影響露天金屬礦山開采邊坡安全的因素及安全技術(shù)分析

張延森，邱化廷

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，山東 濟(jì)南 250014）

金屬作為一類重要的礦產(chǎn)資源，也是很多行業(yè)開展施工的重要原料之一，在金屬礦山中，露天開展占據(jù)重要地位，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，露天開采在有色金屬礦中所占比例高達(dá)40%左右。近年來伴隨著我國露天開采技術(shù)的不斷發(fā)展，露天開采的深度也日益加大，邊坡作為人為施工過程中產(chǎn)生的斜坡，屬于一類人類活動(dòng)地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)也是人類工程的基礎(chǔ)形式。在金屬礦露天開采過程中，一旦邊坡失穩(wěn)，不僅會(huì)給礦山企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能威脅開采人員生命安全。因此在露天金屬礦開采過程中，應(yīng)用安全技術(shù)保證邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1 金屬礦露天開采技術(shù)概述

就目前我國礦山的開采形式來看，露天采礦的成本較低，也是最常見的一類采礦方式。但是從露天采礦開展實(shí)踐來看，容易受到各種因素的影響，其中最主要的因素便是開采環(huán)境。另外，露天開采是否能夠順利進(jìn)行還直接跟開采作業(yè)設(shè)計(jì)、開采設(shè)備、開采深度等存在緊密關(guān)系。當(dāng)前，伴隨著金屬礦露天開采技術(shù)的不斷改革和發(fā)展、機(jī)械設(shè)備的不斷完善、技術(shù)的不斷升級(jí)改造，在保證露天開采完全性的同時(shí)還提升了開采的效率。歸納起來，當(dāng)前金屬礦露天開采技術(shù)主要有以下三種：

1.1 間斷開采技術(shù)

這類技術(shù)主要指借助大型的機(jī)械設(shè)備對(duì)金屬礦進(jìn)行開采，開采出來的礦石再由開車進(jìn)行運(yùn)輸?？紤]到卡車的油耗通常較高，并且在運(yùn)行期間會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染，為了減少卡車的油耗，降低對(duì)環(huán)境的污染，由此誕生了卡車輔助架線技術(shù)，從而達(dá)到滿意的節(jié)能環(huán)保作用，被廣泛應(yīng)用在金屬礦露天開采中。

1.2 半連續(xù)以及連續(xù)開采技術(shù)

這類技術(shù)也是金屬礦露天開采過程中比較常見的一類技術(shù)，具有低碳、綠色、環(huán)保等等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的所有操作系統(tǒng)是由電力驅(qū)動(dòng)，減少了對(duì)環(huán)境的污染。在實(shí)際操作過程中，但是因?yàn)榈孛嬉蛩氐南拗?，?huì)在一定程度上限制半連續(xù)開采作業(yè)[1]。

2 金屬礦露天開采過程中常見邊坡問題

2.1 邊坡的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡難以維持

金屬礦露天開采過程中邊坡的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡作為生產(chǎn)安全的重要保障，同時(shí)也是預(yù)防邊坡滑坡等安全事故的重要手段。近年來，伴隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)金屬礦的需求量不斷加大，極大地推動(dòng)了采礦技術(shù)與采礦設(shè)備的發(fā)展，同時(shí)也進(jìn)一步延伸了露天金屬礦的開采深度。但是在增加金屬礦露天開采深度的同時(shí)，相應(yīng)的也會(huì)增加深凹露天金屬礦露出的邊坡高度，從而增加了邊坡動(dòng)態(tài)平衡維持的難度。另外，在金屬礦露天開采中，常常需要借助爆破等操作，增加了邊坡的振動(dòng)，再加上地下水、地應(yīng)力等方面的影響，改變了邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)平衡，不利于金屬礦露天開采的安全，增加了邊坡發(fā)生滑體的風(fēng)險(xiǎn)，增加了開采人員控制邊坡穩(wěn)定性的難度。

