某石灰石矿边坡稳定性影响因素分析与防治建议

尚迎军

(苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司, 江苏苏州市 215004)

某石灰石矿边坡稳定性影响因素分析与防治建议

尚迎军

(苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司, 江苏苏州市 215004)

露天矿边坡稳定性是制约矿山安全生产的重要因素,为保障某石灰石矿山的正常生产,对影响该矿露天边坡稳定性的因素进行了归类,并指出边坡失稳破坏是多种因素共同作用的结果;根据边坡失稳的不同诱因给出了相应的防治建议。

石灰石露天矿;边坡稳定性;影响因素;防治措施

0 引 言

边坡稳定性一直是制约露天矿安全生产的重要因素,在露天矿的生产历史中,露天矿山边坡不断发生各类失稳或滑坡事件,如金川露天矿滑坡、抚顺西露天矿滑坡、大冶铁矿滑坡、安家岭露天矿滑坡、胜利露天矿滑坡、小龙潭露天矿滑坡、平庄西露天矿滑坡、白银露天矿滑坡、盐池河磷矿山崩、哈密三道岭露天矿滑坡、前河露天矿滑坡、红旗岭露天矿滑坡、日本影森石灰石露天矿滑坡等重大事故[1],给矿山企业的安全生产和生活造成了巨大的威胁和损失。因此,保证露天矿边坡稳定是矿山安全开采的关键,具有非常重要的意义。

本文以某石灰石矿为工程背景,对影响该露天矿边坡稳定性的因素进行了归类,进而根据边坡失稳的不同诱因给出相应的防治建议,对保证露天矿的安全生产具有一定的理论和现实意义。

1 矿山概况

某石灰石露天矿位于低山丘陵区内,岩层走向为北东-南西,东翼比西翼略陡,西翼倾角20°～40°,东翼倾角30°～50°,局部达75°～80°,产状较稳定,变化有规律性。该矿区的矿体及围岩均以碳酸岩为主,次为泥岩、钙质泥岩,属坚硬、半坚硬岩石。矿区内断层分布少,展布规模小。影响矿山开采的地质构造主要为溶蚀构造和裂隙构造,地表溶蚀宽度0.5～0.8 m。

该区属亚热带温湿季风气候,四季分明,年平均降水量965.5 mm,多集中在4～9月,约占全年降雨量的75%,且多暴雨。矿区内无常年性地表径流,区内岩溶有一定发育,地下水类型主要为岩溶裂隙水、溶洞水。不少岩溶孔洞、泉点连通形成地下管道或地下暗河。

2 露天矿边坡破坏型式

露天矿边坡失稳主要表现为崩塌和滑坡2种形式。崩塌一般发生在高陡边坡的坡肩位置,发生较为突然,运动快速。滑坡是边坡岩土体沿贯通的剪切面发生滑移的现象,是由于某一滑移面上的剪应力超过该面上的抗剪强度所致,规模较大,可分为平面滑动、楔形滑动和圆弧滑动3种类型。崩塌与滑坡的示意如图1和图2所示。

图1 崩塌示意

3 露天矿边坡稳定性的影响因素

一般情况下,露天矿边坡的失稳破坏并不是单一因素影响的结果,而是由多种因素共同影响所致,影响该石灰石矿边坡稳定性的因素主要如下。

(1)边坡结构参数。露天矿边坡的结构参数包括平台宽度、台阶高度、台阶坡面角、坡高、最终边坡角等。在一定的地质条件下,边坡的稳定性主要取决于边坡的结构参数,是影响边坡稳定性的内在因素。平台宽度影响边坡角的大小和边坡的稳定,平台最小宽度必须保证运输和安全的需要[2]。当边坡角一定时,边坡越高,稳定性越差;当边坡高度一定时,边坡角越大,稳定性越差。

