矿山边坡稳定：基本概念及安全工程解析

2024-07-05 百科知识版权反馈

【摘要】：第一节边坡稳定的基本概念露天开采时，通常是把矿岩划成一定厚度的水平层，自上而下逐层开采。最终边坡角是指最终边坡面与水平面之间的夹角。各台阶参数的组合决定了最终边坡角的大小，而最终边坡又受到岩体的工程地质条件和开采深度的限制。露天矿边坡的稳定性随着开采作业的进行不断发生变化。当两组或两组以上结构面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。

第一节　边坡稳定的基本概念

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。这样会使露天矿场的周边形成阶梯状的台阶，多个台阶组成的斜坡称为露天矿边帮，即露天矿边坡。

所谓露天矿边坡的稳定性，系指露天矿边坡在开挖和投产过程中，边坡岩体在多大的高度和多大的边坡角情况下不出现显著变形和破坏。当发生了这样的变形和破坏，就称之为边坡岩体失稳。应当指出，露天矿边坡在开挖和投产过程中也允许变形，甚至在加以控制的情况下，也允许其破坏或次数不多、规模不大的滑坡。

一、边坡的结构及特点

（一）边坡的组成要素

露天矿边坡按其在采场所处的位置不同可分为:①底帮边坡，指位于矿体底盘一侧的边坡；②顶帮边坡，指位于矿体顶盘一侧的边坡；③端帮边坡，指位于矿体两端部的边坡。

台阶的命名一般以平盘的标高来表示，如100m水平。台阶根据其用途可分为工作平台、安全平台、清扫平台、运输平台等。

最终边坡是指已开采结束到达最终界面而留下的台阶所组成的边坡，其位置一般是固定的，其深度是随着开采深度的增加而不断延伸。

最终边坡角是指最终边坡面与水平面之间的夹角。

（二）边坡的结构

一般来说边坡结构中的基本单元是台阶。不同用途的台阶进行组合形成了边坡的结构。各台阶参数的组合决定了最终边坡角的大小，而最终边坡又受到岩体的工程地质条件和开采深度的限制。

最终边坡角、台阶各项参数、开采深度等一般在开采前由设计来确定。当这些参数确定后，边坡的基本结构也就确定了。最终边坡的一般结构是:在非运输帮边坡上由几个安全平台加上一个清扫平台组成；在运输帮边坡上由安全平台、清扫平台、运输平台组成，运输平台是根据线路而布置的。由于运输平台往往较安全平台或清扫平台宽，所以有运输线一帮的边坡角比无运输线一帮的边坡角要缓些。

需要指出的是，在一些采石场尤其是乡镇采石场，往往是不分层的高台阶开采，作业环境极不安全，容易发生高处坠落、坍塌、物体打击与爆破飞石等事故。因此，控制开采高度与坡度，选取合理的边坡形式与几何形状等，对边坡的稳定性有很大影响。

（三）边坡的特点

露天矿边坡与其他一些工程边坡，如铁路、公路、水库、水坝等形成的边坡相比，有以下特点:

（1）露天矿边坡一般比较高，从几十米到几百米都有，走向长从几百米到数千米，因而边坡暴露的岩层多，边坡各部分地质条件差异大，变化复杂。

（2）露天矿最终边坡是由上而下逐步形成的，上部边坡服务年限可达几十年，下部边坡服务年限则较短，底部边坡在采矿时即可废止，因此上下部边坡的稳定性要求也不相同。

（3）露天矿由于每天频繁地穿孔、爆破作业和车辆行进，使边坡岩体经常受到振动影响。

（4）露天矿边坡是用爆破、机械开挖等手段形成的，坡度是人为的强制控制，暴露岩体一般不加维护，因此边坡岩体较破碎，并易受风化影响而产生次生裂隙，破坏岩体的完整性，降低岩体强度。

（5）露天矿边坡的稳定性随着开采作业的进行不断发生变化。

露天矿边坡的主要特点是岩体开挖与边坡形成贯穿于生产过程的始终，开采的过程就是边坡形成的过程，它是一个动态过程。

二、边坡的破坏类型

（一）边坡岩体的破坏类型

露天矿开采会破坏岩体的稳定状态，使边坡岩体发生变形破坏。边坡破坏的形式主要有崩落、散落、倾倒坍塌和滑动等。边坡岩体的破坏类型按破坏机理可分为四类，如图8-1所示。

图8-1　边坡的破坏类型

（a）平面破坏；（b）楔体破坏；（c）圆弧形破坏；（d）倾倒破坏

1.平面破坏［图8-1（a）］

边坡沿某一主要结构面如层面、节理或断层面发生滑动，其滑动线为直线。边坡中如有一结构面倾向与边坡倾向相近或一致，且倾角小于边坡角，又大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动的力时，即沿层面发生破坏。

2.楔体破坏［8-1（b）］

在边坡岩体中有两组或两组以上结构面与边坡相交，将岩体相互交切成楔形体而发生破坏。当两组或两组以上结构面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。

3.圆弧形破坏［图8-1（c）］

边坡岩体在破坏时其滑动面呈圆弧状下滑破坏。这种破坏一般发生在土体中。散装结构的破碎岩体或软弱和沉积岩中的边坡也常以此种形态破坏，在破碎前被破坏的坡顶往往出现明显裂隙。