2.2 邊坡災(zāi)害事故發(fā)生頻率高

伴隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地推動(dòng)了我國礦資源開采業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。伴隨著金屬礦露天開采難度的不斷增加，相應(yīng)地增加了其邊坡各類災(zāi)害事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和頻率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，威脅金屬礦露天開采安全性的諸多因素中，邊坡滑坡這一災(zāi)害所占不利較高，并且?guī)淼奈：σ膊粩嘣黾?，已?jīng)被列入金屬礦露天開采中重大事故的主要類型之一。另外，伴隨著金屬礦露天開采的深度不斷增加，會(huì)逐步從露天開采進(jìn)入地下開采階段，其中地下開采會(huì)存在用數(shù)量和地應(yīng)力增加的情況，再加上地質(zhì)條件的惡化，此時(shí)如果不及時(shí)采取有效的措施穩(wěn)定開采隔離層的厚度，處理好露天與地下采礦爆破控制等關(guān)系，均可能增加邊坡安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，威脅整個(gè)采礦工作的完全性[2]。

3 影響露天金屬礦山開采邊坡安全的因素

3.1 巖體構(gòu)造對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響

不管是巖體自身的結(jié)構(gòu)還是巖體的變化，均會(huì)對(duì)金屬礦露天開采作業(yè)中邊坡的安全造成巨大的影響。結(jié)合既往開采經(jīng)驗(yàn)以及施工分析報(bào)告，可以總結(jié)出礦山開采過程中導(dǎo)致邊坡滑坡的一大主要因素便是巖體構(gòu)造。通常情況下，開采單位在設(shè)計(jì)邊坡和設(shè)計(jì)開采方案時(shí)，會(huì)對(duì)礦區(qū)四周的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查和研究，借助對(duì)周圍巖體采樣的形式，分析巖體的結(jié)構(gòu)與組成，在此基礎(chǔ)上判斷出該區(qū)域是否滿足露天開采的施工要求。而開采人員則是按照巖體結(jié)構(gòu)面的表面性能是否具備承受施工因素與自然因素的影響來判斷是否符合露天開采的要求，弱面結(jié)構(gòu)作為礦山中常見的不良巖體結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)容易遭受四周自然環(huán)境的影響進(jìn)而發(fā)生分化或者開裂等現(xiàn)象，并且如果巖體表面的裂紋過多積聚，將極大地?fù)p害邊坡的質(zhì)量與穩(wěn)定性[3]。

3.2 巖性土層對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響

巖性土層之所以會(huì)影響露天金屬礦山開采邊坡的穩(wěn)定性，一方面主要是跟巖體結(jié)構(gòu)相關(guān)，而另一方面則是因?yàn)閹r性土層及其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)。以鐵質(zhì)與硅質(zhì)的巖性土層為例，二者對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響差異較大。從本質(zhì)上分析，不同性能的巖性土層對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響的差異主要在于土層中礦物質(zhì)的類型不同，在地下，土層通常會(huì)通過不同的連接形式組合起來構(gòu)成不同的巖體結(jié)構(gòu)，常見的連接方式有結(jié)晶與膠連接等等，但是絕大多數(shù)的腳結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)以及邊坡的穩(wěn)定性造成極大的影響，嚴(yán)重時(shí)還可能發(fā)生邊坡滑坡和移滑等情況，從而影響了露天金屬礦山開采邊坡安全。

3.3 自然因素對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響

自然因素也是影響露天金屬礦山開采邊坡安全的一大重要因素，常見的自然因素有風(fēng)化、地下水侵蝕、溫度改變以及自然環(huán)境的影響等等。其中風(fēng)化主要是會(huì)破壞巖體表面的結(jié)構(gòu)，在自然風(fēng)長期影響下，巖體表面層會(huì)受到擴(kuò)張力作用也不斷形成裂紋，當(dāng)形成的裂紋數(shù)量超過了極限時(shí)便會(huì)很大程度削弱巖體自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而溫度的不斷改變會(huì)導(dǎo)致巖底內(nèi)部與外部的受力不均衡，產(chǎn)生熱脹冷縮的物理變化，最終導(dǎo)致巖體開裂。在諸多自然因素中，地下水侵蝕對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響最為嚴(yán)重，這主要是因?yàn)槠扑榈膸r石結(jié)構(gòu)與裂紋在地下水的作用下，時(shí)間一長便容易出現(xiàn)裂紋擴(kuò)張與巖石顆粒流失的現(xiàn)象。地下水產(chǎn)生的侵蝕改變雖然比較緩慢，但是長此以往造成的影響是巨大的。

