矿山安全工程学：影响边坡稳定性的因素分析

第二节　影响边坡稳定性的因素

引起露天边坡破坏的原因是多方面的，包括自然因素和人为因素。自然因素主要有边坡所处范围的地质构造、岩性、地下水及地表地形、地震等；人为因素主要有边坡的形态、周围的爆破震动、地表植被破坏及水库、排土场等人为构筑物等。一般是几种因素共同作用造成边坡破坏。了解和掌握引起边坡破坏的因素和影响程度，对确定边坡的稳定性和预防管理方法非常重要。

分析滑坡事故产生的原因，归纳起来大体有以下几个方面。

一、确定的边坡角不合理

实践证明，提高边坡稳定性的重要手段之一是减缓露天矿边坡角。但是，减缓边坡角必然影响露天开采的经济效果。据有关资料分析，一个倒锥形的凹陷露天矿，边坡角每减缓10°，剥离量几乎增加一倍。当设计边坡角时，既要考虑边坡的稳定性，也应该考虑长远的经济效益。单纯只考虑边坡的稳定性，不讲经济效益，把边坡角设计过缓，这显然是不对的；但只追求眼前的产量，只顾眼前的经济利益，将边坡角设计大了同样不好，很可能会带来人身和设备的不安全，经济上也会造成巨大的损失。

从以上可知，增大边坡角固然可以减少剥离量和剥离成本，但却增加了滑坡危险，使边坡维护费增加；减小边坡角就增加了剥离费，但可减少边坡维护费。露天矿边坡角与剥离费、边坡维护费之间存在着如图8-2所示的关系。图中的虚线为总费用，从图中可以看出，随着边坡角的增大，剥离费将下降，维护费将增加；设计的边坡角不仅要求边坡要稳定，而且还应要求用于边坡的剥离费和维护费之和应最小，如图中C所示之值。

图8-2　露天矿边坡角与剥离费、维护费的关系

二、地质因素对边坡的影响

岩体是由多种岩石所组成的，各种岩石又多是由不同的矿物所组成的，而且这些岩体中往往存在着各种弱面（即结构面）。矿物组成不一样，则其强度也不同；弱面在岩体中的多寡和分布也同样会影响到边坡岩体的稳定性。边坡滑动的多数实例都是受着弱面的影响，如弱面强度、弱面在空间的分布及其与边坡的关系。

岩体弱面强度也会受到其间黏结物的种类、黏结力的大小、结构面的粗糙程度、受载的大小和方向影响。

要分清弱面的空间分布和边坡关系，首先就要对岩体中的各种弱面进行必要的工程地质调查，弄清弱面和边坡面的产状（走向、倾向和倾角）、弱面的密度、连续性、延展性等，这些都对边披的稳定性有影响。弱面的产状以及在边坡上的相对位置对边坡的影响如图8-3所示。

图8-3（a）表示弱面的走向、倾向与倾角均与边坡的坡面相关，此时的边坡处于临界状态，它可能发生剥落，也可能稳定。图8-3（b）是边坡的走向、倾向均与边坡相同，但边坡角α小于弱面倾角β，边坡则处于稳定。图8-3（c）是弱面倾角β小于边坡角α，弱面的下方在边坡面上出现，于是边坡上部的岩层图8-3（d）有可能沿弱面发生滑动。表示弱面呈水平，此时的边坡比较稳定。图8-3（e）所示边坡的倾向和弱面倾向相反，而且边坡角α小于β，此时的边坡也是稳定的。图8-3（f）所示弱面并未成平面而是曲面，实线、虚线各表示一种曲弱面，实线弱面一般较虚线所示弱面稳定。

以上所述弱面都是互相平行的情况，但边坡上有不相平行，而且彼此相交，如果相交的组合交线的下端不在边坡面上出现，也可能使边坡不出现失稳的情况；反之，则有可能出现失稳的情况。

