露天矿边坡稳定性的安全因素分析.pdf

2 0 0 8 年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 5 卷第 1 期 露天矿边坡稳定性的安全因素分析 于庭安 ， 戴兴国 中南大学 资源与安全工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘要 露天矿边坡稳定性是影响或 困扰露天矿山， 特别是深凹露天矿 山的重大安全生产难题。随 着开采规模不断扩大和深度增加 ， 边坡工程也 随着增高增大， 边 坡的安全性与稳定 性对矿 山也更重要 ， 边坡稳定性的安全分析的重要性 日益显露。因此， 边坡稳定性的安全 因素分析对矿 山的生产具有重要 的意义， 它是矿 山边坡安全管理信息的来源和决策的依据。 关键词 露天矿 ； 边坡稳定性； 破坏模式； 影响因素 中图分类号 T D 8 2 4 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 0 8 0 1 0 C r 7 3 0 4 随着开采深度的不断增 加， 我国一些露 天矿 山 相继转入地下开采 ， 形成的高陡深凹露天边坡 ， 对采 空区围岩的破坏极易诱 发坡脚失稳而发生滑坡 ， 如 板石沟铁矿 、 眼前山铁矿 、 石人沟铁矿等。 据不完全统计 ， 在我国露天矿山中， 不稳定边坡 或具有滑坡危险的潜在不稳定的边坡 占边坡总长度 的 1 5 ％ 一 2 0 ％， 个别 的高达 3 0 ％以上 。 因此 ， 弄清边坡稳定性安全 因素， 对保证深部开 采中的安全生产 ， 具有重要 的理论与实际意义。 1 露天矿边坡特征 【 1 。】 1 露天矿边坡 一般较高， 从几十米 到几百 米， 走 向从几百米到数千米 ， 其揭露 的岩层多 ， 边坡各部 分地质条件差异大， 变化复杂， 岩体暴 露时间长 、 破 碎 、 完整性差 ， 岩体的强度低 ； 2 露天矿最终边坡是 由上而下逐步形成的 ， 上 部边坡服务年限长， 下部边坡服务年限短， 因此上下 部边坡的稳定性也不相同， 具有时效性 ； 3 露天矿场每天频繁的穿孔 、 爆破作业和车辆 行走 ， 使边坡岩体受到经常性的震动影响 ； 4 边坡是随着露天矿开采作业而形成的， 其稳 定性不断发生变化。 边坡的类 型按坡体成分可分为岩石边坡 、 泥 土 边坡 、 沉积物边坡 、 构筑堆坡 和尾矿 坝； 按几何 形状 可分为倾斜边坡、 内陷边坡和外鼓边坡。 露天矿边坡 的主要特点是岩体开挖与边坡形成 收稿日期“- 2 D 0 7 0 5 1 6 ； 2 D O一0 7 2 0修回 作者简介 于庭安 1 9 8 1 一 ， 男， 广西桂林人， 硕士研究 生， 主要从事矿山安全技术工程方面的研究工作。Em a i l l i j i a n g z h i s h u i t o m． c o rno 贯穿于生产过程的始终 ， 开采 的过程就是边坡形成 的过程 ， 它是一动态过程。边坡从地表开始 ， 最初只 有一个或几个台阶 ， 最终可能形成 含有数十个台阶 的高大的岩体边坡 ， 其形成过程一般需要数年或更 长时间。边坡工程的最终形成亦标志着工程功能的 完结和废弃。 2 露天矿 山边坡破坏模式 有关学者经大量 的研究后 ， 提出了我 国露天矿 山边坡的变形 与破坏模式分类【 1 ] ①金川模 型 反倾边坡 的倾倒破坏 ； ②葛洲坝模型沿水平软 弱层面的整体滑动 ； ③塘岩光模型顺层 的快速 滑动； ④白灰厂模型坐落式平推滑动 ； ⑤盐池河 模型滑动倒 塌。各类 边坡破 坏 的地质模 型如 图 l 一5 所示。 避 帮 变形破 坏模 式 时 间 图 1 金川模型 变形 破 坏 模 式 时 间 图 2 葛州坝模型 73 维普资讯 2 0 0 8 年 2 月 矿 业安 全 与 环 保 第3 5 卷第 1 期 变形破坏模式 时 问 图 3 塘 岩光模 型 变形破坏模式 白灰厂模型 变形破坏模 式 时 间 图 5 盐池河模型 3 边坡稳定性的主要影响因素 边坡 既是矿山生产 的安全和经济边界 ， 又是生 产作业 的对象。