浅析露天铝土矿边坡稳定性预测研究及控制技术

刘永康

（中铝矿业有限公司，河南 郑州 450041）

我国具有很独特的地质条件和比较复杂的地形，对于我国的社会发展有着很大的影响，铝土矿滑坡和边坡的稳定性一直是我国工程建设中极具中国特色的一个问题，露天铝土矿边坡的稳定性直接影响到工程建设的发展，人员的财产以及生命安全。对露天铝土矿边坡变形程度进行检测，并通过施工人员提交的边坡变形程度和数据报告进行稳定性预测，是一项非常重要的技术环节，对稳定性预测及控制技术进行研究，具有很重要的意义。

1 矿区基本情况介绍

一般铝土矿有很多层不同的地层系统组成，由老到新，举例来说，一些泥灰岩、石炭岩、云岩等含有铁质的铝土矿，煤、砂岩、灰岩，在之后的层级是黄土，红土和一些残破的冲积物，这些物质占了全部面积的80%，其内部构造相对简单，上边的裂痕和断裂口径对铝土矿有一定的破坏作用，断层相对稳定，只起到一点控制作用，没有太大损坏。其间存在断层，规模也不是很大，影响较小。矿区最常用的开采方式是露天开采，开拓方式为公路运输开拓，开采使用传统工艺：先穿孔、然后实施爆破，最后进行装车，运输，计算建立模型结合对边坡稳定性的计算分析，简化过程可以合理化的节省大量的时间和资源，本文通过研究弹性力学，把纵向相对较长的边坡结构体系结合其受力作用下的变形特点，化简为平面的力学问题进行研究，本次试验选择了上下垂直结构的代表性边坡结构进行剖面研究对象。根据相关资料，结合矿山的地址勘察以及工程报告选取了普通典型的剖面进行研究，层级一点点往下铝土矿，煤、砂岩、灰岩等，最后建立数据模型表格，如图1。

图1 模型网格及尺寸

模型底部长340m，左侧高144m，右侧高76m。约束条件下部水平合适垂直位移的边界，左右两边可以控制水平结构，上方没有边界限制，研究类型以岩体为主，泥灰岩，灰岩，砂岩等，模型采用国际标准coulomb，分析数据采用软件为flac，矿区附近是沟壑等地势较低的区域，这部分岩体应力小，地下水的作用较小，所以暂时不考虑地下水的影响，建立模型进行数据分析。

2 工程地质环境调查，内部进行试验

铝土矿在地质方面的资料有很多，相对来说比较完善，可以通过多种方法进行观测位移，勘探滑坡，基建边坡，所以，在进行研究试验前，要充分的收集地质方面的材料，进行利用，并按照需求对需要探查的低于进行现状分析和开采设计，画出平面图等，能够清晰了解内部构造结构，以及这些岩体的刚硬程度等力学特点。

就边坡整体情况结合实际来说，对于一些岩石结构，降雨的渗透，边坡产生滑坡等问题进行实地的详细勘察，对这种类型的勘察主要是明确矿区周围各种不同类型岩石的分布以及接触规律，矿物的组成成分以及内部构造，此外，对于一些不能确定的岩石进行取样分析，对物理力学进行试验分析，从而获得需要进行研究的参数。对结构面进行勘察的目的是为了明确矿区采集所需要的结构类型，形状以及性质，这种结构面具有一定的连续性，分布特征比较明显，间距和之间的密度相对存在一定的厚度，包括成分和其中的一些性质特征。对结构面的勘察调研得到的数据进行整理，运用极射投影的方式进行展示。

3 预测研究

综合上述岩石周围力学性质的分析，考虑到尺寸效应，环境效应等多方面的因素影响，对实验进行合理化的人工处理，对矿岩岩体力学参数进行数据分析，总结数据如下，各项类型指标参见表1。

表1 矿岩岩体力学参数

露天开采是按照一定顺序进行开采的过程，岩体的应力一点点释放，在开采中，地层本身周围存在着一定的原始作用应力，地层的质点会受到来自三个不同方向的应力作用，这种应力是受到控制的，会使作用物体处于一个平衡的状态，一旦开始采集，原始的应力就会遭到破坏，相对的平衡也会遭到破坏，应力变形也就随着产生，比如移动上方岩石，会导致底部岩石回弹，在力的作用下发生形变，在不同的阶段边坡应力不同，破坏的形态也不一样，因此需要研究开采过程中，位移的变化，边坡幅度的趋势，如图2所示，设置了监测点，通过检查k1到k11对边坡的上盘和下盘进行分析，1-6位开采顺序。

图2 边坡监测点布置情况

表2 不同监测点处最终水平位移量

根据表2数据可以看出，K1到k7监测点位于上盘，处于岩体的坡脚，各个检测位置的边坡按照1-6的顺序越来越大，最大的位移监测点发生在K5和k6附近，这之间的位置处于石灰岩和砂岩分界面之间，在应力的作用下，岩体发生破坏，水平位移的幅度最大，k7检测点也属于边坡的坡脚，但其受到的应力却很小，几乎没有发生水平位移，下盘k9的位置位移相对来说也比较大。从另一种垂直竖向分布的应力作用来看，边坡开采之后由于边界的位置发生了变化，岩石的分布产生变化并重新分布，岩体的大部分领域仍然属于应力区域，随着开采过程的逐渐进行，岩体垂直竖向的应力一点点释放出来，自由平面附近的垂直竖向应力比较小，越往岩体深处，应力产生的作用越大，岩体垂直竖向的应力，随着平面区域的滑坡面幅度变化而发生变化。