图8-3　弱面的产状以及在边坡上的相对位置对边坡的影响

三、岩体中的地下水

露天矿边坡的滑坡多出现在雨后，说明水对边坡的稳定是非常有害的，归纳起来，水对边坡有以下三个方面的作用。

（一）它能改变岩石的物理力学性质

水在这方面起到了巨大的作用。如酸性水极易溶解碳酸盐类的岩石，像盐酸就能溶解石灰岩；另一方面，黏土遇着水，由于黏土系一些鳞片状结构，水浸入后，由于鳞片间水的表面张力而使黏土膨胀。此外，水还能软化岩石（如凝灰岩），又能降低弱面间的粘结力，导致弱面的抗剪强度大大降低。在某种程度上水还是一种润滑剂，这方面的例子也很多，黏土页岩遇水后的抗压强度将降至干燥时的1/4～1/20。在表土层中，在饱和水以后，其凝聚可降到零，内摩擦角也将降至5°～6°。

（二）水在岩体的裂隙中将产生静水压力和浮力作用

地表水进入到岩体的裂隙中将产生静水压力和浮力作用，当裂隙充填有水，水对裂隙壁将产生静水压力，其压强将随深度而变化，静水压力将有利于产生滑坡。而浮力的作用方向是垂直于滑动面向上的。因此抵消了作用于滑动面的正应力，最终导致滑动面上的摩擦阻力减小，这是不利于边坡稳定的。故当有浮力出现时，沿滑动面的抗剪强度将降低。如果潜水面上升到坡顶时，作用于滑动面上的法向力将下降35%。换句话说，将边坡内的水进行疏干时，可使其安全系数增大35%。

对于大多数坚硬岩石和许多砂性土及砾石来说，其凝聚力、内摩擦角并不因有水的存在而有显著改变。因此，其抗剪强度的降低完全是由于水的浮力作用而使滑动面上的正应力减小了。而在软的岩石中，如泥质页岩和黏土，凝聚力和摩擦力则可能随含水量的变化而有明显的变化。例如，破碎的泥质页岩和黏土，在天然含水状态下，内摩擦角Ψ＝30°，凝聚力C＝0.068MPa，但在长期地下水作用下，Ψ＜20°，C＝0.009MPa。前者降低33%，后者降低87%。由于Ψ及C降低，也必然会导致岩体强度的降低。

边坡中的地下水，主要是裂隙水、溶洞水，岩体中的破碎带、各种结构弱面和某些缺陷是地下水储存的场所，是补给水源、排泄地下水的主要通道。因此，它们的规模、性质、产状和在空间的分布控制着地下水的赋存状态和运动规律。由于岩体本身的各向异性、非均质性、不连续性，也会使地下水具有这样的特征。

另外，在寒冷的北方，边坡岩体中的裂隙水由于气温下降而冻结，体积膨胀，产生楔胀作用，至使边坡岩体进一步破坏、滑落。

（三）水的动水压力作用

地下水在破碎岩体中的裂隙内流动时，作用于岩石颗粒上的压力称为动水压力。压力的方向为水流的切线方向，此时，动水压力为推动岩体向下滑动的力。

动水压力是推动边坡向下滑动的，一般能使下滑力增加24%，因此它对边坡的稳定性是极为不利的。动水压大时，岩石颗粒会被地下水带走，或将岩石的可溶解成分溶解带走，即产生所谓的潜蚀作用，它能破坏岩体的稳定。尤其是当地下水和岩体结构弱面联通，如当地下水流经断层带时，断层带中的破碎岩粒或可溶性物质就可能被地下水流带走，使边坡岩体失去平衡而产生滑坡。

为使水不加速边坡的破坏，可在裂隙中用黏土和不透水材料充填，也可采取一些疏干措施。不得已时，可以往裂隙中灌水，促使边坡在人为控制下产生滑坡。

四、边坡的几何形状

在边坡角相同的条件下，边坡越高稳定性越差，这是由于边坡自重力加大使边坡滑动的剪切力也相应增加。增加量与滑体体积的增加成正比，而抗滑动剪切的内聚力的增长与滑动面积成正比，增长量较小。当边坡高度一定时，边坡角越大，边坡越不稳定。露天矿边坡有一个极限高度和极限边坡角。(www.chuimin.cn)

