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      山坡型露天開采邊坡穩定的影響因素

      山坡型露天開采邊坡穩定的影響因素

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        一、前言

        金屬非金屬礦山生產是工業生產的高危行業,其事故發生幾率和死亡人數在工業安全生產領域占較大比重。邊坡穩定管理是露天開采礦山安全生產的重要環節,山坡露天開采企業發生的事故多數是邊坡失穩導致的。引起露天礦山邊坡破壞(主要指坍塌和滑坡)的原因,往往是由多方面因素所構成的。大致可以分為兩類,即自然因素和人為因素。自然因素主要有:①邊坡所處范圍的地質構造(層理、節理、斷層、褶曲等);②巖性(強度、滲透性、孔隙率、膨脹性等);③地下水及地表地形、氣候特征、地震等。人為因素主要有:①邊坡的形態;②周邊的爆破震動;③地表植被破壞及水庫、排十場等人為構筑物等。一般是由幾種因素疊加,共同作用而造成邊坡破壞但是也有單一因素造成邊坡破壞。在諸多因素共同作用時,往往以一、兩種為主,其它因素只是對這一、兩種因素起促進作用。

        露天礦山的邊坡是在生產活動中為了適應產出礦石的需要而強行控制的實體,為了實現安全、快捷、經濟的目的,掌握邊坡的結構和特點,總結邊坡的破壞類型及其與其相關的技術,防患于未然尤為重要。

        二、山坡型露天開采邊坡的結構和特點

        山坡型露天開采時通常是把礦巖劃成一定厚度的水平層,自上而下逐層開采。這樣開采的結果使露天開采形成階梯狀的臺階,通常被稱為臺階開采。多個臺階組成的斜坡稱為露天礦山邊幫,即露天礦山最終邊坡。這種方法多用于較大規模露采礦山,多個工作面可以同時作業,互不影響。還有一種情況是針對小型露天開采所作出的特殊規定。即根據國家安全生產監督管理局頒布實施的《小型露天采石場安全生產暫行規定》,“不能采用臺階式開采的,應當自上而下分層順序開采”。其方法是將露天開采的礦巖自上而下劃分成若干平行條塊,而后自第一條塊(最外層的條塊)自上而下分割成若干階段,先開采最上層礦塊,依次向下開采。每階段都將礦石爆拋到采場底部平臺,也叫底部工作平盤,而后鏟裝外運{第一條塊開采完畢,依次開采第二、第三……第n塊段,方法如前。直至開采至采場底部平臺,再從第二條塊開始新的一輪開采。這樣開采露天礦山的邊幫一直是兩個臺階,即土作坡面最高處一個臺階和正在生產的臺階。當開采終結時,同樣會形成兩種狀況:前者的最終邊坡坡面是由多個臺階組成的假想斜面;后者則是一個完善的斜面。對于后者也可以考慮在最終邊坡面形成時,根據地質構造情況增設一些臺階,如安全平臺、清掃平臺,以增強其穩定性。

        山坡型露天開采,最終邊坡角受到巖體的工程地質條件和采高的限制。最終邊坡的一般結構是由安全平臺、清掃平臺和運輸平臺組成。最終邊坡角、臺階、采高及各項技術參數等一般在開采前由設計來確定。

        邊坡的特點基本有5個方面:①上部邊坡服務年限長,下部邊坡服務年限短,因此上、下部邊坡的穩定應當分別對待。②山坡型露天開采邊坡一般比較高,從幾十米到幾百米都有,走向長度從幾十米到數千米,因此邊坡揭露的地層多,各部位地質條差異大,變化復雜。③采礦每天頻繁的穿孔、爆破、運輸,邊坡巖體經常受到外力震動影響。④露天礦山邊坡是通過穿孔、爆破、機械(或人力)開挖等手段形成的。邊坡巖體較破碎,并且很容易受到風化等影響而產生次生裂隙,破壞巖體的完整穩定性,降低礦休圍巖強度。⑤邊坡的穩定性隨開采作業的運行不斷變化,特別是一些小型開采礦山,對邊坡管理控制的不夠嚴格,變化更大。