生产过程中的爆破 、 采装 、 运输 、 天 然降水及冻结 、 融化等影响因素的反复作用 ， 影响和 恶化了边坡的质量状态。 3 ． 1 地质因素 3 ． 1 ． 1 岩石性质与结构构造的影响 岩石是在一定 的地质作用下 ， 由各种矿物按一 定规律聚集而形成。岩石的矿物组成和结构构造对 岩石的性质起主要作用， 并影响着岩石抗风化能力 。 岩石矿物成分与结构构造主要影响岩石 的力学 性质和强度， 对岩体性质乃至边坡稳定性起 重要 的 作用。如抚顺西露天矿煤层下盘， 沉积很厚 的凝灰 岩 ， 其含有大量蒙脱石黏土矿物 ， 导致该矿下盘不断 发生规模巨大的边坡滑落。 3 ． 1 ． 2 岩体孑 L 隙度的影响 岩石的孑 L 隙度影响岩石 的吸水性。随着孑 L 隙度 增大 ， 岩石的强度降低、 弹性模量减小 ， 从而影 响岩 7 4 体的抗压 、 抗剪 、 抗弯和抗拉强度。 3 ． 1 ． 3 岩体结构面的影响 结构面就是在岩体内形成具有一定方向、 规模 、 形态和特性 的面、 缝 、 层、 带状 的地质界面。结构 面 直接影响着边坡岩体变形 、 破坏 的发生和发展过程 ， 主要体现在以下几个方面 1 岩体的结构面都是弱面， 较破碎 ， 易风化 ， 结 构面中有裂缝 ， 抗剪强度较低； 2 孑 L 隙、 裂隙 、 节理为地表水 的渗入及活动提 供了良好的通道 ， 使岩石抗剪强度进一步降低； 3 结构面影响滑体的滑动面及 边缘轮廓 ， 甚至 决定 了边坡破坏的类型。 结构面的成因 原生、 次生 、 构造 、 规模 、 连续性 与间距 、 起伏度与粗糙度 、 结合状态和充填物都对边 坡的稳定性产生影 响， 尤其结构 面与边坡临空面走 向关系的影响最大。典型的结构面破坏类型分为平 面滑坡 、 楔体滑坡 、 倾倒滑坡 ， 如图 6所示 。 毋 a 圆弧型 b 平面型 c 楔体型 d 倾倒型 图6 边坡破坏结构面模型 3 ． 1 ． 4 地应力的影响 地应力除 自重应力外 ， 还包括地质构造的残余 应力 、 水应力 、 震动应力 、 温差应力等。 地应力的存在会增加边坡岩体向 自由面变形 ， 使原有裂隙进一步扩大或造成新的卸荷裂 隙， 从而 降低岩石强度 ， 增 高坡底 的应力 ， 减小 边坡 的稳定 性 。随着开采深度 的增加 ， 地应力也随着增加 。 3 ． 2 边坡结构因素 3 ． 2 ． 1 台阶高度和平台宽度的影响 确定台阶高度和平 台宽度要考虑矿岩的埋藏条 件和力学性质， 以及穿爆作业和采掘工作面的要求 。 我国大中型矿 山的台阶高度为 81 5 m。平 台宽度 不但影响边坡角的大小 ， 也影响边坡的稳定 ， 因此台 阶的最小宽度必须保证运输和安全的需要。 维普资讯 2 0 0 8 年2 月 矿 业安 全 与 环保 第3 5 卷第1 期 3 ． 2 ． 2 边坡角与边坡高度的影响 在边坡角相同的条件下 ， 边坡越高稳定性越差 ， 这是由于边坡 自重力加大使边坡滑动的剪切力也相 应增加。增加量与滑体体积 的增加成正 比， 而抗滑 动剪切的内聚力的增长与滑体面积成 正 比， 增长量 较小。当边坡高度一定时， 边坡角越大， 边坡越不 稳定 。 3 ． 2 ． 3 台阶坡面角和最终边坡角的影响 台阶坡面角的大小也与矿岩性质 、 穿爆方式 、 推 进方向、 矿岩层理方向和节理发育情况等因素有关。 在一般情况下 ， 台阶坡面角大小取决于矿岩 的性质 松软矿岩 的工作 台阶坡 面角小于矿岩 的 自然安息 角， 较稳定的矿岩的坡 面角小于 5 5 o ， 坚硬稳 固的矿 岩的坡面角小于 7 5 。 。 3 ． 