从边坡水平断面看，边坡弯折愈多愈不稳定，这是因为凡突向采场的边坡易受拉而破坏，不利于边坡的稳定。

从边坡的垂直断面来看，可以将其归纳为三类，即直线平面形边坡、凹面形边坡和上缓下陡的凸形边坡（图8-4）。图8-4（a）为直线平面形边坡，设计时计算简便，一般把它看成均质体。如果组成边坡的岩石有强有弱，那么这种把岩石看成均质体计算的边坡，即使在稳定性系数很大的情况下也难免发生岩层的破坏而导致滑坡。另外，直线平面形边坡的倾角上下一致。没有考虑到露天矿边坡是逐渐形成的，上部边坡服务的时间最长，岩体受各种因素的影响和造成的损害比深部边坡的岩体重，因而这种直线平面形边坡的倾角往往是上部边坡显得过陡，而下部边坡又显得过缓。故这种形状的边坡仅适用于中等深度的露天矿，而不适用于深部露天矿。

凹面形边坡是根据松散介质力学计算出来的一种理论边坡。图8-4（b）表示边坡具有上陡下缓的外形，它完全和露天矿边坡的特点相违背。因此，它尽管有较充分的理论依据，但却与实际的边坡形成不相符合。这种边坡比直线平面形边坡在相同条件下要多挖许多岩石，故这种边坡只适用于深度不大的露天矿，特别适用于在边坡上保留矿柱的情况。因为它可以多采矿石，减少矿柱所占用的矿量损失。

凸形边坡［图8-4（c）］具有上缓下陡的外形，符合露天矿边坡形成的时间特点，可以消除以上两种边坡的缺点。在相同稳定条件下，可以少剥岩石，多采矿石。故它是露天矿边坡最好的形状。当然凸形边坡在计算上是比较复杂的。

至于台阶边坡、临时性边坡以及某些边坡由于维护时间短，则不一定采用凸形边坡。

图8-4　边坡的几何形状

（a）直线平面形边坡；（b）凹面形边坡；（c）凸形边坡

五、爆破震动

露天矿必须经常进行爆破作业，这时爆破的规模往往又比地下采矿时的规模大得多，因此，爆破作业对边坡稳定性的影响是显而易见的，特别是靠近边坡的炮孔爆破时更可能严重地影响到边坡的稳定。攀枝花钢铁公司石灰石矿H1滑体，在滑坡区前缘采用硐室外爆破，约5小时后，岩体滑动而形成大滑坡。

由于爆破产生的地震可以使岩体的节理张开，甚至还有可能使其附近的岩体破碎。实际上，当爆破地震波通过岩体时，给潜在破坏面上的岩体以额外的动力，促使边坡破坏。在确定边坡时必须考虑此附加外力。

为了确保边坡的稳定，在生产实践中可以采取以下措施:

（1）尽量不采用大规模的齐发爆破，因为齐发爆破将使振动波相迭加，振动大，对边坡影响更大。因此，建议采用微差爆破，特别是孔内的微差爆破。这是因为微差爆破可以减轻地震效应，又能减小对边坡岩体的龟裂程度。在进行微差爆破时，其采用的微差间歇时间为9ms、17ms、25ms、35ms，…，100ms；而矿山工程中则多采用17ms、25ms、35ms；软岩则多用100ms；究竟采用多大的间歇时间，每个矿山都必须做实验进行标定。

（2）在生产中严格控制一次起爆的炸药量

根据C.O.Brawner的经验，一般情况下，采用齐发爆破，若一次起爆的总药量为10t，距边坡50m的地方会发生破坏；采用微差爆破，若每一段起爆3个孔，药量为1t，距边坡18m处也将发生破坏。