根据这一特点，通过flac记性拆减边坡强度计算，可以得到下坡滑面的位置，处于滑坡面下方边缘部位的石灰岩，按地质不同和砂岩产生分界面，行程一种类似圆弧状的形状，边坡其他位置的形状变化必要统一，趋近连续，无太大变化，安全系数较高，处于相对稳定状态，与分析的结论基本保持一致。

4 边坡稳定性控制方案与措施

控制边坡稳定的方法很多，总体可以归纳为两个大类，一种是战略型防御措施，一种是战术性防御措施，战略性的防御措施指的是在边坡发生损坏之前就提前采取一定的防护措施进行预防，战术性防御措施指的是在边坡采矿过程中因为某些不可控因素引发的问题而才去的应急措施和手段进行防治。相应的措施可以根据经验进行规律总结，从而长期性的使用，是优先需要考虑的防护措施，战术性防护同样不可或缺，下面针对这两类措施进行归纳总结。

4.1 战略防治措施

（1）对岩石的堆积方式和排序顺序进行改造，铝土矿稳定性的最主要因素是物理力学性质因掺杂着的排弃物而破坏地质坡度，地质条件等。堆积的形状和参数配置，岩石排列等，通过分析排弃物的力学性质和物理地形条件，采用多个排土场覆盖式台阶。

（2）按照标准要求选择高度，铝土矿场的阶段高度应该得到保障，排土的基本综合技术需要稳定的控制系统，通过阶段高度合理，技术经济稳定的措施方案，才能保证排土的费用最低，通常情况下，一般铝土矿台阶的高度不会超过18m。

（3）改善矿体底部地基的条件，增加底部的摩擦力，根据力学特点进行分析，可以知道排土场底部岩层排弃物受到力学强度的摩擦力，对稳定性的影响效果显著，像这种山坡滑坡形的排土场而言，应该最主要的就是进行地基的改善处理，通过增大摩擦阻力的方式改善条件：比如清楚岩石周围地表上的植物，形成大面积的土坑，或将底部挖成凸形态，堆积一些抗滑石块等。

（4）预防泥石流，暴雨，大风天气带来的损坏，排土场地应该布置在积水面积很少的场地，然后再排土场地周围建设排水沟及堤坝，拦截由于洪水和暴雨带来的流水，进入排土基地，损坏设施，在排弃物附近设置上一层层的大款岩石进行铺垫，有利于大气排水从底部流出，疏干。

4.2 战术防治措施

（1）排水。水的渗透对边坡稳定也会产生一定的影响，我们要尽可能减少地表的水向岩石中渗透，同时想办法排除岩石里表面的地下水。

（2）设施加固。包括一些设施的检查处理，应力锚杆，抗滑桩，防护墙的设施。

（3）压脚。压脚是借着支撑力使滑体表面增加摩擦力，从而提高稳定性，适用于平移推进滑动的边坡。

（4）爆破控制。爆破的方式对岩体边坡的稳定性是存在一定的危害的，因为这种爆破的方式使边坡周围的岩体遭到不同程度的破坏，导致了边坡的不稳定，所以准确的计算，合理地利用爆破技术是重中之中，爆破带来的好处和速度是不言而喻的，这也就要在准确计算和安装防护措施后尽可能的减少爆破带来的危害，让它更好地向着有利的方向发展，尽可能的减小破坏程度。

（5）改变岩层的岩石性质，在岩体中，不同的层所能承受的力度是不一样的，某些主要的滑坡部位都具有其最软弱的部位，这个地段控制着滑坡的发生程度。想办法提高这些软弱层的硬度，可以有效地从根本上解决滑坡的问题，其中最好用的一种方式就是注浆法，一般采用水泥进行注浆，在一定压力作用下，通过人工方式把浆液灌入到岩石裂缝中，凝结之后形成骨架，在一定形式下更加稳定，在采用爆破的形式进行处理，可以很好地解决稳定性的问题，事半功倍。

（6）对岩石堆置形状和排弃顺序进行改变。在实践过程中对排土场稳定性起到决定性因素的内容主要有废弃物的物理力学性质、场址、地形坡度、地基条件以及排弃顺序等诸多内容，在具体的稳定性控制过程中可以对排弃物的物理学性质及地形条件进行分析，应用多台阶覆盖式排土场。以及压脚坡式排土场与沪堤式排土场。相应的高度往往受到排土场地自身所拥有的各类综合技术经济指标及稳定性所控制，而技术经济合理的阶段高度能够确保排除的建设费用得以有效的降低，由此在一般情况下认为露天铝土矿的排土场其自身地表坡顶接线水平以上的高度应当低于20m。

5 结论

对铝土矿露天矿边坡应力状态进行分析，可以反映露天矿开采过程中力学变化的特征，揭示边坡失稳的主要原因。结合程序自身的算法，可以判断边坡潜在的破坏滑动面，确定其稳定性，为矿山设计提供参考，分析方法可供类似矿山采纳和应用。在露天铝土矿的开采过程中，边坡稳定性是一个重要的课题，贯穿于整个矿山服务期。特别是在地下开采过程中，会使露天矿边坡产生严重的变形，使露天矿边坡内部原有的岩土应力平衡被打破，重新建立新的平衡，对现有露天矿边坡造成极大的危害。所以，科学合理地评价边坡稳定性，有效的治理边坡失稳区，在实际开采中具有很高的实用价值。