太和铁矿冰碛土边坡滑坡分析

秦定明

(重钢集团矿业有限公司)

重钢西昌太和铁矿为攀西地区一特大型晚期岩浆分异型钒钛磁铁矿矿床，矿区现状标高1500～2200 m，整个矿区地形西高东低，北、西、南三面为高山环抱，东面敞开，矿岩体上部为厚大的第四系、第三系沉积物所覆盖，尤其是采场西部和东南部表土层厚达200～300 m，主要为冰碛土、亚黏土、砾石、漂石等组成，力学强度低，极不稳定，经雨水的冲刷和风化，采场边坡极易垮塌。在实施300万t/a采矿扩建工程项目过程中，南、北、西部及东部边坡都发生了多处边坡滑坡和失稳，影响了矿山的正常生产。其中2014年8月，采场南17线1760～1795 m冰碛土边坡出现滑坡，达到10万m3以上;2015年3月，南采场13勘探线1674～1734 m冰碛土边坡出现滑坡，达30万m3以上。

针对太和铁矿冰碛土厚，形成采场冰碛土台阶高，及现有采场内南、北、西三面冰碛土剩余覆盖量达到7000多万t的现状，急需进行冰碛土边坡稳定性研究，以防止边坡滑坡事故发生，确保采场生产安全。

1 冰碛土边坡现状及特性

1.1 边坡现状

目前采场边坡设计按3个一组设置，每隔两个安全平台设置一个清扫平台，平台宽度冰碛土中按6∶6∶10(m)设置，阶段坡面角 40°，矿岩中按4∶4∶10(m)设置，阶段坡面角为 65°，边帮上运输平台宽度14 m。按照平台宽度和阶段坡面角参数，设计露天采场最终边坡角:在冰碛土中为28°～31°，在矿岩中为44°～47°，西北部地质构造影响部分为 44°。

(1)东部边坡。边坡自上而下为第四系松散卵砾石层［1］，该层冰碛土厚度约20 m，粉砂质页岩厚度40～50 m，砂砾石层堆积厚度65 m，最下部为坚硬的辉长岩体，厚度为80 m。整个东部以粉砂质页岩的稳定性最差，尤其在雨季，易于发生滑坡。

(2)西部边坡。表层为第四系松散冰碛土层覆盖，冰碛土堆积厚度最大为190 m，力学强度很低，是影响边坡稳定性的主要因素，在地下水活动的情况下，将会产生坍塌、滑坡等。

(3)南部边坡。表层也为厚大的冰碛土层覆盖，稳定性较差，截至目前已发生两次滑坡事故，其边坡倾向与岩层倾向相反，厚达200 m以上。

(4)北部边坡。上部第四系松散冰碛层在100 m以上，与冰碛土接触的岩层为辉长岩体，该层由于受构造、风化的作用影响，造成岩石破碎，裂隙发育，对北部边坡的稳定性存在较大的影响。

同时矿区出露有昔格达组岩层，主要由黏土岩、粉砂岩，砾岩、砂砾岩等构成，厚薄不均，与太和辉长岩体和小坝组均呈不整合接触。当昔格达组岩层与冰碛土层在一起时，极易构成不稳定边坡，造成边坡滑坡等地质灾害出现。

1.2 冰碛土的结构特性

冰碛土是通过冰川的刨蚀、搬运和沉积作用而形成的一种沉积土［2］。主要由黏质土和砾石构成，其中以黏质土为基础，包裹在里面的砾石为充填物，砾石大小不一，其粒径分布为2～1500 mm皆可发现，最大的达到3 m以上。砾石含量5% ～56%，其变化较大，在冰碛土中砾石分布相对随机。冰碛土在沉积形成过程中，由于受到环境的制约，局部砾石含量可能相对集中，呈“聚团”状产出，或者黏质土相对集中，形成黏质土夹砾的透镜体，疑视成层，显示组成多变的特性。冰碛土的胶结状态也非常不均匀，多为一般性胶结，亦有较强胶结和疏散状，而砾石与黏土间的胶结程度取决于含水量和所处部位，且胶结紧密强度一般较弱。特别是裸露在坡面的冰碛土，受暴雨冲刷、日久风化作用和爆破振动影响，失去黏结能力;采场内形成的冰碛土边坡在雨季时，容易垮塌，易出现边坡滑坡破坏。受冰碛土胶结影响，不爆破时难以挖掘，无法组织生产，对矿山生产非常不利。其物理力学参数见表1。

