维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月 矿业安全与环保 第３５卷第１期 露天矿边坡稳定性的安全因素分析 于庭安，戴兴国 （中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙４１００８３） 摘要：露天矿边坡稳定性是影响或困扰露天矿山，特别是深凹露天矿山的重大安全生产难题。随 着开采规模不断扩大和深度增加，边坡工程也随着增高增大，边坡的安全性与稳定性对矿山也更重要， 边坡稳定性的安全分析的重要性日益显露。因此，边坡稳定性的安全因素分析对矿山的生产具有重要 的意义，它是矿山边坡安全管理信息的来源和决策的依据。 关键词：露天矿；边坡稳定性；破坏模式；影响因素 中图分类号：ＴＤ８２４．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—４４９５（２００８）０１—０Ｃｒ７３—０４ 贯穿于生产过程的始终，开采的过程就是边坡形成 的过程，它是一动态过程。边坡从地表开始，最初只 有一个或几个台阶，最终可能形成含有数十个台阶 的高大的岩体边坡，其形成过程一般需要数年或更 长时间。边坡工程的最终形成亦标志着工程功能的 完结和废弃。 随着开采深度的不断增加，我国一些露天矿山 相继转入地下开采，形成的高陡深凹露天边坡，对采 空区围岩的破坏极易诱发坡脚失稳而发生滑坡，如 板石沟铁矿、眼前山铁矿、石人沟铁矿等。 据不完全统计，在我国露天矿山中，不稳定边坡 或具有滑坡危险的潜在不稳定的边坡占边坡总长度 的１５％一２０％，个别的高达３０％以上。 因此，弄清边坡稳定性安全因素，对保证深部开 采中的安全生产，具有重要的理论与实际意义。 ２露天矿山边坡破坏模式 有关学者经大量的研究后，提出了我国露天矿 山边坡的变形与破坏模式分类【１］：①金川模型—— 反倾边坡的倾倒破坏；②葛洲坝模型——沿水平软 １露天矿边坡特征【１。】 １）露天矿边坡一般较高，从几十米到几百米， 走向从几百米到数千米，其揭露的岩层多，边坡各部 弱层面的整体滑动；③塘岩光模型——顺层的快速 滑动；④白灰厂模型——坐落式平推滑动；⑤盐池河 分地质条件差异大，变化复杂，岩体暴露时间长、破 碎、完整性差，岩体的强度低； ２）露天矿最终边坡是由上而下逐步形成的，上 模型——滑动倒塌。各类边坡破坏的地质模型如 图ｌ一５所示。 变形破坏模式 避 部边坡服务年限长，下部边坡服务年限短，因此上下 部边坡的稳定性也不相同，具有时效性； ３）露天矿场每天频繁的穿孔、爆破作业和车辆 行走，使边坡岩体受到经常性的震动影响； ４）边坡是随着露天矿开采作业而形成的，其稳 定性不断发生变化。 边坡的类型按坡体成分可分为岩石边坡、泥土 时间 图１金川模型 变形破坏模式 边坡、沉积物边坡、构筑堆坡和尾矿坝；按几何形状 可分为倾斜边坡、内陷边坡和外鼓边坡。 露天矿边坡的主要特点是岩体开挖与边坡形成 收稿日期＂－２Ｄ０７—０５—１６；２Ｄ（Ｏ一０７—２０修回 作者简介：于庭安（１９８１一），男，广西桂林人，硕士研究 生，主要从事矿山安全技术工程方面的研究工作。Ｅ—ｍａｉｌ： ｌｉｊｉａｎｇｚｈｉｓｈｕｉ＠ｔｏｍ．ｃｏｒｎｏ 帮 时间 图２葛州坝模型 ·７３ · 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年２月 矿业安全与环保 第３５卷第１期 变形破坏模式 时问 图３塘岩光模型 变形破坏模式 白灰厂模型 变形破坏模式 时间 图５盐池河模型 ３边坡稳定性的主要影响因素 边坡既是矿山生产的安全和经济边界，又是生 产作业的对象。