研山铁矿采场边坡综合治水措施研究与应用

叶会师 屈金坡 闫亮

（河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司）

水是影响露天矿边坡稳定性的一个重要因素，水对边坡的不利影响主要表现在软化岩石、降低岩石强度以及作用于边坡的静水压力和动水压力［1］。大型露天矿山近地表大部分为第四系表土层，由于水文地质条件复杂，局部土质边坡渗水自由冲洗坡面，易出现拉沟、裂隙等情况，土层底板在有水渗流侵蚀条件下，使土体结构强度迅速降低，极易失稳破坏，导致滑坡塌落，不仅存在安全隐患，而且可能影响到露天矿正常采矿生产。所以，必须高度重视水对露天采场边坡的安全影响，及时采取截、堵、疏、排等方式有针对性地进行边坡治水，分步骤实施引开地表水、有组织收集边坡内渗水、局部含水层疏干排水降低水位，最终将采场内的水通过排水设施统一排出，有效地解决露天采场边坡汇水、渗水、透水等问题，确保露天采场边坡安全稳定。

1 矿山现状及存在的问题

研山铁矿属“鞍山式”沉积变质铁矿床、矿区位置处于燕山褶皱带山海关隆起之昌黎凸起的西南边缘地带，矿区出露地层以上大部分为第四系地层大面积覆盖，基岩露头除在矿区东部有少量较连续的分布外，其余均为零星出露，下有强风化带、风化带及基岩的条件复杂，稳定性较差。随着露天开采的不断深入，边坡坡面暴露的时间不断增加，尤其在春季，边坡岩体内形成融化裂隙水，从而不连续边坡岩体的抗剪切强度减弱，造成不连续面发生破碎变形，汛期强降雨天气，短时间内雨水集聚，因地下水位的增高，加大潜在滑坡面上的孔隙水压力，从而引起动水压差形成地表径流，地表径流汇集冲刷边坡的坡面，同时边坡岩体中存在裂隙水，会对边坡产生静水压力，松散边坡体的稳定性大大降低，部分边坡体开始出现裂隙。边坡坡面受风化、强降雨、爆破振动、机械削坡作业等因素影响，开始发生不同程度的滑坡情况，如图1 所示，并有大面积滑坡体出现的征兆和迹象。通过现状分析总结存在的问题如下。

（1）在地表开采范围外局部位置利用现有地形开挖水沟用于截水，由于研山铁矿开采汇水面积大，开采深度低，且为大型深凹露天矿，雨季降水量大时出现雨水汇入采场内冲刷边坡坡面的现象，简易的水沟截水效果差。

（2）研山铁矿东帮区域第四系表土层厚大，孔隙率较大、土质疏松、含水率和渗透率较高，紧邻新河补给水源，表土层边坡在高水位、强径流作用下诱发多次边坡失稳和滑坡灾害，为保证露天采场作业安全，必须对东帮边坡进行堵、降水治理。

（3）针对露天采场边坡内部渗水已采取倾斜PVC集渗管进行疏导性排水，并在集渗管顶部或侧边钻凿不规则小孔收集坡体内的水，但是在雨季降雨量较大时，较小的颗粒随着水流汇集小孔口处，部分进入管内进而阻塞渗水通道，导致排水淤堵丧失渗水功能，长期使用可靠性差，造成边坡内部渗水冲刷坡面，影响边坡稳定。

2 采场边坡综合治水措施

总结国内其他矿山边坡治水工作经验及教训，结合采场实际渗水情况及特点，大量收集露天采场边坡各位置渗水数据资料，在掌握渗水规律的前提下，制定各种治水措施并应用到采场边坡实际工程上，采取的治水措施如下。

2.1 地表截水沟截水及采场内排水沟排水

通过现场勘察收集研山铁矿露天采场周边实际地形情况，在满足截水设计要求的前提下，控制地表水汇水采场，必须在采场封闭圈外开建1条完整的截水沟，利用地形高低合理设置截水沟坡度自排，尤其在采场东帮临近滦河位置，并将截水沟的汇水引到采场外。同时，根据采场特殊渗水情况修筑排水沟，将边坡坡面渗水及台阶降水井抽水等通过排水沟有组织地排到固定泵坑。高度重视气象信息的获取，每年在雨季来临前检查、维修排水设施，疏通排、截水沟，保障正常生产。