（3）垂直炮孔爆破时，将有很大一部分爆破能指向岩体内部，因而破坏了下一台阶的岩体和本台阶的边坡（这些都是要保护的）。倾斜炮孔则改变了这一状况，减少了对边坡和下台阶岩体的破坏。从岩石力学的观点看，在模型试验中，钻孔的最好倾角为45°，但采矿工程人员反对打这样小或更小的倾角，这是由于炸药的能力有很大一部分消耗在把被破坏岩体的举高上。因此，比较合理的炮孔倾角为70°～80°。

（4）选择合理的爆破方法。比如，尽可能不采用抛掷爆破或少采用，即使采用抛掷爆破，其爆破指向可以是向下指向采场内部，或采用水平指向采场。在选择爆破作用指数时，可以选择较小一些的值。在生产中多采用松动爆破，这样能使爆堆比较集中，同时又可以减少对边坡的破坏。

（5）要大力推广控制爆破技术，如子裂爆破、缓冲爆破、光面爆破等。判定光面爆破效果，可观察壁上是否半数孔留有半个孔壁，如果没有，则认为是多用了药量。在采用控制爆破时，其余裂孔都应1s内爆完。振动时间愈长，影响也愈大。如延续时间为20s，爆破振动则成了地震。

（6）无论采用哪一种爆破方法，都要对炮孔的起爆顺序予以极大的重视。

六、影响边坡稳定的其他因素

边坡稳定性的影响因素很复杂，除了以上几种主要因素外，还有以下一些因素必须考虑。

图8-5　尾矿库对边坡的影响

（一）边坡上部构筑物的影响

在边坡上部建筑水库、尾矿库、车间、选矿厂等构筑物，会增加边坡岩体的下滑力，引起边坡下滑位移。同时，边坡岩体发生滑动，也影响到上部构筑物的安全。如图8-5所示，建在边坡上部的尾矿库不仅增加了边坡岩体的下滑力，而且还提高了边坡岩体的地下水位线，从而降低了边坡的稳定性，如边坡发生滑坡，破坏了尾矿坝，则又造成“跑砂”事故。因此，边坡上部的构筑物应建在边坡岩体位移影响范围以外的安全地点，否则需采取特殊的加固措施，以保证边坡稳定和建筑的安全。

（二）人为因素的影响

有些矿山人为破坏边坡合理状态，开采中不坚持“采剥并举、剥离先行”的原则，不保持合理的边坡角及“自上而下”的开采顺序，而采用挖坡脚、放振动炮震落上部岩体或在坡面下部矿体掏挖等严重违章的方法开采，破坏了岩体的稳定性，造成坍塌事故。

（三）风化作用及其影响

风化作用是指风吹日晒、雨水冲刷、生物破坏、温度变化等对边坡岩体的破坏作用，它能造成岩体原生结构面和构造结构面的规模增大、条件恶化，并可产生风化裂隙等次生结构面。长时间的风化作用还会使岩石自身强度降低，尤其对一些抗风化性能较差的软岩，降低得更多。因此，长时间的风化作用势必对边坡稳定性产生不利影响。风化作用是随着开采深度增加而逐渐衰减的:一般靠近地表为极剧烈风化的残积土，向下为剧烈风化带、强风化带、弱风化带、微风化带，再往下即为未风化岩体。每个带内的岩石则具有各自的特点及不同的工程地质性质，在地表面形成了风化壳。边坡岩体从上至下的分带性也符合上述规律。

岩石的风化速度和风化程度与边坡稳定性密切相关。岩石的风化受本身的成分、结构构造和后期蚀变及构造作用等影响。通常强度较弱的和破碎的岩石风化速度较快，大气湿度、温度、降雨量、地下水和爆破振动等作用也会加快风化速度。如同样的岩性，在寒带地区的风化速度比热带地区要缓慢一些；温差大、降雨多的地区，岩石风化速度会加快。开采年限长的矿区风化破坏程度比年限短的严重。在同一个露天矿，同样岩性，则上部边坡比深部边坡风化程度要大。我国东北和西北高原的严寒地区，以及南方的酷热、多雨地带，岩石风化破坏作用较为强烈。在冻土地带，要注意岩体开挖后因风化作用引起冻土融化而造成的滑坡。