        三、邊坡的破壞類型

        露天采礦本身是一種對原巖的破壞,采剝作業打破了邊坡巖體內部的原始應力平衡狀態,出現了次生應力場,在次生應力場和其它因素的影響下常使邊坡巖體發生變形破壞,即巖體失穩。邊坡巖體破壞類型按破壞類型可分為平面破壞、楔體破壞、圓弧形破壞和傾倒破壞。

       ?。ㄒ唬┢矫嫫聣模哼@種破壞類型是指邊坡沿某一主要結構面如層面、節理或斷層面發生滑動,其滑動線表現出直線性。邊坡中如有一結構弱面傾向與邊坡傾向相近或一致,且其傾角小于邊坡角,又小于弱面間的內摩擦角時容易發生這類滑動破壞。當結構面下端在邊坡上出露,巖層的抗剪強度又不能抵抗滑動巖體向下滑力時,即沿層面發生破壞。

       ?。ǘ┬w破壞:在邊坡巖體中有兩組或兩組以上結構面與邊坡相交,將巖體相互交節成楔形體而發生破壞。當兩組或兩組以上結構面的組合交線的傾向與邊坡相近,傾角小于坡面角而大于結構面上的內摩擦角時,容易發生這類滑動,這種滑動有時是發生在單個臺階上,也可能發生在幾個臺階上甚至整個邊坡體上。

       ?。ㄈ﹫A弧形破壞:邊坡巖體在破壞時其滑動面呈圓弧狀下滑破壞。這種破壞一般發生在土質礦體或堅固性程度在中等以下的巖石中,散體結構的破碎巖體或軟弱的沉積巖中的邊坡也常以此種形式破壞,在破壞前被破壞的邊坡往往出現明顯靜張裂隙和變形。

       ?。ㄋ模﹥A倒破壞:當巖體中結構面或層面很陡時,每個單層弱面在重力形成的力矩作用下向自由面變形而發生的一種破壞形式。當層狀巖體的結構面與邊坡平行,其結構面的傾向與邊坡傾向相反,且傾角在70°~80°時,由于邊坡腳的巖體受壓破壞,或者由于上覆巖層的擠壓,層狀巖體發生彎曲、折斷和傾倒破壞。這種破壞類型與前三種類型的破壞不同,它主要不是剪切破壞而是在重力作用下巖塊側向塌落。這種現象常常發生在邊坡中底部,同時危險性也最大。

        四、影響邊坡穩定的因素

        據統計,在露天開采的所有事故中,由于邊坡失穩所造成的傷亡事故約占50%。所以有效地控制這類事故的發生,露天開采的安全狀況將得到很大改善。在充分熟悉露天礦山邊坡破壞的原因和邊坡的特點后,還必須進行現場調查、實測,深入了解礦區巖石類型、巖體結構面、地下水及地表水、邊坡在以前開采中的滑落情況以及自然邊坡角的性質和特點,進而辨識預測邊坡的破壞類型和發生規律,并在此基礎上改進邊坡的結構,減少或控制邊坡破壞產生的嚴重后果。

       ?。ㄒ唬r體結構面及其影響

        巖體結構面是在地質形成的過程中巖體內形成具有一定方向、規模、形態和特性的面、縫、層、帶狀的地質界面。面是巖塊間無任何充填的劈理、節理、層理、片理等;縫是有充填物,并具有一定厚度的裂縫;層是巖層中相對較弱的夾層,明顯存在上、下兩個層面;帶是具有一定厚度的構造破碎帶、接觸破碎帶、古風化殼和槽等。巖體結構面是影響邊坡穩定的決定因素,它直接制約著邊坡巖體變形、破壞的發生和發展過程。邊坡破壞失穩往往是沿巖體的結構面發生的。

