露天礦邊坡宏觀破壞模式及穩(wěn)定性控制方法

劉宇

【摘 ?要】露天礦開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的人工邊坡，一旦邊坡失穩(wěn)，將嚴(yán)重威脅財(cái)產(chǎn)生命安全。論文概述了露天礦邊坡的宏觀破壞形式，闡述了露天礦邊坡穩(wěn)定性控制方法，對(duì)露天礦生產(chǎn)作業(yè)有一定指導(dǎo)意義。

【Abstract】In the process of open-pit mining， there will be a lot of artificial slopes. Once the slope is unstable， it will seriously threaten the safety of property and life. This paper summarizes the macroscopic failure forms of slope in open-pit mine， and expounds the stability control methods of slope in open-pit mine， which has certain guiding significance for the production and operation of open-pit mine.

【關(guān)鍵詞】露天礦;邊坡;宏觀破壞模式;穩(wěn)定性控制方法

【Keywords】open-pit mine; slope; macroscopic failure mode; stability control method

【中圖分類號(hào)】TD824 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）12-0176-03

1 引言

在露天礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，由于開挖、廢土排棄和運(yùn)輸系統(tǒng)布置等工程的實(shí)施，將會(huì)產(chǎn)生大量的人工邊坡。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)露天礦山中約有30%的邊坡是不穩(wěn)定的[1，2]。而一旦發(fā)生大規(guī)模邊坡失穩(wěn)，不僅會(huì)中斷采場(chǎng)的生產(chǎn)作業(yè)，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)采礦工人的生命造成嚴(yán)重威脅。因此，要進(jìn)行露天礦邊坡穩(wěn)定性宏觀破壞模式的研究，并以此為基礎(chǔ)探索邊坡穩(wěn)定性的控制方法。

2 露天礦邊坡特點(diǎn)

露天礦邊坡相比于公路、鐵路、水壩等其他人工邊坡相比，具有以下特點(diǎn)：

①露天礦邊坡是由上至下逐步形成的，隨著露天礦開采深度和范圍的增大，邊坡高度也會(huì)越來越高，最終邊坡高度可達(dá)幾百米。

②露天礦邊坡一般跨度走向較長(zhǎng)，從幾百米到數(shù)公里不等，因此邊坡揭露的巖層較多，變化復(fù)雜[3]。

③露天礦采場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)中頻繁的爆破、穿孔和大型車輛的走動(dòng)，會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生持續(xù)的動(dòng)載荷。

④露天礦采場(chǎng)邊幫的每級(jí)臺(tái)階都會(huì)承擔(dān)運(yùn)輸功能。

⑤露天礦邊坡穩(wěn)定性會(huì)隨著開采作業(yè)的推進(jìn)不斷發(fā)生變化。

3 露天礦邊坡宏觀破壞模式

3.1 圓弧形破壞

圓弧形破壞是指在邊坡失穩(wěn)時(shí)，在滑體截面呈現(xiàn)出圓弧形的滑坡破壞，大多出現(xiàn)在外排土場(chǎng)、內(nèi)排土場(chǎng)等松散體中。由于松散體在宏觀統(tǒng)計(jì)學(xué)上屬于均質(zhì)巖土體，顆粒在各方向上受力均勻且近似相同，當(dāng)其受到外力作用、雨水侵蝕或巖土體結(jié)構(gòu)改變等因素，平衡狀態(tài)被打破時(shí)，滑體就沿著平衡狀態(tài)時(shí)的力矩相等滑面即圓弧軌跡滑出，從而形成圓弧滑面，如圖1a所示。

3.2 順層面滑動(dòng)破壞

順層滑面破壞是指沿已有結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑動(dòng)的破壞，在露天礦生產(chǎn)中多發(fā)生在大傾斜地層的工作邊幫上。結(jié)構(gòu)面一般由前期地質(zhì)構(gòu)造作用形成，主要有斷層、節(jié)理、裂隙等，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)物理力學(xué)性能差異，且一般沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生抗剪弱層，易產(chǎn)生滑動(dòng)。順層面滑動(dòng)破壞模式有：

