露天边坡稳定性影响因素分析及防治措施

郑禄璟 郑禄林 常晓娜 韩 斌

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550001;2.英属哥伦比亚大学采矿学院，加拿大温哥华V5Z1L5;3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

边坡稳定性是影响露天矿山安全高效生产的重要因素，同时也与矿山地质环境的保护密切相关。影响露天矿山稳定性的影响因素可分为内因和外因两大类。内因主要包括岩石性质如矿物组成和结构类型以及边坡地质构造如断层、层理、节理等，是岩体的固有性质;外因主要包括水、开挖爆破、以及风化等，是岩体所处的外界环境。贵州锦丰金矿岩石类型主要为泥岩、砂岩，以及泥岩和砂岩的互层结构，岩体具有强度低较破碎、易风化崩解、遇水易泥化等特点，露天开采过程中，边坡的东南西北4个方位都出现失稳破坏。针对以上情况，本研究对锦丰金矿露天边坡破坏的影响因素进行分析，并结合矿山实际提出有效治理措施。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

锦丰露天矿区处于赖子山背斜东翼的鼻状突起部位，其矿床主要赋存于北东、北西向断裂带中。矿区岩层主要为中三叠统边阳组、尼罗组、许满组沉积岩，其岩性总体上以砂岩、黏土岩为主，其中砂岩单轴抗压强度为27～59 MPa，黏土岩单轴抗压强度为21.1～37.2 MPa，在分布上砂岩、黏土岩构成厚薄不均的互层。

矿区内规模较大的褶皱有林坛背斜、烂泥沟向斜及上冗半向斜。次有北东、北西西向、近东西向的褶曲叠加于上述北西向主体褶皱构造之上，以及与主干断裂构造伴生的同斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲等。

矿区范围内断裂构造极其发育，主要有北西向、北东向及南北向3个走向组。北西向组主要有F14、F5、F3、F4、F6、F8、F20，广布于矿区中部、东部及北部，为矿区之主体构造;北东向组断裂构造主要有F2、F13、F10;南北向组有F1、F9、F7等，其中F2、F3、F6为矿区控矿断层(如图1所示)。

图1 锦丰控矿断层Fig.1 Jinfeng deposit controlling faults

1.2 气候条件

锦丰矿区属亚热带湿润气候区，冬无严寒，夏季炎热。据锦丰现场2008—2013年气象监测数据显示，年平均气温为24.9℃，最低月平均气温为11.8℃(1—2月)，最高月平均气温33.4℃(7—8月)。年蒸发量1 408 mm，年降雨量1 118.80 mm，降雨量多集中在5—9月，降雨量达872.10 mm，占全年降雨量的77.95%。单日最大降雨量为224 mm。

2 边坡稳定性影响因素

2.1 岩体结构面

岩体结构面是岩体在形成过程中或开裂之后出现的具有一定产状、规模、形态和特性的面、缝、层、带状的地质界面，包括断层、节理、裂隙、软弱夹层及层间错动等。结构面使岩体表现出非均质、不连续、各向异性的特征，对岩体的变形、破坏发展具有直接影响。根据现场经验及对边坡失稳实例的观察分类，锦丰露天边坡主要变型破坏模式主要有以下5种类型。

2.1.1 平面破坏

平面破坏与边坡几何条件紧密相关。发生此类边坡失稳破坏的多为含有软弱夹层的顺层边坡，即岩层的走向和倾向与边坡的走向和倾向近似一致(实际工程中边坡走向与岩层走向夹角小于20°)。当岩层倾角介于内摩擦角和边坡坡面角之间时，顺层边坡岩体通常沿最不利的剪切滑动面向边坡面方向滑动，造成平面失稳破坏(图2)。如采坑西部边坡660～ 640 m水平曾出现顺层塌方，方量约60 m3(图3)。

图2 平面破坏原理Fig.2 Princip le of planer failure

图3 西部边坡平面塌方Fig.3 Planer failure on west wall

2.1.2 楔形破坏

边坡中存在2组与边坡斜交且相互形成楔形体的结构面。当2结构面的组合相交线与边坡倾向一致，且倾角介于内摩擦角和边坡坡面角之间时，易发生楔形破坏(图4)。如采坑南部边坡540～530 m水平曾出现较大面积的楔形体塌方，塌方量约为650 m3(图5)。

图4 楔形体破坏原理Fig.4 Princip le of wedge failure

图5 南部边坡楔形体塌方Fig.5 Wedge failure on south wall

2.1.3 倾倒破坏

当岩层走向与边坡走向近似一致且岩体结构面较陡时，岩块在自重、开挖等多重作用下向外向下产生倾倒破坏(图6)。如北部边坡680～660 m水平曾出现倾倒式塌方(图7)。