        1、巖體結構面的成因類型及特征:巖體結構面可分為原生結構面、構造結構面、次生結構面。原生結構面是巖體形成中留下的結構面,如層面層理、巖脈與巖墻接觸面、原生冷凝節理、片理、軟弱夾層等;構造結構面是節理、斷層、層間錯動等;次生結構面是各種風化、開采、爆破等造成裂隙。

        2、巖體結構面的分級:對巖體結構面的規模及其對巖體穩定性所起作用的分級研究有助于區別主次,掌握對巖體穩定性起主導作用的結構面,確定正確的治理方案。中科院地質所提出的分級標準是把巖體結構面分為五級

        3、巖體結構面對邊坡穩定的影響:①巖體中的結構面都是弱面,比較破碎,易風化。結構面中的縫隙往往被易風化的次生礦物所充填,因此,其抗剪強度較低,破壞了巖體的完整性。很多滑坡的形成并不是由于巖石達到極限強度破壞所致,而是由結構面的強度決定了邊坡的穩定性,滑坡常常是沿結構面發生的。②結構面的存在為地表水的滲入和地下水的活動提供了良好的通道。水活動的結果,使巖石和結構面的抗剪強度進一步降低。③結構面所控制地滑體的滑動面及邊緣輪廓,甚至決定了邊坡破壞的類型。確定邊坡巖體中的結構面及其強度是邊坡穩定設計研究的主要內容。各個結構面所起的作用是相互影響和制約的,所以對任何地段巖體的工程地質評價都必須針對具體部位的情況,做具體分析研究。在研究礦區地質構造時,要注意分析是否存在構造應力場。如存在構造應力,應判定應力的性質、方向和大小,并在邊坡穩定性分析時予以考慮。

        4、結構面對邊坡的破壞作用:在邊坡的第一區段一般都有幾組對邊坡破壞起主導作用的優勢結構面,這些結構面對邊坡穩定性的破壞程度,取決于結構面特性及相互切割關系和結構面產狀與邊坡臨空面(坡面)的相互關系。有三種典型的破壞類型:即平臺滑坡、楔體滑坡、傾倒滑坡。

        平面滑坡:優勢結構面與坡面的傾向相同,且傾角較坡面角緩時常發生平面滑坡。

        楔體滑坡:有兩組優勢結構面,其結構面交線的傾向與坡面大致相同.且傾角較坡面角緩時常發生楔休滑坡。

        傾倒滑坡:優勢結構面傾向與坡面相反,且傾角較陡時常發生傾倒滑坡。

       ?。ǘr性及其影響

        1、巖石的結構與構造:由于巖石的成因類型不同,其內部的結構與構造亦不相同,巖性差異也較大。

        巖石的力學性質除取決于巖石的礦物成分外還取決于礦物顆粒之間的聯結類型(是結晶還是膠結、松散等非結晶聯結)以及結晶顆粒的大小。結晶聯結且結晶顆粒小的,其力學強度高,結晶聯結且結晶顆粒大的,其力學強度就相對的低。對于沉積巖,由于結晶顆粒的強度遠大于顆粒間膠結物的強度,在外力作用下,巖石總是沿膠結物處破壞,而不是結晶顆粒破壞。硅質膠結物膠結的沉積巖具有較大的強度,碳酸鹽和粘土膠結的巖石強度低,并且容易溶蝕。具有基底膠結的沉積巖,其強度也較大。

        巖石的構造對巖石的力學性質也有明顯影響,如沉積巖的層理、變質巖的片理方向及垂直方向的力學性質相差很大,為各向異性體。

        2、巖石的孔隙度:巖石的孔隙度劉巖石的吸水性及強度有一定影響,隨著孔隙度增大,巖石的強度降低、彈性模量減少。

        3、巖石的強度:巖石的各種強度的大小,一般可列序為:三向抗壓強度>二向抗壓強度>單向抗壓強度>抗剪強度>抗彎強度>抗拉強度。

        巖石的抗壓強度一般為抗剪強度的3~10倍,為抗拉強度的10~50倍。露天礦山滑坡大都是剪切破壞,因此巖石的抗剪強度是衡量邊坡巖體穩定的必要條件。堅硬致密巖石的抗剪強度較高,不易發生滑坡,反之則易滑坡,巖石往往是因剪切破壞而塌落的。