①牽引式破壞。當(dāng)邊坡斜坡下部受到開挖或爆破等擾動(dòng)時(shí)，先行失去平衡，繼而牽動(dòng)上層巖土體滑動(dòng)的破壞。

②推動(dòng)式破壞。當(dāng)邊坡斜坡上部受到運(yùn)載卡車等沖擊載荷先行失穩(wěn)，并擠壓下層巖土體滑動(dòng)的破壞。

③混合式破壞。即牽引與推動(dòng)破壞的混合形式。順層面滑動(dòng)破壞如圖1b所示。

3.3 楔形體破壞

楔形體破壞是指滑體呈現(xiàn)四面體的破壞，因其形成原因較苛刻，且狀態(tài)不穩(wěn)定，故在自然界中很少存在，但在人工邊坡上較常見。當(dāng)斷層、裂隙、節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面相交時(shí)，結(jié)構(gòu)面組合交線形成楔形體。當(dāng)楔形體與邊坡傾向相同或相近，并且傾角在內(nèi)摩擦角和邊坡角之間時(shí)，與順層面滑動(dòng)類似，滑體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，即是楔形體破壞。楔形體的空間結(jié)構(gòu)決定了其破壞體一般較小。楔形體破壞如圖1c所示。

3.4 傾倒破壞

傾倒破壞是指當(dāng)高邊坡坡面由多個(gè)逆向?qū)用鏄?gòu)成，在重力因素下發(fā)生緩慢變形傾倒的破壞。露天開采中一般發(fā)生在大傾斜地層的工作邊幫上，以表層破壞為主。傾倒破壞一般分為幾個(gè)階段：

①受外力擾動(dòng)影響，邊坡面上逆向結(jié)構(gòu)層初步分層。

②邊坡巖土體結(jié)構(gòu)面之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

③錯(cuò)動(dòng)引發(fā)不均勻變形，一般變形速度較緩慢，變形速度受降雨、外力擾動(dòng)等因素影響。

④當(dāng)變形積累引起失穩(wěn)時(shí)，隨即發(fā)生傾倒破壞。傾倒破壞如圖1d所示。

3.5 潰屈破壞

潰屈破壞也稱潰曲破壞，是指坡面即將沿已有結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)，但在坡腳或坡中某處受阻，因而只有坡體后部巖層移動(dòng)發(fā)生潰屈產(chǎn)生的變形破壞[4]。潰屈破壞多發(fā)生在結(jié)構(gòu)面與坡面角度相近的邊坡上。該種破壞大多由結(jié)構(gòu)面內(nèi)部起裂，并擴(kuò)展形成脫層面，而后脫層面向外鼓起變形，產(chǎn)生潰屈。潰屈破壞一般是加速變形破壞，多發(fā)生在緩傾斜地層的露天礦上。潰屈破壞如圖1e所示。

4 露天礦邊坡穩(wěn)定控制方法

露天礦生產(chǎn)作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生大量的人工邊坡，其中工作邊幫以巖性為主、排土場(chǎng)邊坡則以土性為主。邊坡服務(wù)年限差異很大，從臨時(shí)到幾十年甚至永久不等。露天礦邊坡所涉及的領(lǐng)域也很多，包括露天采礦、地質(zhì)測(cè)量、水文地質(zhì)、爆破工程、檢測(cè)工程、機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)等。因此，邊坡穩(wěn)定性控制方法工程綜合性很強(qiáng)，具體以3個(gè)方面進(jìn)行闡述：

①邊坡監(jiān)測(cè)。

②邊坡防治水。

③邊坡加固。

4.1 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

4.1.1 地表位移監(jiān)測(cè)

