wěn)性帶來較大的影響。③臺(tái)階寬度與高度設(shè)置不合理，往往需要設(shè)置比較大的邊坡角度。

1.3 環(huán)境因素

①通常降雨量對(duì)邊坡構(gòu)成威脅，在我國降雨量比較大，往往發(fā)生泥石流的情況比較多，又會(huì)引發(fā)泥石流等自然災(zāi)害。相對(duì)于地下水滲流而言，空隙水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)造成嚴(yán)重的威脅，當(dāng)空隙水壓增大時(shí)，表明邊坡的有效應(yīng)力變小，從而出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性急劇下降。②溫度變化對(duì)巖石的影響，巖石表面隨著溫度的不斷增加巖石會(huì)進(jìn)一步風(fēng)化，從而降低巖石的機(jī)械性能。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

作為礦山安全高效生產(chǎn)的重大影響因素，礦山邊坡穩(wěn)定性研究一直在巖體力學(xué)的相關(guān)研究中占有重要地位。對(duì)于露采邊坡穩(wěn)定性的研究方法也從早期的靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)定性分析，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的通過新理論、新方法和新技術(shù)對(duì)礦山邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性與定量、經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的綜合分析。目前，工程地質(zhì)分析法、極限分析法、極限平衡法、數(shù)值分析法以及可靠性分析法是礦山邊坡的穩(wěn)定性分析中最為常見的幾種方法。

2.1 工程地質(zhì)分析法

通過總結(jié)以往礦山生產(chǎn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)邊坡的變形破壞模式以及破壞機(jī)理、變形地質(zhì)體的成因及其演化史等影響礦山邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)因素進(jìn)行分析，進(jìn)而得出相關(guān)的結(jié)論。地質(zhì)成因演化論、巖體結(jié)構(gòu)控制理論以及工程地質(zhì)類比法是其理論基礎(chǔ)。該法在確定復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡破壞模式和力學(xué)機(jī)制方面十分有效，為實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的定量研究打下了基礎(chǔ)。

2.2 極限分析法

于1952年由Prager和Drucker提出的，在上世紀(jì)的70年代潘家錚院士提出了用于滑坡極限分析的極大極小值原理。該方法是以極限狀態(tài)時(shí)，外荷載和自重所做的功等于滑動(dòng)面上阻力所消耗的功為條件，通過假設(shè)邊坡體是服從流動(dòng)法則的理想塑性材料，從而構(gòu)造協(xié)調(diào)的速度場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)來求解上限或下限極限荷載從而求得邊坡極限荷載與安全系數(shù)。由于極限分析法對(duì)于復(fù)雜荷載及環(huán)境條件的變化缺乏考慮，且求解相當(dāng)困難，因此該方法在工程應(yīng)用較少。

2.3 極限平衡法

作為最簡單、最基本的方法在各勘察設(shè)計(jì)規(guī)范中得到廣泛應(yīng)用，通過人為假定一個(gè)處于極限平衡狀態(tài)下的滑動(dòng)面，然后把滑動(dòng)面上部的滑體劃分成有邊界的剛體條塊，再通過在條塊之間建立靜力平衡方程分析其受力，最終通過求解得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。極限平衡條分法早期是由瑞典人彼德森于1916年提出，極限平衡法的力學(xué)模型較為簡單，可以快速獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2.4 數(shù)值分析法

主要是隨著計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步而衍生出來的定量分析方法。數(shù)值模擬方法可以對(duì)材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行模擬，有效的處理材料的非均一性和各向異性以及復(fù)雜的邊界條件，通過將模擬對(duì)象看成可變形體，模擬出邊坡內(nèi)的位移場(chǎng)分布、應(yīng)力分布和塑性區(qū)的范圍等，為定量評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性問題創(chuàng)造了條件。數(shù)值模擬分析方法主要有有限差分、快速拉格朗日、離散元、有限單元、不連續(xù)變形、邊界元、流形元等。在上述方法中，有限元法是一種較成熟的數(shù)值方法，是目前運(yùn)用最廣泛的數(shù)值分析方法之一。此法擁有著嚴(yán)密的理論體系，考慮了滑面的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系，對(duì)于邊坡變形和滲流作用的耦合計(jì)算有很大的優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)是需要求解大型方程組，不能有效的解決位移不連續(xù)和大變形等問題。為了彌補(bǔ)有限元法的不足，美國的Cundall教授提出了快速拉格朗日法和離散單元法，這兩種方法在解決非連續(xù)的、離散的問題和大變形的問題這兩方面比較具有優(yōu)勢(shì)，但是，快速拉格朗法和離散元法缺乏嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，其計(jì)算結(jié)果缺乏說服力。此外，流形元、連續(xù)變形分析方法等數(shù)值方法也在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用，這些方法盡管仍存在著不足，但卻加深了人們對(duì)于邊坡破壞機(jī)理的理解認(rèn)識(shí)。

2.5 可靠性分析法

借用了可靠性分析理論將礦山邊坡工程中的不確定因素視為隨機(jī)變量，認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性分析中安全系數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)都是符合某種概率分布的函數(shù)，用破壞概率來對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析的一種方法。這種綜合各種隨機(jī)因素的分析方法將會(huì)成為未來邊坡穩(wěn)定性分析的一種發(fā)展趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代后期馬鞍山礦山研究院最早將可靠度理論引入礦山邊坡的研究中。