        在內聚力低的軟弱巖體或流砂體、松散表土內,容易發生圓弧滑坡。如果邊坡坡腳有軟弱巖層,邊坡高度過高時,容易發生坡腳剪壓破碎,變形過大而造成上部巖體的總破壞。

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        地表水的滲入和地下水的活動往往是導致露天礦山滑坡的重要原因,一般地下水壓可降低邊坡穩定性的20%~30%。賦存于巖體裂隙中的地下水,對裂隙兩壁產生靜水壓力。

        1、靜水壓力作用:能增大滑動力和減少摩擦阻力,從而對邊坡穩定不利。一般在地下水高于滑動面時靜水壓力可使巖體抗剪強度降低1/4~1/2。

        2、動水壓力的作用:當地下水在破碎巖體的裂隙或斷層帶中流動時,作用于所流經的巖石顆粒上的壓力稱為動水壓力,亦稱滲透壓力。當動水壓力較大時,裂隙或斷層破碎帶中的巖石顆粒和巖體的可溶解成分會被水流帶走,使巖體聚力和摩擦力減小,產生所謂潛蝕作用。潛蝕作用會破壞巖體穩定,尤其是當地下水流和結構面聯系在一起時,對邊坡穩定的威脅更大。

        3、水質軟化作用:對粘土質巖體和節理裂隙發育的巖體,隨著含水量增加,其凝聚力C和內磨擦角φ顯著降低,抗剪強度降低到干燥時的1/4~1/20。

        在上述幾種作用中,靜水壓力的作用更為突出,靜水壓力的作用受地下水位變化的影響,地下水位又受地表水、降雨量和巖體的滲透性等的影響,在一定范圍內變動,降低地下水位是改善邊坡穩定性的主要方法之一。

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        爆破振動和地震對邊坡穩定性的影響作用方式基本相同。只有爆破是人為的、可控制的,而地震是人類目前尚無法控制的自然災害。

        1、爆破作業是露天礦山經常使用的破巖方法,它使露天礦山邊坡長期受到反復的爆破振動。當爆破地震波通過巖體時,給巖體的潛在破壞面以附加的振動力,使原生結構面和構造結構面的規模增大,并產生次生結構面(爆破裂隙),從而影響邊坡的穩定性。①爆破振動對巖體造成的損害取決于巖體振動速度的大小。②巖體振動速度小于或等于25.4cm/5時,完整巖體不破壞。③巖體振動速度在25.4~63.5cm/s時,巖體出現少量剝落。④巖體振動速度在63.5~25.4cm/s時,發生強烈拉伸和若干徑向破裂

        2、地震的影響:在地震活動頻繁的地區,應考慮其對邊坡穩定性的影響,尤其是滑坡后可能造成重大損失的邊坡。我國地震烈度采用12度劃分法。

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        1、邊坡高度和邊坡角:當邊坡角一定時,邊坡垂直高度越高越不穩定,當邊坡高度一定時,邊坡角越大越不穩定。因此,在有關安全規程上對不同巖性的邊坡高度和邊坡角都有明確規定。

        2、邊坡的水平斷面形狀:凡向采場突出的邊坡,其表面水平拉應力較集中,易產生張開的次生節理或使原節理擴開,影響邊坡的穩定。凹向采場的邊坡表面,水平壓應力較集中,可增加阻止巖體下滑的摩擦力,因而有利于邊坡的穩定。如果邊坡水平彎折較多,則突向采場的部分易受拉應力作用而破壞,不利于邊坡穩定。

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