(2)岩石的物理力学性质。岩石的物理力学性质主要包括密度、空隙性、吸水性、软化性和抗冻性等,这些性质主要取决于所含的造岩矿物,岩石性质的差异是影响边坡稳定性的重要因素。主要表现为:边坡的破坏与岩石的矿物成分、亲水特性和抗风化能力有关,亲水性强且抗风化能力差的岩石组成的边坡较易破坏,如二叠系煤系岩组和古老的泥质变质岩系都是易滑地层岩组;岩组特征对边坡的变形破坏有直接影响,坚硬完整的块状或厚层状岩组可以形成相当高的陡立边坡,而软弱地层中形成的边坡一般坡度较缓;在干燥状态下一些边坡是稳定的,但一旦遇到水的浸泡,边坡岩石的强度便大为降低,出现失稳破坏,这充分说明了岩石性质对边坡的变形破坏有直接影响。

(3)结构面。岩石结构面的发育程度、规模、连通性、产出状态、充填程度和充填物成分对边坡的稳定性具有极大的影响。岩体的力学性质不仅受岩石类型控制,更主要的是受结构面的控制,表现出非均质、不连续、各向异性的特征[3],直接影响边坡岩体的变形、破坏的发生和发展过程。该矿区的主要结构面包括岩层面、裂隙面和松散层界面等,区内岩性单调,岩层呈薄～中厚层状,原生沉积层面发育,但矿层中无软弱夹层,不具易崩易滑条件,因此原生沉积层理面不属于不良结构面。裂隙多为闭合的剪切裂隙,部分为张性,呈“V”形开口,并有充填物,倾角陡,在坡体局部地段形成顺倾角的不良结构面,易造成掉快、崩落等现象,在采矿的过程中应严加防范。

(4)地表水和地下水。受地表水的渗入和地下水渗流的影响,露天矿的滑坡多发生在雨季或解冻期[4]。水对岩体的作用主要表现为软化、泥化、冲刷、净水压力和动水压力。主要表现为水对岩体有着明显的化学、物理作用,能够侵蚀和溶解岩体,岩体中的可溶成分被溶解后随地下水流走,产生潜蚀作用,破坏了岩体的结构,使边坡岩体发生失稳破坏。当地下水和结构面连通时,对边坡稳定性的影响更大;地下水的渗透对边坡岩体产生了一定的动水压力,降低了岩体的有效应力,同时,增加了岩体的含水量,弱化了岩体的强度参数,导致边坡失稳破坏;水的渗透改变了边坡内地下水的渗流场分布,同时岩体中渗流与应力强烈作用。这些因素都会对边坡的稳定性带来不利的影响。该矿区内无常年性地表径流,区内岩溶有一定发育,地下水类型主要为岩溶裂隙水、溶洞水。不少岩溶孔洞、泉点连通形成地下管道或地下暗河,对边坡的稳定性将会产生一定的影响。

(5)气候。气候对边坡的稳定性也有很大的影响,主要表现为降雨对边坡稳定性的影响。大气降雨补给了地下水,一方面弱化了岩体的强度参数,使边坡滑动面的抗滑能力降低;另一方面使边坡的下滑力增强,二者结合起来极大地降低了边坡的稳定性。该矿区属于亚热带季风气候,4～9月降雨较多,且多暴雨,暴雨是本矿区露天开采的主要不利因素,因此,在此期间应加强对边坡的巡查力度,及时发现问题并采取措施解决。

(6)风化作用。风化作用对边坡稳定性的影响主要体现为:使岩石劈裂、崩解,增加裂隙的数量和规模,降低了岩石的抗剪强度;增加了岩体的透水性,使地表水更易于侵入地下,地下水更易渗透;当沿裂隙风化时,可使岩体脱落或沿边坡崩塌、堆积、滑移。岩石风化越深,边坡的稳定性越差,稳定坡角越小。石灰岩为抗风化能力较强的岩石,区内强风化岩石主要分布在西北侧,仅局限于地表岩层,岩石风化残积形成的黄土分布零星,多充填于地表溶蚀裂隙或洼地,厚度一般为0.5～2 m。因此,风化作用对该矿山边坡稳定性影响不大,但也应注意对局部风化区的处理。

(7)人类工程活动。边坡长期经受爆破震动的反复作用。生产爆破作业破坏了边坡岩体的完整性,新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、地下水渗透等因素的影响,从而降低了边坡的稳定性。一些人为因素也会导致边坡的破坏与滑移,比如边坡维护和管理不到位,作业人员违规操作,超挖坡脚、在边坡上部堆置废石及设备,都会降低边坡的稳定性。另外,露天矿台阶上汽车和挖掘机等大型设备的震动对边坡的稳定性也有影响,有时会触发局部台阶的滑动。

