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                  山坡型露天开采边坡稳定的影响因素

                  山坡型露天开采边坡稳定的影响因素

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                    一、前言

                    金属非金属矿山生产是工业生产的高危行业,其事故发生几率和死亡人数在工业安全生产领域占较大比重。边坡稳定管理是露天开采矿山安全生产的重要环节,山坡露天开采企业发生的事故多数是边坡失稳导致的。引起露天矿山边坡破坏(主要指坍塌和滑坡)的原因,往往是由多方面因素所构成的。大致可以分为两类,即自然因素和人为因素。自然因素主要有:①边坡所处范围的地质构造(层理、节理、断层、褶曲等);②岩性(强度、渗透性、孔隙率、膨胀性等);③地下水及地表地形、气候特征、地震等。人为因素主要有:①边坡的形态;②周边的爆破震动;③地表植被破坏及水库、排十场等人为构筑物等。一般是由几种因素叠加,共同作用而造成边坡破坏但是也有单一因素造成边坡破坏。在诸多因素共同作用时,往往以一、两种为主,其它因素只是对这一、两种因素起促进作用。

                    露天矿山的边坡是在生产活动中为了适应产出矿石的需要而强行控制的实体,为了实现安全、快捷、经济的目的,掌握边坡的结构和特点,总结边坡的破坏类型及其与其相关的技术,防患于未然尤为重要。

                    二、山坡型露天开采边坡的结构和特点

                    山坡型露天开采时通常是把矿岩划成一定厚度的水平层,自上而下逐层开采。这样开采的结果使露天开采形成阶梯状的台阶,通常被称为台阶开采。多个台阶组成的斜坡称为露天矿山边帮,即露天矿山最终边坡。这种方法多用于较大规模露采矿山,多个工作面可以同时作业,互不影响?;褂幸恢智榭鍪钦攵孕⌒吐短炜伤鞒龅奶厥夤娑?。即根据国家安全生产监督管理局颁布实施的《小型露天采石场安全生产暂行规定》,“不能采用台阶式开采的,应当自上而下分层顺序开采”。其方法是将露天开采的矿岩自上而下划分成若干平行条块,而后自第一条块(最外层的条块)自上而下分割成若干阶段,先开采最上层矿块,依次向下开采。每阶段都将矿石爆抛到采场底部平台,也叫底部工作平盘,而后铲装外运{第一条块开采完毕,依次开采第二、第三……第n块段,方法如前。直至开采至采场底部平台,再从第二条块开始新的一轮开采。这样开采露天矿山的边帮一直是两个台阶,即土作坡面最高处一个台阶和正在生产的台阶。当开采终结时,同样会形成两种状况:前者的最终边坡坡面是由多个台阶组成的假想斜面;后者则是一个完善的斜面。对于后者也可以考虑在最终边坡面形成时,根据地质构造情况增设一些台阶,如安全平台、清扫平台,以增强其稳定性。

                    山坡型露天开采,最终边坡角受到岩体的工程地质条件和采高的限制。最终边坡的一般结构是由安全平台、清扫平台和运输平台组成。最终边坡角、台阶、采高及各项技术参数等一般在开采前由设计来确定。

                    边坡的特点基本有5个方面:①上部边坡服务年限长,下部边坡服务年限短,因此上、下部边坡的稳定应当分别对待。②山坡型露天开采边坡一般比较高,从几十米到几百米都有,走向长度从几十米到数千米,因此边坡揭露的地层多,各部位地质条差异大,变化复杂。③采矿每天频繁的穿孔、爆破、运输,边坡岩体经常受到外力震动影响。④露天矿山边坡是通过穿孔、爆破、机械(或人力)开挖等手段形成的。边坡岩体较破碎,并且很容易受到风化等影响而产生次生裂隙,破坏岩体的完整稳定性,降低矿休围岩强度。⑤边坡的稳定性随开采作业的运行不断变化,特别是一些小型开采矿山,对边坡管理控制的不够严格,变化更大。

                    三、边坡的破坏类型

                    露天采矿本身是一种对原岩的破坏,采剥作业打破了边坡岩体内部的原始应力平衡状态,出现了次生应力场,在次生应力场和其它因素的影响下常使边坡岩体发生变形破坏,即岩体失稳。边坡岩体破坏类型按破坏类型可分为平面破坏、楔体破坏、圆弧形破坏和倾倒破坏。

                   ?。ㄒ唬┢矫嫫禄担赫庵制苹道嘈褪侵副咂卵啬骋恢饕峁姑嫒绮忝?、节理或断层面发生滑动,其滑动线表现出直线性。边坡中如有一结构弱面倾向与边坡倾向相近或一致,且其倾角小于边坡角,又小于弱面间的内摩擦角时容易发生这类滑动破坏。当结构面下端在边坡上出露,岩层的抗剪强度又不能抵抗滑动岩体向下滑力时,即沿层面发生破坏。