生产过程中的爆破、采装、运输、天 然降水及冻结、融化等影响因素的反复作用，影响和 恶化了边坡的质量状态。 ３．１地质因素 ３．１．１岩石性质与结构构造的影响 岩石是在一定的地质作用下，由各种矿物按一 定规律聚集而形成。岩石的矿物组成和结构构造对 岩石的性质起主要作用，并影响着岩石抗风化能力。 岩石矿物成分与结构构造主要影响岩石的力学 性质和强度，对岩体性质乃至边坡稳定性起重要的 作用。如抚顺西露天矿煤层下盘，沉积很厚的凝灰 岩，其含有大量蒙脱石黏土矿物，导致该矿下盘不断 发生规模巨大的边坡滑落。 ３．１．２岩体孑Ｌ隙度的影响 岩石的孑Ｌ隙度影响岩石的吸水性。随着孑Ｌ隙度 增大，岩石的强度降低、弹性模量减小，从而影响岩 ·７４· 体的抗压、抗剪、抗弯和抗拉强度。 ３．１．３岩体结构面的影响 结构面就是在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。结构面 直接影响着边坡岩体变形、破坏的发生和发展过程， 主要体现在以下几个方面： １）岩体的结构面都是弱面，较破碎，易风化，结 构面中有裂缝，抗剪强度较低； ２）孑Ｌ隙、裂隙、节理为地表水的渗入及活动提 供了良好的通道，使岩石抗剪强度进一步降低； ３）结构面影响滑体的滑动面及边缘轮廓，甚至 决定了边坡破坏的类型。 结构面的成因（原生、次生、构造）、规模、连续性 与间距、起伏度与粗糙度、结合状态和充填物都对边 坡的稳定性产生影响，尤其结构面与边坡临空面走 向关系的影响最大。典型的结构面破坏类型分为平 面滑坡、楔体滑坡、倾倒滑坡，如图６所示。 毋 （ａ）圆弧型 （ｂ）平面型 （ｃ）楔体型 （ｄ）倾倒型 图６边坡破坏结构面模型 ３．１．４地应力的影响 地应力除自重应力外，还包括地质构造的残余 应力、水应力、震动应力、温差应力等。 地应力的存在会增加边坡岩体向自由面变形， 使原有裂隙进一步扩大或造成新的卸荷裂隙，从而 降低岩石强度，增高坡底的应力，减小边坡的稳定 性。随着开采深度的增加，地应力也随着增加。 ３．２边坡结构因素 ３．２．１台阶高度和平台宽度的影响 确定台阶高度和平台宽度要考虑矿岩的埋藏条 件和力学性质，以及穿爆作业和采掘工作面的要求。 我国大中型矿山的台阶高度为８—１５ ｍ。平台宽度 不但影响边坡角的大小，也影响边坡的稳定，因此台 阶的最小宽度必须保证运输和安全的需要。 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００８年２月 矿业安全与环保 第３５卷第１期 ３．２．２边坡角与边坡高度的影响 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体面积成正比，增长量 较小。当边坡高度一定时，边坡角越大，边坡越不 稳定。 ３．２．３台阶坡面角和最终边坡角的影响 台阶坡面角的大小也与矿岩性质、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。 在一般情况下，台阶坡面角大小取决于矿岩的性质： 松软矿岩的工作台阶坡面角小于矿岩的自然安息 角，较稳定的矿岩的坡面角小于５５ｏ，坚硬稳固的矿 岩的坡面角小于７５。。 ３．