露天礦山高邊坡穩(wěn)定施工技術(shù)與安全控制有效措施研究

趙生河

(山西巨能爆破工程有限公司，山西 太原 030000)

礦產(chǎn)資源開采的一個重要方式是露天礦開采，通過現(xiàn)有資料調(diào)查可以確定，我國絕大部分建筑材料開采，都是從露天采礦而來。在露天采礦不斷發(fā)展中，高邊坡穩(wěn)定性問題，成為礦山資源開采中的一項重點內(nèi)容。露天礦高邊坡有臨時性邊坡或者永久性邊坡，該類邊坡通常為巖質(zhì)邊坡，邊坡陡峭、開挖時間長，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)群體。隨著露天開采高度的不斷提升，礦體邊坡發(fā)生滑坡、傾倒的幾率也隨之增加。一旦發(fā)生安全事故，不僅影響開采工作的順利實施、影響效益的創(chuàng)造，甚至?xí)ιa(chǎn)人員生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。因此，露天礦山開采中，相關(guān)負責(zé)人、工作人員給予高邊坡穩(wěn)定施工技術(shù)應(yīng)用、安全控制工作更多關(guān)注，創(chuàng)造安全工作環(huán)境。

1 高邊坡穩(wěn)定性分析

在水電工程、鐵路工程、公路工程以及礦山工程中，高邊坡穩(wěn)定性控制問題，直接影響生產(chǎn)安全、生產(chǎn)質(zhì)量。在露天煤礦開采中，高邊坡穩(wěn)定性控制具備復(fù)雜性，控制工作存在困難[1]。煤礦開采、生產(chǎn)時，需要開展挖掘、爆破等工作，此類工作直接影響高邊坡穩(wěn)定性。在煤礦開采中，人員投入具有集中性特點，高邊坡安全控制工作，確保高邊坡穩(wěn)定性，是確保人員安全、礦場財產(chǎn)安全的前提保障。露天煤礦開采中，高邊坡穩(wěn)定性控制需要工作人員圍繞巖土體介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)展開，采取合理的開采技術(shù)施工方案。注意采掘爆破工藝技術(shù)優(yōu)化，減少爆破對永久性邊坡的振動、破壞等影響，創(chuàng)造安全開采環(huán)境。

在近些年社會發(fā)展中，先進計算機技術(shù)、工程技術(shù)得以進步，在高邊坡穩(wěn)定性控制中，有著很多先進經(jīng)驗。通常情況下，在預(yù)測高邊坡整體穩(wěn)定性時，可以借助遺傳程序設(shè)計理論，創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型。對于巖體巖石滾落路徑、能量分布、休止點等，要進行有效的模擬分析、穩(wěn)定性計算，與此同時，完成防護墻受到的應(yīng)力、應(yīng)變情況，進行動態(tài)數(shù)值模擬與分析，這樣可以準(zhǔn)確評估高邊坡穩(wěn)定性情況。結(jié)合具體情況，制定穩(wěn)定性控制措施，提升高邊坡穩(wěn)定性。

2 露天礦山開采時高邊坡破壞機理

露天礦山開采時高邊坡破壞機理主要體現(xiàn)在以下幾點。

1)階梯狀蠕滑—拉裂機理。通常情況下，在平行邊陡坡、緩兩組結(jié)構(gòu)面控制的高邊坡中，容易出現(xiàn)階梯狀蠕滑—拉裂問題。平面滑移變形為主要變形方式，往往發(fā)生在堅硬狀巖體高邊坡，或者厚層巖體組成的高邊坡中，變形問題主要是由上至下傳遞。在階梯狀蠕滑面平均傾角，與結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角較為接近情況下，容易發(fā)生變形情況。

2)傾倒變形。傾倒變形問題容易發(fā)生在走向與坡面近乎平行的陡傾層狀巖體中，傾倒變形又被人們稱之為彎曲-拉裂，或者彎曲-傾倒變形。其巖體為下伏軟弱基座的高陡邊坡，邊坡底部位置會受到上覆巖體壓縮作用影響，出現(xiàn)不均勻壓縮變形問題，導(dǎo)致坡體受傾覆力矩朝外傾倒。