                   ?。ǘ┬ㄌ迤苹担涸诒咂卵姨逯杏辛阶榛蛄阶橐陨辖峁姑嬗氡咂孪嘟?,将岩体相互交节成楔形体而发生破坏。当两组或两组以上结构面的组合交线的倾向与边坡相近,倾角小于坡面角而大于结构面上的内摩擦角时,容易发生这类滑动,这种滑动有时是发生在单个台阶上,也可能发生在几个台阶上甚至整个边坡体上。

                   ?。ㄈ┰不⌒纹苹担罕咂卵姨逶谄苹凳逼浠娉试不∽聪禄苹?。这种破坏一般发生在土质矿体或坚固性程度在中等以下的岩石中,散体结构的破碎岩体或软弱的沉积岩中的边坡也常以此种形式破坏,在破坏前被破坏的边坡往往出现明显静张裂隙和变形。

                   ?。ㄋ模┣愕蛊苹担旱毖姨逯薪峁姑婊虿忝婧芏甘?,每个单层弱面在重力形成的力矩作用下向自由面变形而发生的一种破坏形式。当层状岩体的结构面与边坡平行,其结构面的倾向与边坡倾向相反,且倾角在70°~80°时,由于边坡脚的岩体受压破坏,或者由于上覆岩层的挤压,层状岩体发生弯曲、折断和倾倒破坏。这种破坏类型与前三种类型的破坏不同,它主要不是剪切破坏而是在重力作用下岩块侧向塌落。这种现象常常发生在边坡中底部,同时危险性也最大。

                    四、影响边坡稳定的因素

                    据统计,在露天开采的所有事故中,由于边坡失稳所造成的伤亡事故约占50%。所以有效地控制这类事故的发生,露天开采的安全状况将得到很大改善。在充分熟悉露天矿山边坡破坏的原因和边坡的特点后,还必须进行现场调查、实测,深入了解矿区岩石类型、岩体结构面、地下水及地表水、边坡在以前开采中的滑落情况以及自然边坡角的性质和特点,进而辨识预测边坡的破坏类型和发生规律,并在此基础上改进边坡的结构,减少或控制边坡破坏产生的严重后果。

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                    岩体结构面是在地质形成的过程中岩体内形成具有一定方向、规模、形态和特性的面、缝、层、带状的地质界面。面是岩块间无任何充填的劈理、节理、层理、片理等;缝是有充填物,并具有一定厚度的裂缝;层是岩层中相对较弱的夹层,明显存在上、下两个层面;带是具有一定厚度的构造破碎带、接触破碎带、古风化壳和槽等。岩体结构面是影响边坡稳定的决定因素,它直接制约着边坡岩体变形、破坏的发生和发展过程。边坡破坏失稳往往是沿岩体的结构面发生的。

                    1、岩体结构面的成因类型及特征:岩体结构面可分为原生结构面、构造结构面、次生结构面。原生结构面是岩体形成中留下的结构面,如层面层理、岩脉与岩墙接触面、原生冷凝节理、片理、软弱夹层等;构造结构面是节理、断层、层间错动等;次生结构面是各种风化、开采、爆破等造成裂隙。

                    2、岩体结构面的分级:对岩体结构面的规模及其对岩体稳定性所起作用的分级研究有助于区别主次,掌握对岩体稳定性起主导作用的结构面,确定正确的治理方案。中科院地质所提出的分级标准是把岩体结构面分为五级

                    3、岩体结构面对边坡稳定的影响:①岩体中的结构面都是弱面,比较破碎,易风化。结构面中的缝隙往往被易风化的次生矿物所充填,因此,其抗剪强度较低,破坏了岩体的完整性。很多滑坡的形成并不是由于岩石达到极限强度破坏所致,而是由结构面的强度决定了边坡的稳定性,滑坡常常是沿结构面发生的。②结构面的存在为地表水的渗入和地下水的活动提供了良好的通道。水活动的结果,使岩石和结构面的抗剪强度进一步降低。③结构面所控制地滑体的滑动面及边缘轮廓,甚至决定了边坡破坏的类型。确定边坡岩体中的结构面及其强度是边坡稳定设计研究的主要内容。各个结构面所起的作用是相互影响和制约的,所以对任何地段岩体的工程地质评价都必须针对具体部位的情况,做具体分析研究。在研究矿区地质构造时,要注意分析是否存在构造应力场。如存在构造应力,应判定应力的性质、方向和大小,并在边坡稳定性分析时予以考虑。

                    4、结构面对边坡的破坏作用:在边坡的第一区段一般都有几组对边坡破坏起主导作用的优势结构面,这些结构面对边坡稳定性的破坏程度,取决于结构面特性及相互切割关系和结构面产状与边坡临空面(坡面)的相互关系。有三种典型的破坏类型:即平台滑坡、楔体滑坡、倾倒滑坡。

                    平面滑坡:优势结构面与坡面的倾向相同,且倾角较坡面角缓时常发生平面滑坡。

                    楔体滑坡:有两组优势结构面,其结构面交线的倾向与坡面大致相同.且倾角较坡面角缓时常发生楔休滑坡。

                    倾倒滑坡:优势结构面倾向与坡面相反,且倾角较陡时常发生倾倒滑坡。

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                    1、岩石的结构与构造:由于岩石的成因类型不同,其内部的结构与构造亦不相同,岩性差异也较大。