4 边坡破坏的防治建议

随着该石灰石矿不断向深部开采,边坡的稳定性也在不断发展变化之中,为了保证采矿作业的安全,针对以上诱发边坡破坏的因素,建议采用以下的防治措施进行治理。

(1)加强地质勘察,查明不良地质构造。矿区地质勘察是露天矿进行边坡稳定性分析的基础,应对矿区的岩性、水文地质、岩体结构面等进行深入的了解,查明对边坡稳定性起主要影响的不良地质构造,根据勘察资料做好设计和开采工作。

(2)合理确定边坡结构参数。根据矿石的赋存条件、边坡岩石的物理力学性质、开采技术条件和采掘设备,合理确定边坡的结构参数,保障边坡的稳定性,维持露天矿山的正常生产。

(3)加强边坡监测。露天矿边坡的破坏是一个变化发展的过程,为了避免边坡破坏对人员和财产的伤害,应加大技术投入,采取必要的手段对边坡进行变形监测,及时掌握边坡的变形规律,并针对边坡的破坏类型采取有效的治理手段。主要监测内容有:地表位移、岩体深层水平位移、地声、应变、地下水位、孔隙水压力、降雨量等。

(4)查明水源,排水疏干。水对边坡的稳定性有很大影响,能够显著降低岩体的抗剪强度,危害边坡的稳定性。因此,需要竭力查明水源。采用挖沟排(截)洪、封闭边坡地裂缝、修筑防水堤坝、整治河道,控制地表水源;同时,采用地下疏干方法降低地下水位,减小潜在破坏面附近的水压。一般采用地表排水、水平疏干孔、垂直疏干井、地下疏干坑道等方式进行治理。

(5)合理设置支挡工程。支挡工程可以改善边坡的力学平衡条件,提高边坡抗滑力,主要有挡墙、抗滑桩、锚杆(索)和支撑工程等。其中,锚杆(索)已经成为治理岩质边坡滑坡和崩塌的有效措施,主要通过锚杆(索)上施加的预应力以提高滑动面上的法向应力,进而提高该面的抗滑力,改善剪应力的分布状况。

(6)严格控制爆破震动。为了降低爆破震动对边坡的影响,对于临近边坡的爆破作业采取控制爆破技术,严格控制炸药类型和孔网参数,避免因频繁的生产爆破导致边坡岩体及结构面强度降低从而诱发滑坡,影响边坡的稳定性。

(7)做好边坡维护与管理工作。在露天矿开采的过程中,应做好边坡的维护工作,保护坡面免受雨水冲刷,防止或延缓岩石表面的风化、碎裂、剥蚀演变过程。常用的坡面防护方法有植物防护和矿料防护。此外,还应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,建立专门的边坡维护队,建立安全规章制度,实行安全生产责任制。

5 结 论

露天矿边坡稳定性是制约露天矿安全生产的重要因素,边坡一旦发生失稳破坏,将会造成人员的重大伤亡和财产的巨大损失。本文对某石灰石露天矿边坡稳定性的影响因素进行了总结与归类,并给出了一些防治建议。边坡的变形与破坏是多种诱导因素共同作用的结果,在进行边坡治理的过程中,应做到具体情况具体分析,针对不同的诱因,采用相应的防治措施预防边坡失稳事故的发生。

[1]李 聪,姜清辉,周创兵,等.基于实例推理系统的滑坡预警判据研究[J].岩土力学,2011,32(4):1069-1076.

[2]于庭安,戴兴国.露天矿边坡稳定性的安全因素分析[J].矿业安全与环保,2008,35(1):73-76.

[3]尚岳全,王 清,蒋 军,等.地质工程学[M].北京:清华大学出版社,2006.

[4]唐廷宇,陈福民.影响露天矿边坡稳定的主要因素及防范措施[J].矿业工程,2008,6(2):14-15.

2012-05-21)

尚迎军(1979-),男,江苏苏州人,助理工程师,主

要从事非金属矿山开采设计工作,Email:sks1118@126. com。