地表位移監(jiān)測(cè)是最直觀，也是對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)最重要的監(jiān)測(cè)方式。常規(guī)也是最簡(jiǎn)便的方式是目測(cè)法，憑借施工人員對(duì)日常施工環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)判斷，對(duì)發(fā)生變形的滑坡進(jìn)行觀察積累，一般適用于臨時(shí)邊坡。近年來產(chǎn)生了許多地表位移技術(shù)，其中使用范圍最廣的是“3S”技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)系統(tǒng)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）共同作用[5]。一般在永久邊坡上設(shè)立的“3S系統(tǒng)”，可以實(shí)施24小時(shí)監(jiān)測(cè)，為安全生產(chǎn)提供保障。

4.1.2 深部位移監(jiān)測(cè)

深部位移監(jiān)測(cè)一般應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜的露天礦，通過監(jiān)測(cè)手段，對(duì)地下巖土體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得到地下巖土體位移情況、變形速率、變形方向等變化規(guī)律，其中包括鉆孔測(cè)斜儀和鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)。在邊坡工程檢測(cè)中，這些儀器主要用在穩(wěn)定性可能有問題的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定觀測(cè)，考慮到費(fèi)用和作業(yè)因素，通常在永久邊坡上安裝。

4.1.3 地下水監(jiān)測(cè)

土壤含水量的變化，將很大程度上影響土質(zhì)邊坡的內(nèi)摩擦角和粘聚力。對(duì)于有高含水地層或處在高降雨量地區(qū)的露天礦，對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)是必不可少的，尤其是內(nèi)外排土場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。地下水監(jiān)測(cè)一般通過鉆孔完成，并將監(jiān)測(cè)傳感器置于鉆孔內(nèi)。常用的傳感器是孔隙水壓力傳感器。該傳感器可根據(jù)壓力和水位的比例關(guān)系，間接得出水位高度，從而得到地下水位數(shù)據(jù)。

4.1.4 爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)

在露天開采過程中爆破與地震的作用方式類似，都是通過施加大范圍沖擊動(dòng)載荷實(shí)施擾動(dòng)。當(dāng)沖擊波穿過邊坡抗剪弱面時(shí)，誘使結(jié)構(gòu)面發(fā)展成含有裂隙的次生結(jié)構(gòu)面，從而影響坡體穩(wěn)定性。近些年比較可靠的監(jiān)測(cè)儀器包括聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀和爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。當(dāng)爆破發(fā)生時(shí)，邊坡巖土體內(nèi)部在爆破沖擊作用下發(fā)生裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，巖土體內(nèi)部會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，積聚在巖土體內(nèi)部的應(yīng)變能以彈性波和聲波的形式釋放出來，由安裝在附近的監(jiān)測(cè)儀器采集和回收信號(hào)，之后根據(jù)數(shù)據(jù)分析反演出巖土體內(nèi)裂紋擴(kuò)展的具體情況，從而推斷出巖土體宏觀裂紋發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而為邊坡的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

4.2 邊坡防治水

在露天礦生產(chǎn)作業(yè)中，滑坡、泥石流等自然地質(zhì)災(zāi)害常發(fā)生在雨季，可見，水是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素[6]。根據(jù)巖土力學(xué)理論可知，土的含水率越高，內(nèi)摩擦角和粘聚力越小。當(dāng)巖土體含水率接近飽和，甚至過飽和時(shí)，抗滑能力將顯著下降，產(chǎn)生巨大安全隱患[7]。礦區(qū)水的主要來源是地表水和地下水。

4.2.1 地表水防治

地表水防治，既要保證區(qū)內(nèi)水體不危害生產(chǎn)作業(yè)，也要防止區(qū)外水體隨開采引起的地形變化流入采場(chǎng)或排土場(chǎng)。