图6 倾倒式破坏原理Fig.6 Princip le of topp ling failure

图7 北部边坡倾倒式塌方Fig.7 Toppling failure on north wall

2.1.4 圆弧形破坏

边坡岩石条件较差，如高度风化或者连续破碎的岩石或岩石回填体，易发生滑动面近似圆弧形式的破坏。破坏区域一般节理裂隙极其发育，岩体为碎裂或散体结构(图8)。如西部边坡560～525 m水平曾出现大范围圆弧形塌方，塌方量多达5 000 m3(图9)。

图8 圆弧形破坏原理Fig.8 Princip le of circular failure

图9 西部边坡圆弧形塌方Fig.9 Circular failure on west wall

2.1.5 土质边坡滑坡

松散土质边坡易受雨水影响出现沉降，最终导致整体塌方。土质边坡内聚力及内摩擦角较小，在雨水作用下，其孔隙水压力增大导致土体粒间结合力变差、透水性增强，土压力平衡改变，出现塌方。锦丰露天金矿西部边坡660～620 m水平及北部边坡680～640 m水平均有10多m的松散土体覆盖。开挖后，原有应力平衡受到破坏，加之雨水影响，西部土质边坡大面积下沉，北部680 m水平局部边坡出现塌方(图10)。

图10 北部土质边坡坍塌Fig.1 0 Soil slope failure on north wall

2.2 水的影响

影响露天边坡稳定性的水包括地表水和地下水，地表水又可通过渗流转为地下水。水与露天边坡的稳定性密切相关。根据历年数据，锦丰金矿露天边坡的失稳破坏60.3%发生在雨季(5—9月)，并且边坡失稳与降雨量的大小密切相关。水的影响主要包括静水压力、动水压力和软化。

2.2.1 静水压力

水体充填到边坡岩体张裂隙而产生压力，边坡坡面、平台的陡倾张裂隙充水，滑体承受静水压力。遇连续降雨或暴雨时，此类静水压力对平面破坏和倾倒破坏具有较大促进作用。同时，水对边坡稳定性的影响程度与地下水位及岩石透水性密切相关。地下水位越高，岩石导水性越差，对边坡稳定性影响越大。

2.2.2 动水压力

某些岩层边坡渗水性较强，地下水渗流在水力梯度作用下对边坡产生动水压力，渗入岩体孔隙中，降低结构面的力学参数，降低抗剪切强度，不利于边坡稳定。

2.2.3 软 化

水的软化作用随岩性不同差异很大。边坡中亲水性较强或存在易溶性矿物的软弱岩层或软弱结构面，经水体侵蚀后易发生泥化、溶解，使岩体原有结构遭到破坏并对结构面起到润滑作用，影响边坡稳定。

2.3 爆 破

露天矿爆破是在边坡的静态载荷基础上施加动态作用，从而改变边坡岩体的内部应力。爆破产生的应力波对爆破漏斗以外岩体造成损伤，包括促使裂纹的产生、扩展和恶化。多次爆破、反复加载会使受损岩体逐渐失衡并发生破坏。爆破并不是对整个开挖岩体造成影响，而是对介于挖掘边界和未受扰动原岩之间的岩体产生损害。爆破影响区域的厚度H决定于爆破参数设计。Hoek and Karzulovic认为根据生产爆破可大致估计爆破影响区域的范围(见表1，T为影响深度)。

表1 生产爆破影响区域范围Table1 The affect area of production blasting

此外，风化、岩石开挖等因素也会对露天边坡的稳定性产生不同程度影响。

3 工程治理措施及效果

针对影响锦丰露天矿山边坡稳定性的主要因素及破坏模式，并根据现场经验，分别提出相应治理措施。主要包括边坡加固、排水及控制爆破。

3.1 边坡加固

锦丰露天边坡治理措施主要有长锚索、喷锚网、抗滑桩、HDPE防渗膜、拦截网等。在实际的生产应用中根据边坡的破坏模式、边坡的重要性以及服务年限进行支护参数设计、支护选型及组合。

3.1.1 平面破坏加固技术参数及效果

南部边坡总高度170 m，总体边坡角37°，属于典型的顺层边坡，岩层走向与边坡走向夹角小于20°，倾角为38°～42°，580～520 m水平曾出现过大面积平面滑坡，2009年削坡后采用长锚索+喷锚网进行支护。