3)高應(yīng)力—強卸荷深部破裂機理。在河流邊岸、基坑挖掘面，很容易出現(xiàn)高邊坡，具備深部荷載，同時還會伴隨深部張裂問題的出現(xiàn)，也就是高應(yīng)力—強卸荷深部破裂機理[2]。出現(xiàn)這一問題的主要原因是，高地應(yīng)力、邊坡深部，存在著一定的外部條件，有利于應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)面、底部快速下切導(dǎo)致的邊坡內(nèi)在應(yīng)力快速釋放。

3 露天礦山高邊坡穩(wěn)定施工技術(shù)

在露天礦山高邊坡穩(wěn)定施工技術(shù)中，涉及到很多不同技術(shù)，光面與預(yù)裂控制爆破技術(shù)是其中的重要組成部分，在保證高邊坡穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要作用。預(yù)裂控制爆破技術(shù)主要是指，工作人員按照設(shè)計輪廓線鉆鑿單排窄孔距、密集平行預(yù)裂炮孔，通過不耦合裝藥、減少裝藥量方式等，在待爆區(qū)域主炮孔爆破之前，提前起爆預(yù)裂孔，這樣提前設(shè)計的輪廓線，能夠形成平整預(yù)裂線，形成預(yù)裂縫后起爆主炮孔。預(yù)裂控制爆破技術(shù)經(jīng)過多年的實踐，已經(jīng)成為控制開挖輪廓線采取的主要爆破技術(shù)之一。該項施工技術(shù)在應(yīng)用中，可以減少爆炸應(yīng)力波對圍巖的影響，預(yù)留邊坡上的浮石、危石、坡面裂縫等危害問題的發(fā)生幾率大大降低，為后期安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，從而獲取更加平整、光滑的巖石壁面，減少超挖、欠挖問題，在裝運、回填、支護等不同環(huán)節(jié)工作中，節(jié)約更多成本，保證邊坡穩(wěn)定性[3]。因此，預(yù)裂控制爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用在露天礦高邊坡施工、水工建筑施工等不同環(huán)節(jié)中。施工技術(shù)的具體應(yīng)用如下。

1)工程概況。在某露天礦山開采項目中，礦山采用三級道路開拓運輸方式。主運礦道路里程是0K+000.00m—3K+219.50m，沿線山坡都需要進行爆破施工。該工程項目中爆破施工難點主要集中在3K+113.30m—3K+219.50m位置，該路段的爆破高度為20m—30m。為給后續(xù)施工創(chuàng)造良好條件，施工人員要盡快完成3K+113.30m—3K+219.50m路段的爆破施工。風(fēng)化白色大理巖、灰色結(jié)晶灰?guī)r，為該路段山體的重要組成部分，巖層節(jié)理、裂隙處于不斷發(fā)育中，破碎問題較為嚴(yán)重。原山體植被發(fā)育、坡度在45°～60°之間，邊坡坡度設(shè)計為1∶0.2。在爆破區(qū)域路基北側(cè)大約25m位置，已經(jīng)有一段路基已經(jīng)竣工。3K+067.94m位置路基左側(cè)，是運礦道路施工用空壓機站，以及設(shè)備管理人員的值班場所，施工過程中禁止對此類區(qū)域造成破壞。

2)選取爆破方案。該工程項目施工中，爆破方案可以選用硐室松動控制爆破方式、淺眼爆破方式、深孔松動控制爆破方式等。該路段的路塹開挖高度通常在20m～30m之間，山高陡峭，硐室爆破方式無法實現(xiàn)對開挖邊坡的有效控制，而且無法在半山坡上采取人工作業(yè)方式，因此，硐室爆破方式不合理[4]。淺眼爆破方式飛石控制難度較大，可以減少超挖、欠挖問題，但施工持續(xù)時間較長，起爆次數(shù)較多，不具備經(jīng)濟性。在該段山體上表面覆蓋土大約為1.0m，機械設(shè)備無法在山坡上進行表層土清理，人工清理方式浪費時間、精力。除此之外，該路段的路塹開挖施工要盡快完成，防止對后續(xù)施工產(chǎn)生影響。工作人員通過分析施工現(xiàn)場實際情況、工程項目進度，決定采用高邊坡預(yù)裂控制爆破技術(shù)方式，將一排預(yù)裂孔設(shè)置在路塹開挖輪廓線上，目的是將邊坡坡度控制在合理范圍內(nèi)，防止超挖、欠挖問題。