３水的因素［ · 】 水能改变矿岩物理力学性质，在页岩、凝灰岩等 岩石中可作为润滑剂，并在岩体的裂隙中产生静水 压力与浮力作用。同时，岩体中的动水压力使岩体 下滑力增加２４％。一般地下水压可以降低边坡稳定 性２０％～３０％，在保持安全系数不变的情况下，降低 岩石裂隙水压可增加边坡角５ｏ～７ｏ。 ３．３．１静水压力的作用 当水存于岩石裂隙中时，对裂隙两边产生静水 压力，所产生的静水压强为ｙｗ×Ｚｗ，则总压力 为 ］ １ ． Ｖ＝－５ －ｙｗ×ｚ台 （１） 厶 式中：７ｗ为水的体积质量；Ｚｗ为裂隙充水深度。 当裂隙中的水沿坡面继续向下流动至坡脚溢出 坡面时，将产生沿此坡面的浮力，则总托力ｃ，为 １ Ｕ＝去ｙｗ×Ｚｗ×Ｌ （２） 二 式中 为裂隙内水柱到坡脚距离。 托力ｃ，和作用在边坡坡面上的正应力方向相 反，抵消了一部分正应力的作用，从而减小了沿坡面 的摩擦阻力。静水压力的作用能增大滑动力和减小 摩擦力。在地下水高于滑动面时，静水压力能使岩 体抗剪强度降低２５％～５０％。 ３．３．２动水压力的作用 １）水压力 当地下水在裂隙中流动时，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。 ２）潜蚀作用 所谓潜蚀作用就是当动水压力较大时，岩石颗 粒和岩体的可溶解成分会被地下水流带走。潜蚀作 用会破坏岩体的稳定性，使岩体内聚力和摩擦力减 小而失去平衡，产生滑坡。当地下水和结构面联系 在一起时，对边坡的稳定性威胁更大。 ３）水的软化作用 对黏土质岩体和节理裂隙发育的岩体，随着含 水量增加，其内聚力和摩擦力显著降低，抗剪强度降 低到干燥时的１／２０～１／４。当断层破裂带存有大量黏 土质填充物时，水的软化作用更明显。 在上述几种水的作用中，静水压力的作用更为 突出，因为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。此外，当水冻结后则对边坡产生膨胀作用力， 也可降低边坡稳定性。因此，降低地下水位是改善 边坡稳定性的主要方法之一。 ３．４生产因素 ３．４．１震动影响 震动对边坡的影响源主要有爆破作业和运输作 业，此外还要注意地震的影响。 爆破作业对边坡稳定性的影响：①爆破震动增 加了边坡的滑动力；②爆破作用破坏边坡岩体完整 性。爆破方法形成的边坡岩体破坏严重、表层岩石 破碎，易剥落崩塌，易受风化、水渗流等的影响，从而 降低边坡的稳定性和安全系数。 爆破振动对岩体造成的损害取决于岩体振动速 度的大小，其大小又与爆破所用的炸药量、爆破中心 至边坡的距离、岩石性质及地质条件有关。岩体振 动速度 的大小为 （３） 式中：Ｋ为爆破系数；Ｑ为炸药量；Ｒ为爆破中心至 边坡的距离； 为衰减系数。 目前通常按照等效静力来考虑爆破振动力对边 坡稳定性的影响，爆破振动等效静力Ｆ 为 Ｆｂ＝ＢｂＫｄ Ｗ （４） 式中：Ｂ 为动力系数；Ｗ为滑体质量；Ｋ 为地震 系数。 爆破作业可促发边坡滑动。在１９８１年６月１０日， 攀枝花钢铁公司石灰石矿Ｈ，滑体，在滑坡区前缘采 用硐室爆破，约５ ｈ后，岩体滑动而形成大滑坡。原因 ·７５ · 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００８年２月 矿业安全与环保 第３５卷第１期 是爆破切断了软弱层，降低了滑动面岩石的强度，致 使裂隙不断扩大而导致岩体滑动。 坡事故，减少或控制边坡破坏所产生的严重后果，可 采用以下措施： 露天矿台阶上机车、汽车的运输和挖掘机作业 等设备的震动力对露天矿整体边坡的稳定性也有影 响，有时会触发局部台阶的滑动。 ３．４．２开采顺序和推进方向的影响 １）加强地质调查。矿区地质调查是露天矿边 坡稳定性分析的基础，包括矿区岩石类型、岩体结构 面、水文地质调查、边坡滑落情况、自然边坡等。 ２）在生产上，确定合理的边坡角、坡面角、开采 顺序和推进方向，做到有计划、有条理地开采。 ３）采用削坡减压和减重压脚等边坡减重措施， 抑制滑坡体的进一步发生和发展。边坡坡体减重是 在生产过程中，开采顺序和推进方向对露天矿 边坡岩体的稳定性和整体性产生重要的影响。当采 用不合理的开采顺序，或在作业台阶底部进行掏底 开采，则边坡形成伞檐状和空洞，致使边坡失稳。 ３．５其他因素影响 ３．５．１风化作用 风化作用会使原生结构面和构造结构面的规模 增大，条件恶化，并有可能产生风化裂隙等次生结构 面。同时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，对边坡稳定则产生不利影响。 岩体开采年限、岩石本身成分、结构构造、后期 蚀变和构造作用、湿度、温度、降雨、地下水和爆破震 动等作用影响风化的速度。在同一个露天矿，同样 的岩性，上部边坡比下部边坡风化程度要大，稳定条 件也相应降低。 ３．５．２人为因素 培训制度不健全，人的素质低，对边坡稳定性的 影响因素认识不足，人为破坏边坡。如在边坡上部 堆积废石和设备，以及建造建筑物等，使边坡岩体的 滑动力加大；或从坡脚挖掘，减小抵抗滑动的阻力， 加大边坡的不稳定性，甚至导致边坡的破坏。 ３．５．３开采时间与气候的因素 在矿山开采中，开采时间与矿区气候因素是不 可忽略的重要因素。随着开采时间的延续和气候的 变化，边坡的状态相应发生变化，影响边坡岩体稳定 的因素如岩层成分与构造面、地下水、地应力、边坡 几何形状等都随着变化。 ４建议 在露天矿山的开采过程中，边坡稳定性随着开 挖作业的进行而变化。有些影响因素短期内难于准 确估计，有些因素则尚难进行定量分析。为防止边 ·７６· 控制边坡失稳体活动的有效措施。 ４）在边坡下部坡脚采用抗滑桩、锚杆（索）、挡 墙及注浆等加固支挡工程。 ５）松动爆破破坏滑面，使附近岩体的内摩擦角 增大，采用切断弱面回填法，增强岩体的整体性；同 时使地下水通过松动岩体，降低地下水位。 ６）对边坡岩体进行地下水排放疏干，降低边坡 的地下水位。采用挖沟排（截）洪、矿区地面防渗、防 水堤坝和整治河道，控制地下水的水源。 ７）在开采中合理选择爆破方法，在施工和运输 过程中采用减、防震措施，减少震动对边坡的影响。 ８）加强对边坡的状态调查与监测，建立有效的 边坡状态监测系统和边坡状态参数数据库。 ９）加强矿山的安全生产监督管理与安全教育， 加速采矿人才培养，加大矿山安全技术与管理人员 的安全培训力度，建立专门边坡维护队，建立安全规 章制度，实行安全生产责任制。 参考文献： ［１］孙玉科，等．中国露天矿边坡稳定性研究［Ｍ］．北京：中国 科学技术出版社，１９９９． ［２］邱平，张喜中．露天采石场边坡稳定因素浅析［Ｊ］．中 全科学学报，２ＯＯ６，１６（７）． ．［３］劳动部矿山安全卫生监察局．露天矿场边坡稳定检测 ［Ｍ］．北京：中国劳动出版社，１９９２． ［４］张震宇．影响露天矿边坡的定性的因素［Ｊ］．金属矿山， ２ｏ０５（增刊）． ［５］Ｅ．ＩＩ．叶米里扬诺娃（苏）．滑坡作用的基本规律［Ｍ］．重 庆：重庆出版社，１９８６． （责任编辑：卫蓉）