3.4 人為因素對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響

人為因素對(duì)露天金屬礦山開采邊坡安全的影響主要包含兩個(gè)方面：一是，爆破振動(dòng)造成的影響。爆破作為露天金屬礦山開采中常見技術(shù)，爆破會(huì)持續(xù)振動(dòng)邊坡，增加了邊坡的不穩(wěn)定性。即便當(dāng)前毫秒爆破技術(shù)被應(yīng)用在礦山開采中，有時(shí)會(huì)采用兩孔起爆或者逐孔起爆，或者盡可能減少單位炸藥的用量，但是依然不可避免地會(huì)對(duì)邊坡造成極大的影響，致使邊坡的表面巖體發(fā)生破碎，誘發(fā)邊坡滑坡，坡面巖石滾落等等，威脅開采的安全性。二是，施工技術(shù)的影響。在露天金屬礦山開采過程中，不嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的施工方案進(jìn)行，開采的臺(tái)階坡面角度高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，或者開采平臺(tái)時(shí)未按照設(shè)計(jì)開展，以至于邊坡的坡腳被破壞、邊坡不規(guī)整、邊坡有傘檐狀形成，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，引發(fā)滑坡或者塌方等等。個(gè)別施工人員不按照爆破設(shè)計(jì)執(zhí)行，穿孔質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，爆破后破壞了坡腳，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。除此之外，在開采作業(yè)過程中，個(gè)別施工人員未執(zhí)行施工規(guī)范，隨意進(jìn)行挖裝，從而影響了邊坡的穩(wěn)定性[4]。

4 露天金屬礦山開采邊坡安全技術(shù)分析

4.1 應(yīng)急治理技術(shù)在露天金屬礦山開采中的應(yīng)用

在露天金屬礦山開采過程中一旦發(fā)現(xiàn)邊坡存在質(zhì)量問題與安全問題時(shí)，便需要做好對(duì)應(yīng)的應(yīng)急處理。邊坡治理人員應(yīng)當(dāng)現(xiàn)場勘察已經(jīng)發(fā)生滑坡的事故，弄清楚安全事故發(fā)生的原因。關(guān)于邊坡安全事故的分析當(dāng)前主要技術(shù)操作如下：對(duì)發(fā)生安全事故的現(xiàn)場開展取樣分析，當(dāng)前常見的取樣方式主要有三類，一類是開挖基坑原狀土取樣；第二類是臺(tái)階開挖邊坡取樣；第三類是鉆孔取樣。當(dāng)完成取樣工作后，將采集到的樣品送至實(shí)驗(yàn)室分析，分析內(nèi)容包含土壤物理力學(xué)性質(zhì)、滑坡區(qū)組成部分等等，在分析樣品的同時(shí)還要注意對(duì)滑坡水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，明確滑坡的各項(xiàng)參數(shù)，從而為滑坡治理提供參考。在治理滑坡時(shí)，通常需要治理削方，在采取應(yīng)急治理技術(shù)時(shí)，需要注重進(jìn)入滑坡區(qū)的水量控制，目前主要采取截水方案與滲溝截留的方式來降低進(jìn)入滑坡區(qū)的地下水，同時(shí)對(duì)上方的地表徑流條件與匯水區(qū)域的滲流條件進(jìn)行控制，盡可能減少流入滑坡區(qū)中的流水[5]。