                    岩石的力学性质除取决于岩石的矿物成分外还取决于矿物颗粒之间的联结类型(是结晶还是胶结、松散等非结晶联结)以及结晶颗粒的大小。结晶联结且结晶颗粒小的,其力学强度高,结晶联结且结晶颗粒大的,其力学强度就相对的低。对于沉积岩,由于结晶颗粒的强度远大于颗粒间胶结物的强度,在外力作用下,岩石总是沿胶结物处破坏,而不是结晶颗粒破坏。硅质胶结物胶结的沉积岩具有较大的强度,碳酸盐和粘土胶结的岩石强度低,并且容易溶蚀。具有基底胶结的沉积岩,其强度也较大。

                    岩石的构造对岩石的力学性质也有明显影响,如沉积岩的层理、变质岩的片理方向及垂直方向的力学性质相差很大,为各向异性体。

                    2、岩石的孔隙度:岩石的孔隙度刘岩石的吸水性及强度有一定影响,随着孔隙度增大,岩石的强度降低、弹性模量减少。

                    3、岩石的强度:岩石的各种强度的大小,一般可列序为:三向抗压强度>二向抗压强度>单向抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度。

                    岩石的抗压强度一般为抗剪强度的3~10倍,为抗拉强度的10~50倍。露天矿山滑坡大都是剪切破坏,因此岩石的抗剪强度是衡量边坡岩体稳定的必要条件。坚硬致密岩石的抗剪强度较高,不易发生滑坡,反之则易滑坡,岩石往往是因剪切破坏而塌落的。

                    在内聚力低的软弱岩体或流砂体、松散表土内,容易发生圆弧滑坡。如果边坡坡脚有软弱岩层,边坡高度过高时,容易发生坡脚剪压破碎,变形过大而造成上部岩体的总破坏。

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                    地表水的渗入和地下水的活动往往是导致露天矿山滑坡的重要原因,一般地下水压可降低边坡稳定性的20%~30%。赋存于岩体裂隙中的地下水,对裂隙两壁产生静水压力。

                    1、静水压力作用:能增大滑动力和减少摩擦阻力,从而对边坡稳定不利。一般在地下水高于滑动面时静水压力可使岩体抗剪强度降低1/4~1/2。

                    2、动水压力的作用:当地下水在破碎岩体的裂隙或断层带中流动时,作用于所流经的岩石颗粒上的压力称为动水压力,亦称渗透压力。当动水压力较大时,裂隙或断层破碎带中的岩石颗粒和岩体的可溶解成分会被水流带走,使岩体聚力和摩擦力减小,产生所谓潜蚀作用。潜蚀作用会破坏岩体稳定,尤其是当地下水流和结构面联系在一起时,对边坡稳定的威胁更大。

                    3、水质软化作用:对粘土质岩体和节理裂隙发育的岩体,随着含水量增加,其凝聚力C和内磨擦角φ显著降低,抗剪强度降低到干燥时的1/4~1/20。

                    在上述几种作用中,静水压力的作用更为突出,静水压力的作用受地下水位变化的影响,地下水位又受地表水、降雨量和岩体的渗透性等的影响,在一定范围内变动,降低地下水位是改善边坡稳定性的主要方法之一。

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                    爆破振动和地震对边坡稳定性的影响作用方式基本相同。只有爆破是人为的、可控制的,而地震是人类目前尚无法控制的自然灾害。

                    1、爆破作业是露天矿山经常使用的破岩方法,它使露天矿山边坡长期受到反复的爆破振动。当爆破地震波通过岩体时,给岩体的潜在破坏面以附加的振动力,使原生结构面和构造结构面的规模增大,并产生次生结构面(爆破裂隙),从而影响边坡的稳定性。①爆破振动对岩体造成的损害取决于岩体振动速度的大小。②岩体振动速度小于或等于25.4cm/5时,完整岩体不破坏。③岩体振动速度在25.4~63.5cm/s时,岩体出现少量剥落。④岩体振动速度在63.5~25.4cm/s时,发生强烈拉伸和若干径向破裂

                    2、地震的影响:在地震活动频繁的地区,应考虑其对边坡稳定性的影响,尤其是滑坡后可能造成重大损失的边坡。我国地震烈度采用12度划分法。

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                    1、边坡高度和边坡角:当边坡角一定时,边坡垂直高度越高越不稳定,当边坡高度一定时,边坡角越大越不稳定。因此,在有关安全规程上对不同岩性的边坡高度和边坡角都有明确规定。

                    2、边坡的水平断面形状:凡向采场突出的边坡,其表面水平拉应力较集中,易产生张开的次生节理或使原节理扩开,影响边坡的稳定。凹向采场的边坡表面,水平压应力较集中,可增加阻止岩体下滑的摩擦力,因而有利于边坡的稳定。如果边坡水平弯折较多,则突向采场的部分易受拉应力作用而破坏,不利于边坡稳定。

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