雖然對(duì)于礦山邊坡穩(wěn)定性分析方法的相關(guān)研究有了極大的改進(jìn)，也有效的處理了很多的工程實(shí)際問題，但是現(xiàn)有的各種方法仍有各自的不足，理論上的不足再加上不同礦山邊坡巖體性質(zhì)的不同從而導(dǎo)致單一的計(jì)算結(jié)果并不能有效的反映礦山的真實(shí)情況。因此，對(duì)于每一個(gè)礦山都需要具體分析，針對(duì)礦山邊坡進(jìn)行多方面的考察和研究，選取恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄓ嗅槍?duì)性的對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析和處理，最終得出符合礦山實(shí)際情況的研究結(jié)論。

3 邊坡治理措施

通常情況下，在治理邊坡的過程中選用如下幾種方式：第一，刷方減載；第二，反壓坡腳；第三，排水疏干；第四，綠化防護(hù)；第五，加固坡體等等。同時(shí)依據(jù)防護(hù)的重點(diǎn)而劃分為如下幾個(gè)部分。

3.1 水害治理

地表排水法通常在邊坡坡面位置設(shè)置合理的排水溝，同時(shí)對(duì)于裂縫而言，可以進(jìn)行深度填充，以達(dá)到密封的效果。

3.2 滑塌治理

可以采用緩坡清理與減重壓腳法來減小下滑力與增大抗滑力。不斷增加巖體的強(qiáng)度，其方式包括如下幾種：第一，錨桿加固；第二，抗滑樁；第三，噴射混凝土；第四，注漿防滲等。

3.3 生產(chǎn)優(yōu)化

針對(duì)生產(chǎn)引發(fā)的爆破震動(dòng)問題，通?？梢詫?duì)爆破方式進(jìn)行優(yōu)化，不斷調(diào)整爆破參數(shù)，在降低炸藥用量時(shí)可以選用緩沖爆破以及預(yù)裂爆破等技術(shù)，這樣可以有效的減少對(duì)邊坡破壞強(qiáng)度。

3.4 綠色生態(tài)防護(hù)

對(duì)于邊坡植物綠化問題上，通常需要依據(jù)參考如下方面采取措施：機(jī)械化程度、經(jīng)濟(jì)性等，另外，最具代表性的生態(tài)防暑施工技術(shù)由液壓噴播、客土噴播以及對(duì)應(yīng)的噴混植生構(gòu)成，此方式能夠彰顯邊坡綠化的理念。

3.5 其他措施

通常情況下，露天礦邊坡在空氣中的時(shí)間要遠(yuǎn)高于煤層，因此需要對(duì)邊坡煤層實(shí)施覆蓋，防止出現(xiàn)煤層自燃的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。當(dāng)工況條件比較好時(shí)，可以采取靠幫內(nèi)排的方式進(jìn)行處理，從而可以有效的減少邊坡出露時(shí)間，進(jìn)而能夠極大地提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

4 邊坡監(jiān)測(cè)手段

4.1 邊坡位移監(jiān)測(cè)

可以采用GPS監(jiān)測(cè)方式對(duì)邊坡巖體進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)諸如：第一，大面積移動(dòng)情況；第二，內(nèi)部變形情況；第三，表面巖體移動(dòng)情況。隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)形變體上的精確三維坐標(biāo)。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可以判斷變體的健康情況，最終可以為科學(xué)決策提供有力的支撐。

4.2 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)

當(dāng)前，監(jiān)測(cè)儀器廣泛的安裝在錨桿中，其產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)方法有如下幾個(gè)：第一，錨桿尾部測(cè)力法；第二，錨桿桿體串接振弦測(cè)力方法；第三，錨桿表面貼片測(cè)力法。涉及的測(cè)力傳感器比較多諸如如下幾種：機(jī)械式、電氣式、光彈式以及液壓式等。

4.3 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

經(jīng)過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，爆破振動(dòng)對(duì)露天邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)高強(qiáng)度的振動(dòng)將導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)松動(dòng)?，F(xiàn)在，流行的監(jiān)測(cè)方式主要有如下兩種：第一，振動(dòng)檢測(cè)法；第二，聲波監(jiān)測(cè)發(fā)，其中前者可以借助拾振儀實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破位置的振速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此查看振動(dòng)情況，后者可以使用超聲波技術(shù)，其工作原理為：依據(jù)超聲波在巖石中的傳播速度以及巖體的密度等情況，對(duì)地質(zhì)的情況進(jìn)行判斷，其往往可以借助超聲波在巖體中的傳播速度來判斷巖石的各種參數(shù)。

4.4 滲流監(jiān)測(cè)

經(jīng)過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)邊坡災(zāi)難的影響因素比較多，其中影響最大的有水、邊坡角度等，由此可以看出必須對(duì)降水量以及地下水進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督。從地下水滲透而言，孔隙水壓力在邊坡穩(wěn)定性方面尤為重要，當(dāng)前，我國在監(jiān)測(cè)孔隙水以及裂痕水壓時(shí)主要選用水壓計(jì)。

5 結(jié)語

綜上所述，巖石工程中，邊坡的穩(wěn)定性是長期研究的重點(diǎn)?？偠灾趯?shí)施邊坡工程的時(shí)候，由于施工工況比較復(fù)雜，因此，處理邊坡失穩(wěn)技術(shù)非常重要。因此，必須對(duì)邊坡失穩(wěn)技術(shù)進(jìn)行全面的分析，在進(jìn)行工程實(shí)踐的過程中，通常依據(jù)設(shè)計(jì)方案調(diào)研邊坡存在的危險(xiǎn)，同時(shí)選用科學(xué)的解決辦法，從而最大限度提高邊坡的安全性。