4.倾倒破坏［图8-1（d）］(www.chuimin.cn)

当岩体中结构面或层面很陡时，每个单层弱面在重力形成的力矩作用下向自由空间变形。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。当边坡底脚岩体为软岩时或底脚被掏时，更易发生这种破坏。

（二）边坡岩体的滑动速度和破坏规模

当边坡岩体发生滑动破坏时，由于受各种因素和条件的影响，其滑动的速度各不相同。有的滑动破坏是瞬间发生的，而有的滑动破坏是缓慢的，在一段时间内完成整个破坏过程。

分析边坡岩体破坏时的滑动速度大小，对预防矿山事故是非常重要的。按照边坡岩体的滑动速度，边坡岩体的滑动破坏可分为以下四种类型:

（1）蠕动滑动。边坡岩体平均滑动速度小于10^-5m/s。

（2）慢速滑动。滑动速度在10^-5m/s～10^-2m/s之间。

（3）快速滑动。滑动速度为0.01m/s～1.0m/s。

（4）高速滑动。滑动速度大于1.0m/s。

露天矿边坡岩体发生破坏时所产生的后果不但取决于其破坏的类型、破坏的速度，还取决于破坏的规模，即下滑岩体体积的大小和滑动岩体的范围。边坡岩体的破坏规模可分为以下四种类型:

（1）小型滑落。一般指发生在单台阶局部上小块岩体沿一个或多个节理面产生局部的滑动，其滑落的垂直距离往往小于台阶的高度，滑落的岩体体积在1万m³以下。

（2）中型滑落。一般指多台阶边坡岩体沿结构面产生的大规模整体滑落。滑落的岩体体积一般在1～10万m³之间。

（3）大型破坏。一般指多台阶边坡岩体沿结构面产生的大规模整体滑落。岩体的破坏类型多为平面破坏和圆弧形破坏，滑落的岩体体积一般在10万～100万m³之间。

（4）巨型滑落。一般指露天矿边坡岩体产生大规模破坏，其滑动的范围、体积都很大，滑落的岩体体积一般在100万m³以上。

边坡岩体的破坏类型、滑动速度、破坏规模三个要素在每次边坡破坏过程中都能反映出来。三个要素的综合作用决定了一次边坡破坏过程可能造成的危害。如果事故发生前能较正确地预测这三个要素，就能提前采取有效的措施，制止边坡破坏的发生或使边坡破坏所造成的危害降到最低限度。

三、边坡安全管理

确保露天矿边坡安全是一项综合性工作，包括确定合理的边坡参数，选择适当的开采技术和制定严格的边坡安全管理制度。

1.确定合理的台阶高度和平台宽度

合理的台阶高度对露天开采的技术经济指标和作业安全情况都具有重要的意义。确定台阶高度要考虑矿岩的埋藏条件和力学性质、穿爆作业的要求、采掘工作的要求，一般不超过15m。平台宽度不但影响边坡角的大小，也影响边坡的稳定。工作平台宽度取决于所采用的采掘运输设备的要求和爆堆的宽度。

2.正确选择台阶坡面角和最终边坡角

台阶坡面角的大小与矿岩性质、穿爆方式、推进方向、矿岩层理方向和节理发育情况等因素有关。

工作台阶坡面角的大小在各类矿山安全规程中都作了详细的规定。在一般情况下，其大小取决于矿岩的性质:松软矿岩，工作台阶坡面角不大于所开采矿岩的自然安息角；较稳定的矿岩，工作台阶坡面角不大于55°；坚硬稳固的矿岩，工作台阶坡面角不大于75°。

最终边坡角与岩石的性质、地质构造、水文地质条件、开采深度、边坡存在期限等因素有关。由于这些因素十分复杂，因此通常参照类似矿山的实际数据来选择矿上最终边坡角。

3.选用合理的开采顺序和推进方向

在生产过程中要坚持从上到下的开采顺序，坚持打下向孔或倾斜炮孔，杜绝在作业台阶底部进行掏底开采，避免边坡形成伞檐状和空洞。一般情况下应选用从上盘向下盘的采剥推进方向，做到有计划、有条理地开采。

4.合理进行爆破作业，减少爆破震动对边坡的影响

由于爆破作业产生的地震可以使岩体的节理张开，因此在接近边坡地段尽量不采用大规模的齐发爆破，可以采用微差爆破、预裂爆破、减震爆破等控制爆破技术，并严格控制同时爆破的炸药量。在采场内尽量不用抛掷爆破，应采用松动爆破，以防止飞石伤人，减少对边坡的破坏。

5.建立健全边坡检查和管理制度

当发现边坡上有裂陷可能滑落或有大块浮石及伞檐悬在上部时，必须迅速进行处理。处理时要有可靠的安全措施，受到威胁的作业人员和设备要撤到安全地点。

6.选派专人管理

矿山应选派技术人员或有经验的工人专门负责边坡的管理工作，及时清除隐患，发现边坡有塌滑征兆时有权制止采剥作业，并向矿上负责人报告。

7.其他措施

对于有边坡滑动倾向的矿山，必须采取有效的安全措施。露天矿有变形和滑动迹象的矿山，必须设立专门观测点，定期观测记录变化情况。

矿山边坡稳定：基本概念及安全工程解析

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