(1)支护要领。由于平面破坏的潜在滑移面通常较浅，因此对长锚索长度要求较低，能够穿过潜在滑移面2～3 m即可满足支护要求。

(2)技术参数。锚索长度一般选择8～12 m，水平间距为2 m，垂直间距为2.5 m(第1排距坡顶线1.5 m)。锚网网格为20 cm×20 cm，锚杆长1.8 m，喷浆厚度不小于60 cm，强度不低于15 MPa。

(3)应用效果。根据矿区岩石易风化剥蚀等特点，采用喷锚网对边坡进行封闭，保证长锚索锚固头不被破坏，从而实现边坡的整体稳定。支护效果如图11。

图1 1南部边坡平面破坏支护(单位:m)Fig.1 1 Support design of planar failure on south wall(unit:m)

3.1.2 楔形体破坏加固技术参数及效果

东南部边坡635～590 m水平断层面和岩层结构面形成楔形体结构，若不采取支护手段可能存在大面积楔形体塌方的风险。

(1)支护要领。由于楔形体塌方的潜在滑移面深浅不一，所需长锚索的长度也有不同，需要根据潜在滑移面深度选择相应锚索进行加固。

(2)技术参数。长锚索长度选择8～20 m，水平间距为2 m，垂直间距为2.5 m(第1排距坡顶线1.5 m)。锚网网格为20 cm×20 cm，锚杆长1.8 m，，喷浆厚度不小于60 cm，强度不低于15 MPa。

(3)应用效果。由于此处岩体完整性较好，为降低大面积喷锚网支护产生的高昂成本，采用挂网代替喷锚网进行支护(局部区域喷锚网)。按照此种支护方式及参数利用Swedge软件进行模拟，未进行支护时，安全系数为0.72，支护后安全系数为1.22，如图12所示。

图12 东南部楔形体破坏支护Fig.1 2 Support effect of wedge failure on south east wall

3.1.3 圆弧形破坏加固技术参数及效果

西部边坡处于F3和F2断层交汇处，边坡岩体极其破碎，曾出现方量超过5 000 m3的圆弧形塌方。

(1)支护要领。对于该大型圆弧形滑坡，由于滑移面底部岩层倾角小(15°～20°)，采用抗滑桩对潜在滑移面进行加固可大大的增加其抗滑力，因此选用长锚索和抗滑桩对该区域进行加固。

(2)技术参数。在潜在滑移面底部安装一排抗滑桩，深10 m，水平间距2 m，倾角75°(与岩层近似垂直)。抗滑桩采用10#工字钢安装，全孔灌浆。锚索长度根据不同台阶的潜在滑移面选择，长度为12～20 m，水平间距2 m，垂直间距2.5 m(第1排距坡顶线1.5m)。锚网网格为20 cm×20 cm，锚杆长1.8 m，喷浆厚度不小于60 cm，强度不低于15 MPa。

(3)应用效果。抗滑桩可有效锁住潜在滑移面的底部，长锚索给岩层提供预应力，将潜在滑动区有效锚固在稳定区域岩体中，确保了边坡的整体稳定。喷锚网可有效防止岩体表层风化、雨水渗入边坡。支护设计如图13。

图1 3西部边坡圆弧形破坏支护(单位:m)Fig.1 3 Support design of circular failure on west wall(unit:m)

3.1.4 倾倒式破坏加固技术参数及效果

倾倒式破坏多发生在采坑北部边坡。此区域岩层多为砂岩和泥岩互层，且破坏区域多以中厚层砂岩为主。

(1)支护要领。根据倾倒式破坏的力学原理，可采用上向长锚索+钢带的支护方式进行加固，使得长锚索产生的抗滑力达到最大。

(2)技术参数。支护孔钻孔方向为上向10°～15°，锚索长度一般选用8～10m。钢带长8m，宽0.3 m。

(3)应用效果。从锦丰北部边坡大量的支护实践表明，该种支护方式对于倾倒式塌方具有良好支护效果，且支护成本低，普遍应用于存在倾倒式破坏风险的边坡。

3.1.5 土质边坡滑坡支护方式及加固效果

(1)支护要领。水是影响土质边坡稳定性的最大因素，该类边坡加固时可考虑采用地表防水和地下水疏通相结合的方式进行。

(2)应用效果。HDPE防渗膜具有防水效果好、抗拉和耐风化等特点，采用厚1.0 mm防渗膜对采坑西部土质边坡进行防护，自防护后至今仍保持稳定，见图14。

图14 西部土质边坡防护效果Fig.1 4 Support effect of soil slope failure on west wall

3.2 地表、地下水控制

锦丰矿区年降雨量大，根据近3 a现场降雨量统计，最大年降雨量达到1 341.6 mm，最大月降雨量为2009年6月(419.8mm)。因此锦丰露天矿作为凹陷式露天矿山，地表排水至关重要。雨水不仅影响正常的采矿作业，更是对边坡稳定产生极大威胁。

