露天矿开采中边坡的稳定性研究

＊宫 鑫

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司 山西 036506）

露天矿山的边坡安全问题主要表现在滑坡上，随着开采深度的不断增加以及边坡高度的不断加大，使得边坡稳定性和安全性越来越差。近年来，由于地质条件的劣化、应力环境的扰动和气候条件变化异常等原因，我国各地的地质灾害频繁发生，每年发生的滑坡灾害造成的经济损失高达数十亿元，人员伤亡高达数百人。而对于高深边坡露天矿山而言，确保在采矿生产作业过程中边坡的稳定、安全高效的生产与提高企业的经济效益的问题比较突出。因此，进行露天矿山边坡失稳机制、预测预报、边坡失稳防治的基础研究，有助于推动我国边坡治理技术的发展，对于确保矿山的生产、人员与设备的安全具有十分重要的理论与实际的意义。

1.矿物的物理力学性质

在某一煤矿靠帮边坡中的矿物质特性非常单一，其中含量最高的就是灯影组（ZЄd）硅质白云岩。对部分区域的土壤进行取样并开展实验检测工作。对普通物料进行检测，所采用的实验方式大致分成两种，包括：大型剪切实验与室内中型剪切实验。因为实验场地和实验环境的局限，大型的原位剪切实验开展的时间要久些，投入资金较多，实验过程难度较高。室内实验的方式虽说也不够完善，但是也属于运用较为普遍的实验模式，室内实验能够对现场原位实验方式中的缺陷进行补充，能够大致映射出岩石体的基础特点。将现场收集的散式样本转移到实验室中实施中型剪切实验，首要任务是对样本实施装样处理，按照摩尔（Mohr）—库伦（Coulomb）强度观念，将垂直压力P作用在实验样品上，对样品的剪切工作可以利用水平剪切力F来完成，最后获得剪切力τ。通过库伦定律能够获得抗剪程度的数据：粘聚力c和内摩擦角ϕ。在实验室中开展的中型剪切实验可以获得和物料密度与含水量有关的信息数据。在实验完成以后把有关参数套用固定公式核算出法向应力参数与剪切应力参数。

2.影响边坡稳定性的因素

第一，边坡的几何形状和形态。对边坡结构进行科学适当的设置可有效提升边坡的安全稳固性。边坡几何形状主要是指坡面的几何形状与平面上边坡的形态。通过台阶分层采掘的方式，台阶最高可达270m，而台阶坡面的角度则在70°上下，边坡的高度在14m。这一平台中的岩体比较破碎，岩性大都是白云质灰岩、灰质白岩和含泥岩质。表层土壤风化程度较高，为了预防出现边坡滑落现象，对270平台断面进行了凹形设置，凹形断面的稳固性要远远高于凸形与直线形边坡。直线形更适合用在坡高较低、岩石构造稳固完整以及岩石性质改变不强烈的边坡上；而其中的凸形边坡更适于坡底岩石稳固完整而上坡构造不稳松软的边坡上，这一结构可降低剥离。露天煤矿的边坡在恶劣地质构造的影响下，想要确保其稳固性，可将边坡设置成陡坡。在对规模较大的矿山进行采掘时，边坡过长，在边坡向采空的一面突出时，在边坡的岩体中产生侧向的拉力，如果边坡面向采空的一面凹陷时，便会在边坡的岩体中产生侧应力。因为岩体具有抗压不抗拉的特性，将边坡设置成向采空面凹陷的形式会充分提升边坡的稳固度。在对边坡进行稳固性的研究时最关键的分析内容为岩石结构面的力学特性和几何要素。第二，岩石风化与岩石侵蚀问题的影响。岩石风化主要指的是风、雨、大气、阳光、气温等多种因素长久作用在岩石上，对岩体带来一定的破坏力，久而久之改变了岩体的结构或者特性。使岩体抗压和抗剪的强度变低，从而降低了岩体形变的特性。增加了岩石中小型裂缝数量同时向岩体内部进行持续伸展，岩石表层松动软化出现膨胀情况，严重时会分层脱落。加之风化的持续性影响，会使边坡的几何状态出现变化，最终使得边坡失去了稳固性出现坍塌问题。所以，对边坡的表层进行封层处理可充分降低各方因素对边坡的影响程度，在对煤矿进行开采期间需要对边坡实施绿化处理。第三，结构应力与残余应力的影响。在对煤矿进行采掘期间，边坡的边缘部分出现应力集聚的情况，因为底层结构的影响，同样会导致其承载着相应的结构应力。结构应力不但会导致边坡向采空区面进行形变，使得边坡中岩石原有裂痕继续扩充，甚至会导致出现新的裂缝，最终在边坡底部集聚大量应力，使得岩石的强度被破坏。这部分应力直接影响着边坡支护载合的高低，因此充分预测这部分应力能够有效缩减对于边坡的影响程度。第四，人为因素的影响。首先，在对露天煤矿进行爆破处理时，一般会因为爆破产生的震荡力使得边坡岩体中的应力出现改变，致使产生应力聚集问题，进而导致裂缝的扩充。其次，在采剥工作推进期间，通常会因为监管不当，例如，在采剥工作中调度监管不合理，有关施工人员在露天煤矿边坡的坡底实施采掘工作，在这种情况下产生浮石等风险，进而使底层整体的稳固度受到干扰。最后，对台阶的高度和宽度设计不够科学，通常必需设计较大的边坡角度。