3)選取施工機具。在確定采取高邊坡預(yù)裂控制爆破技術(shù)施工方式后，工作人員結(jié)合現(xiàn)有情況，選擇YQ-100型潛孔鉆機，鉆機的鉆孔直徑為100mm[5]。機械無法到鉆機平臺中清理，所以，要配備手持式小風(fēng)鉆人工配合完成施工，工作人員要將潛鉆孔機架抬到山上。

4)爆破設(shè)計。在爆破設(shè)計中，要做好以下幾點工作：確定臺階高度，臺階高度的確定，要圍繞鉆機型號、設(shè)計要求的路基高程展開，該工程項目中最上層臺階高度是11m—17m，下一層臺階高度為10m。3K+113.30m—3K+219.50m路段，被分為兩個臺階，施工時要開始最上層臺階的爆破施工；選取爆破參數(shù)，在高邊坡預(yù)裂控制爆破技術(shù)應(yīng)用中，將預(yù)裂孔設(shè)置在預(yù)留邊坡位置，主炮孔位置起爆，預(yù)留邊坡處需形成預(yù)裂縫，預(yù)裂縫大小在5～10cm之間，邊坡要實現(xiàn)平滑性、穩(wěn)定性。爆破時，采取高邊坡預(yù)裂控制爆破方式，預(yù)裂孔遵循一字型布置原則，同時，主炮孔為梅花形布置方式，主要目的是實現(xiàn)高邊坡一次成型；預(yù)裂孔的炮孔傾角是1∶0.2，采取不耦合裝藥方式[6]。要注意鉆孔超深，主要目的是克服底板產(chǎn)生的阻力，確保爆破后不形成根坎。臺階高度高、坡面角小、底板抵抗線大，巖石也就愈發(fā)堅硬，超鉆深度也要越大。對于超鉆深度并沒有明確規(guī)定，但要確保各個臺階爆破孔底落在相同高程上，從而保證爆破底部巖面平整，為下一層爆破提供便利。

4 露天礦山高邊坡穩(wěn)定施工安全控制措施

4.1 加強安全監(jiān)測

在高邊坡穩(wěn)定施工安全控制過程中，安排專門工作人員做好安全監(jiān)測工作，圍繞煤場周圍環(huán)境情況、地質(zhì)條件情況、邊坡坡度、滑落次數(shù)等，創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型，并開展高邊坡穩(wěn)定性、安全性監(jiān)測工作。實際監(jiān)測中，為達到良好監(jiān)測效果，合理應(yīng)用電子經(jīng)緯儀、全站式速測儀等先進設(shè)備。借助軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)信息的快速處理，為險情預(yù)報提供保障。在高邊坡穩(wěn)定性、安全性監(jiān)測中，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時聯(lián)系負責(zé)人，實現(xiàn)問題的有效處理，創(chuàng)造安全工作環(huán)境，保證施工安全、施工質(zhì)量。在安全監(jiān)測中，工作人員發(fā)揮著不可替代的重要作用，如果安全監(jiān)測工作人員能夠?qū)Π踩O(jiān)測的重要性有著全面把握，那么安全監(jiān)測工作的順利實施得以保障，達到良好監(jiān)測效果[7]。因此，要定期做好監(jiān)測人員的教育培訓(xùn)，幫助監(jiān)測人員掌握高邊坡穩(wěn)定施工重點、注意事項、施工流程等，這樣才能在監(jiān)測中及時發(fā)現(xiàn)不足，并作出調(diào)整與完善。對于在安全監(jiān)測中表現(xiàn)較好的監(jiān)測人員，相關(guān)部門要給予獎勵，調(diào)動監(jiān)測人員的工作積極性，在未來工作中端正工作態(tài)度，認真、嚴(yán)謹(jǐn)對待安全監(jiān)測工作，確保高邊坡的安全性、穩(wěn)定性。