3.2.1 地表水控制

混凝土修筑而成的截(排)水沟能够有效阻止地表水渗透到边坡内部。目前锦丰露天地表排水主要有东部620 m至南部600 m截水沟、西部580 m至520 m主运矿道排水沟及主采坑水泵排水，其中截(排)水沟采用沟底喷浆加水泥抹面方式进行防渗水处理，排水效果良好。

3.2.2 仰斜泄水孔

边坡内赋存有地下水，其水源主要为地表降雨下渗，雨水下渗后主要集中在构造带，如西部F2F3断层带、F6断层带、岩石破碎区以及顺反倾斜岩层处，如南部边坡(顺层岩层)和北部局部区域(反倾斜岩层)。现场经验表明，采用仰斜泄水孔(向上倾斜约5～10°)进行排水能够有效减小地下水压，具有明显效果。泄水孔参数主要为10 m×10 m×30 m(排距×孔距×孔深)，上向5°～10°，在泄水孔中插入PVC排水管(PVC管表面按一定参数钻小孔，泄水孔内的水经由小孔流入PVC管内)，可有效保护孔壁，防止坍塌，将地下水引出。

3.3 控制爆破

根据岩石条件，锦丰金矿在靠近最终边坡时采用高精度雷管逐孔起爆的爆破方式进行修边爆破。修边爆破是临近最终边坡或重要边坡时预留16 m宽的区域暂不进行爆破，待正常生产爆破结束，开挖揭露出自由面之后再进行爆破，并通过对孔网参数、装药量和爆破网络等进行特殊控制调整的爆破方式。正常生产爆破孔网参数为6 m×7 m(孔距×排距)，孔径165 mm，孔深10 m;修边爆破孔网参数为4 m×5 m(孔距×排距)，孔径115mm，孔深5m。同时，通过逐孔起爆，减小同段起爆药量，有效控制爆破震动及飞石，降低爆破对边坡的破坏程度。

为尽可能减小爆破对边坡的破坏，锦丰金矿修边爆破采用“多打孔少装药”的方式，由阿特拉斯L8钻机按5 m台阶高度、115 mm炮孔进行布置。严格控制爆破宽度为4排孔，共16 m宽，自由面不能出现压渣情况。多年现场经验表明，逐孔起爆的清渣修边爆破技术能够有效控制爆破震动，实现边坡保护程度最大化。

4 结论

(1)锦丰露天金矿具有地质构造复杂、岩体易风化、软弱岩体遇水易泥化等特征，其主要破坏因素包括岩体构造、降雨、爆破等。主要破坏模式有平面滑坡、楔形体塌方、圆弧形塌方、倾倒式坍塌及土体边坡塌方。根据引起边坡破坏的因素和模式，进行综合加固，加固总面积达65 300 m2，使坡面角达到55°～60°，整体边坡角达到34°～40°，边坡最大高差达到275 m，实现了深凹露天矿陡帮开采，取得较好的经济效益。

(2)针对平面破坏、楔形体破坏、圆弧形破坏及倾倒式破坏分别采用不同的边坡加固治理措施。大量实践经验表明，平面和楔形体破坏采用长锚索+喷锚网支护具有良好的支护效果;圆弧形破坏采用长锚索+喷锚网+抗滑桩支护具有良好的加固效果;倾倒式破坏采用上向长锚索+钢带支护，不仅支护效果良好，且支护成本低;土质边坡采用HDPE防渗膜进行防雨处理取得良好的治理效果。

(3)水是影响锦丰露天边坡稳定性的主要因素之一，露天截(排)水成为边坡稳定性控制的重要治理措施。通过在620 m水平至600 m水平修筑截水沟可有效拦截该区域上方的地表水，沿运矿道靠近边坡一侧修筑排水沟可有效阻止雨水渗入边坡。采用仰斜泄水孔进行地下水排水，可有效降低边坡内部地下水位，从而降低地下水对边坡稳定性的影响。

(4)锦丰露天矿采用高精度雷管起爆的爆破方式进行修边爆破。逐孔起爆的清渣修边爆破技术能够有效控制爆破震动，最大程度降低边坡爆破区域影响范围，实现边坡保护的程度最大化，有效减少边坡的支护量。

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