當(dāng)采礦區(qū)域內(nèi)有地表水體直接流動(dòng)經(jīng)過時(shí)，一般通過改道工程，將水體流動(dòng)路線繞過區(qū)內(nèi)變更至區(qū)外，并在區(qū)內(nèi)每個(gè)平臺(tái)上修筑排水溝，防止地表水體向地下滲透，也可以起到雨季疏流的作用;若流經(jīng)采區(qū)的水體是季節(jié)性河流時(shí)，還要輔以水庫(kù)蓄水。當(dāng)露天開采附近存在河流或湖泊等含水體，一般通過修筑堤壩護(hù)堰工程，防止水體漫灌。

4.2.2 地下水防治

露天礦開采過程中，很可能存在煤層處于含水層或開采過程中掘通含水層的情況，因此地下水防治，即控制地下水涌水量，尤為重要。當(dāng)在地質(zhì)勘探中發(fā)現(xiàn)地下含水層與外界存在水力聯(lián)系時(shí)一般以預(yù)防為主，通常是修建防水帷幕或者防水礦柱。若是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地下涌水現(xiàn)象，便通常設(shè)立疏干井，將地下水引至采場(chǎng)外部從而降低地下水位。

4.3 邊坡人工加固

當(dāng)坡體抗滑能力小于自身承載力時(shí)，邊坡隨即失穩(wěn)[8]，因此，對(duì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理采用2種方法提升邊坡穩(wěn)定性，分別是改善巖土體結(jié)構(gòu)和增大巖土體強(qiáng)度。

4.3.1 改善巖土體結(jié)構(gòu)

改善巖土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)理是改變巖土體內(nèi)部受力狀況，是露天礦最常用的邊坡加固方式。對(duì)于臨時(shí)邊坡，一般通過削減邊坡角的方法，使沿著坡面的重力分力變小，從而提升穩(wěn)定性;對(duì)于永久邊坡一般采用錨桿或錨索加固的方法，利用錨桿抗拉的特性，將松散的巖土體固結(jié)成一個(gè)整體，二者組合受力，即便巖土體受到外部擾動(dòng)，也能保持一定的承載力。

4.3.2 增大巖土體強(qiáng)度

一般通過注漿的方式，將固化漿液充填、置換、擠壓進(jìn)裂隙節(jié)理等抗滑損傷裂縫中，形成“注漿巖橋”和“注漿巖楔”，提升巖土體的抗剪能力。同時(shí)，注漿也能提高巖土體的抗?jié)B能力。

5 結(jié)語

綜上所述，露天礦宏觀破壞形式多種多樣，發(fā)生的機(jī)理與不同采場(chǎng)位置邊坡的物理性質(zhì)也不盡相同。由此可見，露天礦邊坡情況比較復(fù)雜，因此，在進(jìn)行露天開采時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制方法也應(yīng)該盡可能考慮到多種方面。本文闡述了監(jiān)測(cè)、防治水與邊坡人工加固3個(gè)方面的措施和技術(shù)原理，對(duì)露天開采作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉東偉.露天礦邊坡穩(wěn)定性安全因素分析[J].世界有色金屬，2017（15）：201，203.

【2】管曉明，王旭春，聶慶科，等.露天礦邊坡穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究[J].煤礦安全，2018，49（05）：71-74.

【3】王志城，劉杰，姜昕健.露天礦邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（13）：110-112.

【4】吁燃，劉品，龍森.順層巖質(zhì)斜坡潰曲破壞機(jī)理的力學(xué)分析[J].公路交通技術(shù)，2012（04）：18-21.

【5】楊成德.巖土工程中邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)方法研究[J].工程技術(shù)研究，2020，5（03）：265-266.

【6】蔡亞飛，綦春明.滲流-應(yīng)力耦合及降雨入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性分析[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，33（03）：33-39.

【7】文海家，張巖巖，付紅梅，等.降雨型滑坡失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2018，31（02）：15-29.

【8】王樹彪.巖土工程邊坡加固的施工技術(shù)研究[J].散裝水泥，2020（3）：60-61.