4.2 防護(hù)加固治理技術(shù)在露天金屬礦山開采中的應(yīng)用

歸納起來，常見的加固技術(shù)主要有以下四種：

4.2.1 HDPE防滲膜護(hù)坡加固技術(shù)

將HDPE防滲膜護(hù)坡加固技術(shù)應(yīng)用在金屬礦露天開采中時(shí)，需要把握關(guān)鍵技術(shù)的操作要點(diǎn)。在鋪設(shè)防滲膜之前，需要清理干凈邊坡表面，確保其表面的清潔度。然后對(duì)HDPE的厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制，最好將其寬度控制在1厘米左右。防滲膜的固定方式采用溝槽錨方式，寬度范圍控制在0.6m左右，需要搭接的部分的寬度范圍為1m左右，而且還需要注重坡腳和接縫地方的平行。在具體施工中，該方法因成本低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在邊坡加固中。

4.2.2 抗滑樁支護(hù)加固技術(shù)

這類技術(shù)通常被應(yīng)用在復(fù)雜的破碎露天邊坡場景加固中，該技術(shù)能夠有效地避免邊坡伴隨著破碎帶移動(dòng)引起塑性改變的現(xiàn)象。為了充分發(fā)揮出抗滑樁支護(hù)加固技術(shù)的效果，在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)需要對(duì)抗滑樁方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的施工方案開展。

4.2.3 錨桿加固技術(shù)

在對(duì)邊坡實(shí)施加固時(shí)，借助錨桿有助于提高邊坡的穩(wěn)定性，該技術(shù)的應(yīng)用原理是通過承受斷裂巖石對(duì)錨桿產(chǎn)生的外力，從而避免邊坡斜率改變，提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在金屬露天礦開采中應(yīng)用錨桿加固技術(shù)，需要確定錨桿的標(biāo)準(zhǔn)長度以及應(yīng)用的擋墻厚度。并且這類加固技術(shù)同樣適用于土質(zhì)邊坡加固中，在應(yīng)用時(shí)，同樣需要控制好錨桿的長度以及相鄰錨桿之間的距離。除此之外，在對(duì)臺(tái)階坡加固時(shí)，需要制定科學(xué)的方法，合理控制加工的厚度，確保加固的鋼筋網(wǎng)層量設(shè)置合理。

4.2.4 生態(tài)護(hù)坡技術(shù)

當(dāng)前比較常見的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)有兩類，分別是植物防護(hù)與土工網(wǎng)植樹兩種，在金屬露天礦開采過程中，可以結(jié)合情況聯(lián)合應(yīng)用該技術(shù)。在植物防護(hù)技術(shù)應(yīng)用要求為：邊坡的高度＜6m，并且土壤跟植物生長條件的地區(qū)相吻合，在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，需要根播種、噴播的方式開展。而應(yīng)用人工王植樹技術(shù)時(shí)，這類技術(shù)比較新穎，不僅可以明顯地提升邊坡的穩(wěn)定性，而且還能降低坡面的侵蝕程度，同時(shí)維持水環(huán)境與土壤環(huán)境的良好[6]。

4.3 優(yōu)化金屬露天礦境界外駐留礦開采技術(shù)

當(dāng)前我國大部分金屬露天礦邁入了開采后期，由于早期開采技術(shù)比較落后，露天礦的開采效率較低，因此還遺留很多可用的礦石。提高開采的面積，提升廢料的剝離量，會(huì)對(duì)金屬礦山的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生極大的影響，更重要的是還會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞。

因此為了實(shí)現(xiàn)金屬礦資源開采與利用的高效，需要整理分析礦床的賦存條件與地質(zhì)穩(wěn)定性，應(yīng)用高邊坡開采和陡幫開采，通過聲波技術(shù)與位移變化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，掌握巖體的地質(zhì)活性特征，通過分析開采過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)的開采技術(shù)闡述，從而實(shí)現(xiàn)開采效率與礦石利用率的最大化。

4.4 對(duì)邊坡的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)控制

最終邊坡角作為金屬露天礦礦產(chǎn)的重要構(gòu)成要素，其主要包含臺(tái)階坡面角、臺(tái)階高度、安全平臺(tái)、運(yùn)輸平臺(tái)以及安全平臺(tái)。在設(shè)計(jì)開采流程時(shí)，需要結(jié)合臺(tái)階的高度綜合考慮爆破工藝和挖掘設(shè)備方面的能力與要求，同時(shí)結(jié)合礦巖結(jié)構(gòu)、礦巖性質(zhì)等各種對(duì)臺(tái)階面大小等對(duì)臺(tái)階面交大小造成的影響，在開采的過程中還需要結(jié)合礦山的水文地質(zhì)條件調(diào)整各個(gè)參數(shù)。除此之外，在開展爆破施工時(shí)，還需要對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，從而獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)應(yīng)用預(yù)裂或者緩沖爆破工藝，最終保證爆堆規(guī)整，提升爆破的安全性與精準(zhǔn)度[7]。