表1 冰碛土、页岩物理力学参数

由于冰碛土结构的不均匀性，通过现有方法很难制备有代表性试样和取得可靠的试验结果。根据中钢集团马鞍山矿山研究院对冰碛土边坡稳定性分析和冰碛土的三轴数值模拟试验:冰碛土受力特性比较明显［3］。由于冰碛土与砾石强度特性差异巨大，冰碛土承担绝大多数变形，直至发生屈服，而砾石由于强度很高，在挤压受力变形中，只是作为传递外力给冰碛土体，在受压变形中，迫使砾石发生位置偏移，造成砾石与冰碛土继续相互挤压、咬合，重新组合;同时在试验中发现，冰碛土中砾石的分布对其变形和破坏形式存在巨大的影响。

2 冰碛土边坡滑坡分析

2.1 滑坡形成

在露天开采过程中，开挖形成的高边坡破坏了原岩的应力平衡，造成应力场重新分布，在应力场逐步调整平衡的过程中，采场形成的边坡会以不同的破坏形式达到应力平衡［4］，对冰碛土而言，主要的破坏形式以垮塌、滑坡为主。

滑坡一般是指边坡上的岩土体沿某一软弱结构面向下滑移。该软弱结构面主要是由各种不稳定的软岩夹层和遇水易于膨胀的软岩面形成，在遇水和风化及外力开挖作用下产生大面积滑移崩落。

从太和铁矿近几年的冰碛土边坡滑坡出现的各台阶破坏情况来看，系冰碛土土体无力承受挤压塑性变形的结果，滑弧线并不深，集中在基岩上部，主要表现为圆弧型滑坡［5］。圆弧型滑坡常见于土质滑坡，其滑动面为弧形，当岩土体边坡出现散体结构或破碎及有较多泥质及其他碎屑物质充填，并无紧密结合时，岩土体边坡就会沿弧形破坏面发生滑动。圆弧型滑坡一般要经过3个阶段，首先是坡角蠕动变形，其次是滑坡后缘张裂扩张，最后是滑坡中部滑床断裂贯通。圆弧型滑坡第一阶段发展缓慢，二、三阶段发展加速，与太和铁矿采场冰碛土变形破坏表现情况完全一致。

造成冰碛土边坡易于变形破坏的根本原因在于其自身抗剪强度的高变异特性［1］。从太和铁矿冰碛土三轴数值模拟试验结果分析其边坡的稳定性，出现均值安全系数和破坏概率“双高”的现象。其变形和位移矢量分析表明:冰碛土边坡主要以浅表层剪切破坏为主，边坡均值安全系数较高，但另一方面，由于参数选择不确定性大，造成边坡破坏的概率也较高，甚至达到不可接受的风险水平。

2.2 滑坡原因分析

露天矿山边坡稳定性安全系数一般取1.1～1.3。从矿山经济性和安全性考虑，边坡稳定性的影响因素主要有［6］:岩土体边坡的力学性质，地质构造的复杂程度，是否有节理，滑面及断层有无交错;地面降雨的大小和地下水发育情况;残余构造压力的影响程度;边坡设计是否科学合理，爆破控制是否到位;采场开挖后几何形态的改变，风化作用等。

2.2.1 地质因素

太和铁矿矿床上部第四系、第三系冰碛层厚度最大200～300 m，目前采场内南、北、西三面形成的冰碛土台阶边坡已高达200 m以上，力学强度很低。根据地质报告，内摩擦角最小为14°38'，粒度变化大，亚黏土、砾石、漂石均有，此层是影响露天边坡稳定性的主要因素。特别是在雨季，在地表水和地下水的共同作用下，存在产生滑坡等工程地质隐患。

(1)从采场各台阶的冰碛土边坡出露情况看，出现滑坡的显著特征是砾石漂石含量较少，同时含粉质土量较大，其中部分滑坡体处于昔格达组层中。

(2)从冰碛土边坡滑坡事故分析可知，一般失稳边坡都是沿着一个或多个软弱结构面的组合边界发生剪切崩落滑移，特别是对于边坡出现的粉砂岩页岩(此层产状近于水平，层理极为发育，沿其层理方向，极易剥离呈1～3 mm的薄片，遇水极易崩解，当水动力条件变化时，将会发生潜流)，特别是在第三系砂砾石承压含水层疏干过程中，其接触面附近更为显著。由于粉砂质页岩被掏出，影响边坡稳定性，将会产生严重的坍塌、滑坡等工程地质问题，此层为其边坡最软弱夹层。