3.边坡稳定性分析

影响边坡稳固度的因素是多种多样的，例如，矿山地质问题、水文条件、边坡形状、采掘工艺、经济情况等等。各种因素间都有密不可分的联系性，互相影响互相作用。以下主要总结了三种分析边坡稳固性的方式：第一，弹塑性力学核算方式。经过对微元的应力进行核算来评判微元是不是能够进行拉伸、屈服、弯折和断裂等，通过这种方式来评判是不是能够使材料的部分或者全部进行损坏。第二，极射赤平投影辨识方式。之所以会出现不同类型坍塌情况，重点是因为地质间断面和采掘面间存在差异性的几何关联导致的，这类断面几何体可以用极射赤平投影方式来展现。现阶段，应用最为普遍的极射赤平投影包括：施密特网以及吴尔福网。第三，刚体极限平衡分析方式。一帮能够假设成任何一个滑移面，在滑移面中的屈服部分所遭遇的损坏无法满足所有局部，但是能够满足整体性。是不是会出现滑移问题，重点是滑体的滑动强度、滑动速度和滑床决定的。

一般能够辨别FS的值数，以此评判平衡情况，针对煤矿的工作情况来讲，其参数一定不能低于1.2。

4.防治措施

第一，治理水害。地表排水方式一般会在边坡的坡面处开设适用的排水沟槽，另外针对裂缝来讲，可实施深度充填处理，从而达成密封的目的。第二，优化生产。对于开采期间造成的爆破震荡情况，一般可优化爆破的方法，对爆破数值进行持续调节，在缩减炸药的适用量期间可利用预裂爆破法和缓冲爆破法等方式，以充分降低对于边坡的损坏程度。第三，其他方案。一般来讲，露天煤矿边坡要比煤炭裸露在环境中的时间长很多，所以应该利用一些方法对边坡煤炭进行遮盖，以免产生煤炭自燃问题，进而降低了边坡的稳固度。在工作环境良好的状态下，可利用靠帮内排的方法实施处理工作，进而充分降低边坡外露的时长，最终有效提升边坡的稳固性。第四，露天开采场地边坡设置参数的推荐。露天采掘最后的边坡角度、台阶边坡角度和边坡采掘各个部分的岩石情况，构造面生产情况、综合状态和边坡之间的空间联系、采掘扰动详情与边坡出现时长等具有较大关联性，当前计划的边坡角主要是按照现在项目地质情况与煤矿采掘详情明确的，在后续生产过程中，煤矿企业可以综合深处暴露的岩石地质详情，在存有不稳固因素的区域对边坡进行放缓设置，确保采掘工作的安全性。

5.边坡监测手段

第一，对边坡应力进行监测。现阶段，通常会将监测设备安置在锚杆上，由此使用的监测方式主要有三种，包括：（1）锚杆尾部监测法。（2）锚杆杆体串接振弦监测法。（3）锚杆表层贴片监测法。用到的传感器种类也很多，包括：机械方式、电气方式、广弹方式和液压方式等。第二，渗流监测。在实际工作中总结导致边坡垮塌的因素非常多，而水和边坡角度的设置是其中最大的干扰因素，所以需要对自然降水和地下水开展充分的监督控制工作。就地下水渗漏的问题来讲，孔隙水压力对边坡的稳固度具有关键的影响力，现阶段，国内在对裂痕水压和孔隙水进行监控时均是采用水压计来进行的。

6.结束语

总之，在进行边坡工程施工的过程当中，其所面对的施工环境相对复杂，边坡失稳的处理技术尤为重要，对此，应当对边坡失稳的现象展开全面系统的分析，依据相关工程的设计方案对矿山边坡所存在的潜在危险采用合理科学的解决方案，尽可能的减少矿山边坡的安全问题。分析露天矿山边坡的安全问题，明确其影响因素和发生原因，相应的采用一些办法来对相关管理进行优化，尽量从根本上来使边坡的稳定性得以提升，降低滑坡、失稳问题的发生率，进而提升采掘作业安全性。