4.5 實(shí)現(xiàn)開采技術(shù)的連續(xù)化與集約化

在金屬露天礦開采時(shí)，必須確保整個(gè)工藝的連續(xù)化與集約化。特別是近年來我國金屬露天礦山半連續(xù)化開采技術(shù)快速發(fā)展，該技術(shù)的采裝過程由挖掘機(jī)完成，在破碎或者篩分設(shè)備的作用下將物料轉(zhuǎn)運(yùn)至帶式運(yùn)輸機(jī)上，然后再將其運(yùn)送至指定的地點(diǎn)完成卸載。半連續(xù)開采技術(shù)同時(shí)具備連續(xù)開采與間斷開采的優(yōu)點(diǎn)，擁有很強(qiáng)的適用性，非常適合于金屬礦露天開采中，能夠連續(xù)運(yùn)輸巖石，生產(chǎn)成本低且環(huán)境污染少，而且還能提升邊坡的穩(wěn)定性。

4.6 注重檢測邊坡的穩(wěn)定性

在對(duì)邊坡穩(wěn)定性開展檢測時(shí)，可以結(jié)合具體情況選擇最佳的檢測手段。首先，應(yīng)用精密儀器檢測法，主要用于檢測已經(jīng)發(fā)生變形的邊坡，檢測的內(nèi)容包含裂縫變化、位移情況、傾斜動(dòng)向等等，從而確保獲得的檢測參數(shù)精準(zhǔn)，為制定邊坡治理方案提供自動(dòng)。在檢測邊坡時(shí)，需要結(jié)合工程的實(shí)際情況選擇檢測的儀器，并對(duì)儀器的精度進(jìn)行調(diào)整，提升檢測的準(zhǔn)確性。其次，采用發(fā)聲檢測技術(shù)。當(dāng)巖體遭受強(qiáng)大的外力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂紋，并且裂紋不算羅占，最終導(dǎo)致巖體應(yīng)力松弛。此時(shí)便會(huì)以應(yīng)力波的形式將巖石中存儲(chǔ)的部分能量釋放出來，同時(shí)形成聲發(fā)射，因此可以分析聲發(fā)射，通過這種方式判斷出巖石內(nèi)部形態(tài)改變。在當(dāng)前信息技術(shù)背景下，檢測邊坡穩(wěn)定性，可以應(yīng)用遠(yuǎn)程檢測手段，從而確保檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，提升邊坡檢測的自動(dòng)化與自動(dòng)化[8]。

5 小結(jié)

綜上所述，礦山安全生產(chǎn)關(guān)系著國家的形象，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。露天開采在我國金屬礦開采中所占比例較高，但是在露天開采過程中面臨的一大安全問題便是邊坡穩(wěn)定性。而導(dǎo)致露天金屬礦開采過程中邊坡不穩(wěn)定的因素較多，除了地質(zhì)條件外，還包含自然因素與人為因素等等，一旦發(fā)生邊坡滑坡，輕則造成重大經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡。因此在開采過程中，必須積極應(yīng)用安全施工技術(shù)和加固技術(shù)，本文提出了采用HDPE防滲膜護(hù)坡加固技術(shù)、抗滑樁支護(hù)加固技術(shù)、錨桿加固技術(shù)、生態(tài)護(hù)坡技術(shù)、優(yōu)化金屬露天礦境界外駐留礦開采技術(shù)、對(duì)邊坡的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)控制、實(shí)現(xiàn)開采技術(shù)的連續(xù)化與集約化等，從而提升邊坡的穩(wěn)定性，降低安全事故發(fā)生率。