2.2 防渗地连墙堵水

研山铁矿采场东帮第四系表土层孔隙率较大、土质疏松、含水率和渗透率较高，第四系表土长期强度很低，变形增大，随着持续生产，厚冲积层长期载荷条件下失稳可能性增大［2］。若不进行防治水处理，新河将作为定水头补给水源，并以第四系砂土层为涌水通道，向采场内大量涌水。考虑为保证采场边坡稳定，保护水文地质环境，节省排水费用，必须对该含水层进行治理。特委托研究院设计，经综合分析论证采用混凝土防渗墙堵水方案，采用机械开挖窄而深的基槽，在其中浇筑特殊材料形成一道具有防渗、挡土和承重功能的连续地下墙体，工程的处理范围为研山铁矿东部、新河沿岸的强透水层，长811.5 m。目前，根据施工后排水现状分析，治水工程基本达到预计的堵水效果，有效保证东帮边坡安全稳定。

2.3 台阶降水井抽水

研山铁矿采场东帮区域东侧紧邻新河，第四系卵石层含水量较大，丰水期的水量增大，在完成边坡靠帮后，台阶坡底地下水位较高可能诱发边坡滑坡，为提高边坡稳定性，根据地下水位及渗水量等情况，研究制定降水井疏干排水方案，在12 m 水平边坡上部布设降水井，水井间距为8 m，水井底部深入至岩石顶，降水井井深设置低于土体透水层与弱水层的交接面，并进行封底。共布置约44口井，钻孔孔径为600 mm，井口直径为400 mm，钻孔倾斜角度不大于1.5°，井管底端配置2 m高混凝土盲管，上部采用直径400 mm 无砂混凝土管，顶部应高出周围地面100～200 mm，管壁与孔壁之间的滤料层采用1～5 mm 优质绿豆砂回填至边坡顶部高程后填筑黏土封口，安装配套排水及电气设施，对含水层的侧方补给地下水形成排水孔与降水井同时排泄，以防止地下水水量增大对边坡的影响。

2.4 边坡内部集渗排水

根据已采取倾斜PVC 集渗管的排水经验，重新讨论研究在露天矿土质边坡渗水位置下侧钻凿仰斜式排水孔，直径为130 mm，上仰角5°～15°，排水孔梅花形布置，孔深和孔间距根据现场实际渗水情况确定。在排水孔内安装ϕ110 mm集渗管，在PVC集渗管2/3以上部分钻凿ϕ8 mm不规则小孔，采用400 g/m2土工布包裹并封口，用铅丝绑扎，防止泥砂等进入。通过土工布过滤泥沙后将渗水收集到集渗管并经过外部软皮胶管引到ϕ600 mm 汇水排水管，斜率为5‰，利用边坡坡体角度提供水的重力势能使坡体内部的水从高处往低处自流到排水沟，实现土质边坡渗水内部收集、引流，外部汇集、有组织排放，避免边坡渗水无组织自由冲刷坡面，受渗水侵蚀造成边坡失稳破坏形成滑坡，实现有组织快速疏干渗水的目的，确保露天采场边坡的稳定。

2.5 设置固定或临时泵站及配套疏干排水设施

根据水文资料计算的各采场汇水量及采场深度，设计采用分段接力排水方式，并结合采场实际生产情况，临时泵坑安排在开采最低水平，固定泵坑按照设计台阶布设，最低开采水平掘沟采取用临时水泵先将积水排到固定泵坑后，同时根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020）中机械排水设施规定［3］，配备相应的排水及管路等设施，将积水排到地表封闭圈以外或者供选厂使用。为了保证矿山排水的可靠性，在固定泵站内的储水池设置超声波液位计检测储水池的液位，通过单路显示控制仪，在水泵房内进行液位指示和联锁及报警，在高水位时自动启泵，超高水位自动启动备用泵并报警，低水位自动停泵。当工作水泵出现故障时自动切换、启动备用水泵，以保证排水工作正常进行［4-5］。

3 结语

（1）通过对研山铁矿露天矿采场边坡综合治水工作的全面分析与研究，针对采场边坡渗水实际情况及特点，通过收集边坡渗水等数据、总结掌握其规律的前提下，针对采场外汇水利用现有地形条件新建1条完整的截水沟、对第四系含水层采用混凝土防渗墙堵水及降水井排水、改进局部边坡内部PVC 集渗管排水等综合治水措施，最终将采场内积水通过排水系统及设施有组织进行疏干，有效治理采场边坡渗水。同时，将露天矿采场排水通过净化处理后供选矿生产工业用水及绿化水，提高水资源利用率，为国内其他露天矿山推广应用提供经验。

（2）建议在露天采场边坡安全治理过程中引入生态防护治理技术，在边坡治理施工中增加植被及所需的营养肥料等，在保证边坡安全的前提下，利用边坡中水和植被相互共生改善生态环境，从而实现边坡安全防护和科学绿化的双赢目标。