3 水的因素[ 】 水能改变矿岩物理力学性质 ， 在页岩、 凝灰岩等 岩石中可作为润滑剂， 并在岩体 的裂 隙中产生静水 压力与浮力作用 。同时， 岩体 中的动水压力使岩体 下滑力增加 2 4 ％。一般地下水压可以降低边坡稳定 性 2 0 ％ ～ 3 0 ％， 在保持安全系数不变的情况下 ， 降低 岩石裂隙水压可增加边坡角 5 o ～7 o 。 3 ． 3 ． 1 静水压力的作用 当水存于岩石裂隙中时， 对裂隙两边产生静水 压力 ， 所 产生 的静 水压 强 为 y w Z w， 则 总 压 力 为 ] 1 ． V- 5 - y wz 台 1 厶 式中 7 w 为水的体积质量 ； Z w为裂 隙充水深度。 当裂隙中的水沿坡面继续向下流动至坡脚溢出 坡面时， 将产生沿此坡面的浮力 ， 则总托力 c ， 为 1 U 去y wZ wL 2 二 式中 为裂隙内水柱到坡脚距离。 托力 c ， 和作用在边坡坡 面上 的正应力方 向相 反 ， 抵消了一部分正应力的作用 ， 从而减小 了沿坡面 的摩擦阻力。静水压力的作用能增大滑动力和减小 摩擦力。在地下水高于滑动面时 ， 静水压力能使岩 体抗剪强度降低 2 5 ％ ～5 0 ％。 3 ． 3 ． 2 动水压力的作用 1 水压力 当地下水在裂 隙中流动时， 作用于岩石颗粒上 的压力称为动水压力。压力的方 向为水流的切线方 向， 此时， 动水压力为推动岩体 向下滑动的力。 2 潜蚀作用 所谓潜蚀作用就是 当动水压力较大时 ， 岩石颗 粒和岩体 的可溶解成分会被地下水流带走 。潜蚀作 用会破坏岩体 的稳定性 ， 使岩体 内聚力和摩擦力减 小而失去平衡 ， 产生滑坡 。当地下水和结构面联 系 在一起时， 对边坡的稳定性威胁更大。 3 水的软化作用 对黏土质岩体和节理裂隙发育 的岩体 ， 随着含 水量增加 ， 其内聚力和摩擦力显著降低 ， 抗剪强度降 低到干燥时的 1 ／ 2 0～1 ／ 4 。当断层破裂带存有大量黏 土质填充物时， 水的软化作用更明显。 在上述几种水的作用中， 静水压力 的作用更为 突出 ， 因为静水压力的作用受地下水位变化的影响， 地下水位又受地表水 、 降雨量 和岩体 的渗透性等的 影响。此外 ， 当水冻结后则对边坡产生膨胀作用力， 也可降低边坡稳定性。因此， 降低地下水位是改善 边坡稳定性的主要方法之一。 3 ． 4 生产因素 3 ． 4 ． 1 震动影响 震动对边坡的影响源主要有爆破作业 和运输作 业 ， 此外还要注意地震 的影响。 爆破作业对边坡稳定性的影 响 ①爆破震动增 加了边坡的滑动力； ②爆 破作用破坏边坡岩体 完整 性。爆破方法形成 的边坡岩体破坏严 重 、 表层岩石 破碎 ， 易剥落崩塌 ， 易受风化 、 水渗流等的影响， 从而 降低边坡的稳定性和安全系数。 爆破振动对岩体造成的损害取决于岩体振动速 度的大小 ， 其大小又与爆破所用的炸药量 、 爆破中心 至边坡的距离 、 岩石性质及地质条件有关。岩体振 动速度 的大小为 3 式中 K为爆破系数； Q为炸药量 ； R为爆破 中心至 边坡的距离 ； 为衰减系数 。 目前通常按照等效静力来考虑爆破振动力对边 坡稳定性的影响， 爆破振动等效静力 F 为 F b B b K d W 4 式中 B 为 动力 系数 ； W 为滑 体质 量 ； K 为 地震 系数。 爆 破作业可促发边坡滑动。 在 1 9 8 1 年6 月 1 0日， 攀枝花钢铁公司石灰石矿 H， 滑体 ， 在滑坡区前缘采 用硐室爆破 ， 约 5 h 后 ， 岩体滑动而形成大滑坡。 原因 7 5 维普资讯 2 0 0 8 年2 月 矿 业安 全 与环保 第3 5 卷第1 期 是爆破切断了软弱层 ， 降低了滑动面岩石的强度， 致 使裂隙不断扩大而导致岩体滑动。 露天矿台阶上机车、 汽车的运输和挖掘机作业 等设备的震动力对露天矿整体边坡的稳定性也有影 响， 有时会触发局部台阶的滑动。 3 ． 4 ． 