(3)受地质构造应力影响。构造应力由于长期存在于冰碛土边坡中，并没有因时间的推移而消失，且其应力为岩土体自重的许多倍，成为影响冰碛土边坡稳定性重要因素之一。从采场南滑坡体台阶剖面图来分析，其边坡倾向与岩层倾向相同，属顺向边坡，当1662 m水平前面出现临空时，因前端压足重量减轻，增加了岩土块体的下滑力，同时降低了强度，容易出现滑坡。

(4)从选取开挖形成的南部冰碛土边坡来看，矿山边坡境界线出露是西高东低，自然地形也是西高东低，在东西向的岩土交接带易出现粉砂层页岩和昔格达组层，另外东侧地形相对平缓，胶结状态较为疏松，力学性质较差。

因此当边坡出现冰碛土和粉砂岩(页岩)、昔格达组层接触带时，极易出现大型滑坡现象。

2.2.2 降雨和地下水影响

西昌太和铁矿属亚热带高原季风气候，降雨多集中在5—10月，年最大降雨量达1349 mm，历年平均为1021 mm。采场内地下水分为两种类型:第四系覆盖层中的孔隙潜水和西部基岩中的裂隙承压水，孔隙潜水受大气降水补给，承压水受大气降水及潜水补给，地下水由西向东径流。

由于雨季降雨和存在构造裂隙水及第四系冰碛表土孔隙水，加之采场处于分期开采过程中，采场周边并无完善的排水系统，存在部分地表水渗入，影响到冰碛土边坡的稳定性。

太和铁矿矿区由于经受了长期的地质作用和构造变动，矿山已经经历多年的生产建设，出露的断层破碎带、层间挤压带及辉绿岩脉等都极易风化。加上西昌地区气候风蚀明显，加剧了物理风化作用，同时伴随着地表水化学风化，使得岩土体易形成力学性质不良的风化夹层，也导致了冰碛土边坡的不稳定性。

2.2.3 生产组织的影响

目前采场开挖后形成的冰碛土台阶高度为100～200 m，随着生产的推进，台阶整体高度还将进一步提高，另外矿山产能一直处于扩张期，采区采用分期开采，使冰碛土边坡处于动态变化中，非最终稳定边坡，造成对冰碛土边坡的安全管理重视不够。

由于实行的是分期开采，尽管台阶总体边坡角基本上控制在设计范围内，但受挖掘设备和操作影响，单台阶坡面角大都在60°左右(设计土体台阶坡面角为40°)，超挖坡底现象严重，甚至还有伞檐出现，造成边坡开挖前期是稳定的，台阶形成几年后，坡顶和坡足线均出现锯齿状，边坡垮塌和砾石滚落现象。各安全、清扫平台不平整，平台上滚石、塌落的土体未作清理，边坡整体发生变化，形成不稳定边坡。

2.2.4 爆破的影响

岩土体在爆破的瞬间，受到爆轰波的冲击作用，当压缩波到达边坡自由面后，开始产生拉伸波，使岩土体受到拉伸作用，原裂隙张开、扩展或产生新的裂隙，导致岩土体发生变形或遭到破坏。如边坡已经出现变形，爆破将使变形破坏加速，爆破在边坡岩土体中造成的松动层厚一般在10～15 m［7］。

太和铁矿采用深孔爆破作业，冰碛土穿孔深度为12～13 m，孔径为200～250 mm，延米药量和同一段起爆装药量大，爆破时爆轰波在冰渍土内衰减慢，传播距离较远，同时爆破作业频繁，对冰碛土边坡稳定性的造成一定危害。

2.2.5 设计因素

采场边坡设计主要参照类似矿山。在边坡角的选择和边坡参数的选取方面技术支撑不够，仅仅按矿岩、土体分两大类，未充分利用已有地质勘探成果及边坡研究资料进行细分计算，特别是对太和铁矿采场存在的岩土交接带边坡如何过渡，粉砂页岩、昔格达组层等软弱带处理没作任何说明。采场作分期开采设计时，人为对采场划分分期，未考虑分期区域的工程地质条件，造成对边坡角的选择和边坡参数的选取设计简单机械，与采场实际工程地质条件有冲突。

2.2.6 监测和防控措施因数

冰碛土边坡监测系统不完善，目前有效的监测和防控措施主要还以人在现场检查为主，利用精密水准测量仪等定期测定测站和觇标，对冰碛土层边坡而言，不能完全反应边坡实际状况(冰碛土边坡遇水和风化及爆破震动后极易发生阶段台阶滑坡，但是整体来看，边坡又是稳定的)。因此造成目前边坡监测防控还是以事后为主，事前预防较为单一。