4.2 確定安全控制重點

在高邊坡施工安全控制中，工作人員要確定安全控制重點內(nèi)容，并將安全控制落到實處，避免安全事故。在確定安全控制重點，實施安全管理時，要注意以下幾點：1)強化工作面坡腳控制。在設(shè)置安全坡腳、邊坡坡度時，要根據(jù)邊坡巖體地質(zhì)層具體情況展開，并將安全監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息作為參考依據(jù)，確保設(shè)置合理性。如果坡度出現(xiàn)超出安全坡度情況，工作人員要及時加固；2)設(shè)置抗滑樁或者錨桿加固。如果高邊坡穩(wěn)定性無法保證自然穩(wěn)定，工作人員要落實坡面的滑面分析工作，確定內(nèi)摩擦角值，并準(zhǔn)確計算抗滑樁支撐推力，從而明確抗滑樁根數(shù)[8]。在出矸石線施工中適合設(shè)置抗滑樁，巖石層邊坡要及時開展錨桿加固。采用水平錨桿加固方式，增加巖層迭層厚度，強化復(fù)合抗變剛度，盡量避免邊坡傾倒造成位移；3)采區(qū)安全管理。在控制采區(qū)工作面時，要防止出現(xiàn)超挖情況，優(yōu)化、調(diào)整采區(qū)位置，將采挖控制在合理范圍內(nèi)，這對于露天煤礦高邊坡穩(wěn)定性、減少高邊坡變形、保證安全生產(chǎn)，具有重要意義。

4.3 加強綜合管理

露天煤礦開采過程中，高邊坡綜合管理是安全管控中的一項重點工作，在其中涉及到很多不同內(nèi)容，比如，工作人員要將安全警示標(biāo)志，設(shè)置在高臺階區(qū)域內(nèi)，科學(xué)設(shè)置安全擋墻、警戒帶、警示牌等；無關(guān)人員禁止在高臺階區(qū)域內(nèi)逗留；高臺階區(qū)域施工中，安排專門工作人員監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)并解決施工中出現(xiàn)的問題；及時監(jiān)測高臺階邊坡穩(wěn)定性情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，及時上報相關(guān)部門，并撤離工作人員、機械設(shè)備，設(shè)置安全警示標(biāo)識，保證施工安全；在白天進行高臺階區(qū)域施工，避免在夜晚或者能見度較低環(huán)境下施工；高臺階區(qū)域作業(yè)開始之前，工作人員要檢查高臺階坡頂是否存在裂紋，坡面是否存在浮石、片幫等問題，如果出現(xiàn)異常情況禁止施工[9]。

綜合管理中，工作人員要給予生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理足夠重視。生產(chǎn)時的操作管理，直接影響高邊坡穩(wěn)定性，特別在爆破施工中，會對高邊坡產(chǎn)生振動影響，容易引發(fā)變形問題[10]。基于此，爆破作業(yè)開始之前，工作人員要做好安全防護，確保工作人員、機械設(shè)備在撤出高臺階危險區(qū)域后進行起爆；爆破施工中，距離高臺階坡頂線10m位置，以及坡底線30m內(nèi)，禁止工作人員停留，以及擺放機械設(shè)備。安排專門工作人員分析爆破施工地震波，對高臺階坡面穩(wěn)定性的影響，制定針對性調(diào)整措施，將地震波影響降到最低；借助鉆機打預(yù)裂孔時，要注意鉆孔傾角，按照設(shè)計邊坡角度開展作業(yè)；推土機、前裝機要在高臺階下完成底板清理工作，距離破底線10m內(nèi)，禁止采取平行破底線作業(yè)方式；高臺階區(qū)域內(nèi)，禁止停放運輸卡車、生產(chǎn)指揮車、工程設(shè)備等；在端幫路行駛的生產(chǎn)指揮車、中巴車等，要與高臺階坡底線保持合理距離，通常要距離2～3m。

5 結(jié)語

綜上所述，保證高邊坡施工穩(wěn)定、安全，是露天礦山開采中的一項重點工作，通過合理應(yīng)用高邊坡穩(wěn)定施工技術(shù)，強化安全控制，為工作人員創(chuàng)造安全工作環(huán)境，避免安全事故，創(chuàng)造更多效益。要特別做好綜合管理工作、安全監(jiān)測工作，確定安全管控重點，將安全管理融入到不同環(huán)節(jié)工作中。此外，開采工作開始前，安排專門工作人員做好調(diào)查工作，了解采區(qū)現(xiàn)場環(huán)境情況、地質(zhì)情況，制定合理施工方案，推動施工的順利實施，減少質(zhì)量問題與安全事故。