2 开采顺序和推进方向的影响 在生产过程 中， 开采顺序和推进方向对露天矿 边坡岩体的稳定性和整体性产生重要 的影响。当采 用不合理的开采顺序 ， 或在作业台阶底部进行掏底 开采 ， 则边坡形成伞檐状和空洞 ， 致使边坡失稳。 3 ． 5 其他因素影响 3 ． 5 ． 1 风化作用 风化作用会使原生结构面和构造结构面的规模 增大， 条件恶化 ， 并有可能产生风化裂隙等次生结构 面。同时长时间的风化作用还会使岩石 自身强度降 低， 尤其对一些抗风化性能较差的软岩， 降低得更 多 ， 对边坡稳定则产生不利影响。 岩体开采年 限、 岩石本身成分 、 结构 构造 、 后期 蚀变和构造作用 、 湿度 、 温度 、 降雨 、 地下水和爆破震 动等作用影响风化的速度。在同一个露天矿， 同样 的岩性 ， 上部边坡 比下部边坡风化程度要大 ， 稳定条 件也相应降低。 3 ． 5 ． 2 人为因素 培训制度不健全 ， 人的素质低 ， 对边坡稳定性 的 影响因素认识不足 ， 人为破坏边坡。如在边坡上部 堆积废石和设备 ， 以及建造建筑物等 ， 使边坡岩体的 滑动力加大 ； 或从坡脚挖掘 ， 减 小抵抗滑动 的阻力， 加大边坡的不稳定性 ， 甚至导致边坡的破坏。 3 ． 5 ． 3 开采时间与气候 的因素 在矿 山开采 中， 开采时间与矿 区气候 因素是不 可忽略的重要 因素。随着开采时间的延续和气候的 变化 ， 边坡的状态相应发生变化 ， 影响边坡岩体稳定 的因素如岩层成分 与构造面、 地下水、 地应力 、 边坡 几何形状等都随着变化。 4 建议 在露天矿 山的开采过程 中， 边坡稳定性 随着开 挖作业 的进行而变化。有些影响因素短期 内难于准 确估计 ， 有些 因素则 尚难进行定量分析。为防止边 7 6 坡事故 ， 减少或控制边坡破坏所产生的严重后果 ， 可 采用以下措施 1 加强地质调查 。矿 区地质调查 是露天矿边 坡稳定性分析的基础 ， 包括矿 区岩石类型、 岩体结构 面、 水文地质调查、 边坡滑落情况、 自然边坡等。 2 在生产上 ， 确定合理的边坡角、 坡面角、 开采 顺序和推进方向， 做到有计划、 有条理地开采。 3 采用削坡减压和减重压脚等边坡减重措施 ， 抑制滑坡体 的进一步发生和发展。边坡坡体减重是 控制边坡失稳体活动的有效措施。 4 在边坡下部坡脚采用抗滑桩、 锚杆 索 、 挡 墙及注浆等加固支挡工程。 5 松动爆破破坏滑面 ， 使 附近岩体 的内摩擦角 增大 ， 采用切 断弱 面回填法 ， 增强岩体的整体性 ； 同 时使地下水通过松动岩体 ， 降低地下水位 。 6 对边坡岩体进行地下水排放疏干 ， 降低边坡 的地下水位。采用挖沟排 截 洪 、 矿 区地面防渗 、 防 水堤坝和整治河道 ， 控制地下水的水源。 7 在开采中合理选择爆破方法 ， 在施工和运输 过程 中采用减、 防震措施 ， 减少震动对边坡的影响。 8 加强对边坡 的状态调查与监测 ， 建立有效 的 边坡状态监测系统和边坡状态参数数据库。 9 加强矿山的安全生产监督管理与安全教育， 加速采矿人才培养， 加大矿 山安全技术与管理人员 的安全培训力度 ， 建立专门边坡维护队， 建立安全规 章制度 ， 实行安全生产责任制。 参考文献 [ 1 ]孙玉科， 等． 中国露天矿边坡稳定性研究[ M] ． 北京 中国 科学技术出版社， 1 9 9 9 ． [ 2 ]邱平， 张喜中． 露天采石场边坡稳定因素浅析[ J ] ． 中国安 全科学学报， 2 O O 6 ， 1 6 7 ． ． [ 3 ]劳动部矿山安全卫生监察局． 露天矿场边坡稳定检测 [ M] ． 北京 中国劳动出版社， 1 9 9 2 ． [ 4 ]张震宇． 影响露天矿边坡 的定性的因素[ J ] ． 金属矿 山， 2 o 0 5 增刊 ． [ 5 ]E． I I ． 叶米里扬诺娃 苏 ． 滑坡作用的基本规律[ M] ． 重 庆 重庆 出版社 ， 1 9 8 6 ． 责任编辑 卫蓉 维普资讯