3 滑坡预防和治理

针对采场冰碛土边坡出现的滑坡问题，削坡减压进行边坡减重，是抑制滑坡体进一步发生发展，控制边坡失稳体活动最常规也是最有效、最经济的措施。

(1)加强边坡设计研究。利用已有的地质勘探成果及边坡研究资料进行细分计算，特别是粉砂质页岩和昔格达组层等软弱结构面等，做好边坡设计的研究比对工作。重视选择参数:原设计方案3个台阶平台宽度一组为6，6，10 m，建议改为6，6，12 m或6，6，15 m，使原设计的最终边坡角降低1°左右，冰碛土最终边坡角为26°～29°。遇有粉砂页质或昔格达组软弱层时，最终边坡角可放宽到26°。

(2)完善采场内外的截排水系统，将地表径流引走，防止暴雨径流冲刷边坡;采场内的地下水，要及时疏通，导流，防止淤堵;另外在暴雨前后要安排专人对采场内外的截排水沟跟踪检查，对出现的损坏部位要及时修复，防止渗水。

(3)重视生产的组织安排。太和铁矿冰碛土层剥离采用松动爆破，4.0～10.0 m3电铲开挖，由于电铲司机受视线及技术熟练程度的影响，冰碛土层边坡的坡脚易出现超挖现象，影响边坡稳定。因此，在实际生产中，需加强边坡的开挖控制。同时，冰碛土层边坡开挖后一般形成的台阶坡面角为50°～60°，与设计的约40°有差距的，建议开挖时，考虑到安全平台宽度为6 m，边坡测量放线时，预留平台宽度为10～12 m，即使形成的台阶在雨季和风化作用下，台阶边部最终坍塌2～3 m［8］，堆积于台阶边坡底部，也能确保安全平台宽度在6 m左右。同时在采场分期开采过程中，要注意采场冰碛土层覆盖量大，兼顾采场的生产组织安全，留足生产设备和采掘的安全作业空间。

(4)采用控制爆破技术，减少爆破对冰碛土边坡的破坏。控制爆破松动带厚度、靠帮爆破最大段药量(冰碛土爆破不适合采用预裂和光面爆破)等。通过控制装药密度，爆破孔直径，抵抗线、孔距和填塞高度等方式，降低爆破对边坡的破坏。目前采场爆破作业采用逐孔控制爆破技术，对确保边坡稳定起到了很好的作用［9］。建议对冰碛土边坡开挖采用小直径钻孔，不超深，降低爆破松动带厚度，减少临近边坡爆破时的最大起爆药量，使爆破作业对冰碛土边坡的破坏降到最小。

(5)边坡绿化和固化措施。对采场内已经开挖到设计开采境界、形成最终固定边坡，植草或种植低矮灌木，实施固化绿化工作;对粉砂页岩、昔格达组层等软弱带，采用工程措施处理，比如注浆、植筋等。

(6)继续完善边坡监测系统，及早发现边坡应力、位移的变形移动，当发现边坡有失稳征兆时，要及时采取工程加固或其他治理措施。同时观测资料用专用记录表格记录，根据变形发展规律，对边坡滑动情况进行预测、预报和评判。特别是每次发生的冰碛土边坡滑坡的监测原始记录要完整，相关处理方案及结果要建档成册备查。

［1］ 曹作忠，江龙剑，周玉新.重庆钢铁集团太和铁矿采场边坡工程地质勘察报告［R］.马鞍山:中钢集团马鞍山矿山研究院工程勘察设计研究院，2006.

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［3］ 徐鼎平，汪 斌，江龙剑，等.冰碛土三轴数值模拟试验方法探讨［J］.岩石力学，2008(12):3466-3469.

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［5］ 徐鼎平，朱大鹏.太和铁矿西端帮冰碛土边坡稳定性分析方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2008(S2):3336-3340.

［6］ 徐鼎平.某露天铁矿冰碛土台阶边坡可靠性分析［J］.岩土工程技术，2007(1):11-14.

［7］ 陈 寿.冰碛土临近边坡稳定分析与网孔参数优化探讨［J］.现代矿业，2012(2):74-75.

［8］ 毛胜光，曹作忠.以滚石运动确定冰碛土边坡安全平台宽度初探［J］.矿业快报，2006(4):48-52.

［9］ 赵有国，许全胜，龙晓玲.降震技术在冰碛土爆破中的应用［J］.有色金属，2008(3):45-49.