露天矿边坡稳定性分析及安全对策

刘万山¹  杨天鸿²

(1.河钢矿业庙沟铁矿，河北 秦皇岛 066501；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

摘要  保证露天矿边坡安全是露天矿安全管理重要内容之一，一旦边坡失稳，会造成边坡塌落、滑坡和倾倒，对人员和设备安全构成极大威胁，大面积边坡破坏会造成采矿停产等一系列安全事件发生，为杜绝边坡事故发生，有必要对露天采场边坡稳定性进行分析；通过运用岩体力学稳定性分析方法，运用计算机编程软件对采场边坡进行稳定性计算，确定需要治理的危险区段，提出进行位移和水位监测、疏干排水等措施，对边坡进行治理，实现露天矿边坡安全稳定。

关键词  露天矿边坡   稳定性分析   位移和水位监测   疏干排水

Analysis of slope stability and safety countermeasures in open pit mine

Liuwanshan ¹    Yangtianhong ²

(1. Hegang Mining Miaogou Iron Mine, Hebei Qinhuangdao 066501; 2. Northeastern University School of Resources and Civil Engineering, Shenyang, Liaoning 110819)

Abstract   ensuring the safety of open-pit mine slope is one of the important contents of open-pit mine safety management. Once the slope is unstable, it will cause slope collapse, landslide and dumping, which will pose a great threat to the safety of people and equipment. The destruction of a large area of slope will cause a series of safety events such as mining suspension. In order to prevent slope accidents, it is necessary to analyze the slope stability of open pit; By using rock mechanics stability analysis method, computer programming software is used to calculate the stability of the slope of mining field, to determine the dangerous areas that need to be treated, and to put forward measures such as displacement and water level monitoring, dry drainage, etc., to manage the slope and achieve open mine slope safety and stability.

Keywords  open-pit mine slope  Stability analysis  Displacement and water level monitoring   Drain drainage

庙沟铁矿是一座现代化采选联合企业，矿山采用露天开采， 1987年开始一期建设，1989年建成投产；1993年开始二期扩建，1994年建成投产，矿山生产能力由一期年产铁矿石22万t提高到122万t；2008年开始选矿扩能改造，铁矿石生产能力进一步，达到年处理铁矿石256万t；2012年实施采场扩帮工程，最大限度回收露天采场铁矿石资源，提高资源利用率，延长矿山服务年限，为露天向地下开采过渡提供更长的缓冲期。

庙沟铁矿露天采场自1987年建矿以来，历经32年开采，形成高陡边坡最高达321m，每年雨季，边坡由于受到雨水冲刷和浸泡，边坡滚石和不同规模的滑坡时有发生；现露天资源已近枯竭，露天转地下开采前期工作已经展开，为实现露天矿末期安全生产和向地下开采平稳过渡，有必要对露天采场边坡稳定性进行系统分析，有针对性对露天采场边坡进行治理，并对重点部位进行深孔水位和位移监测，降低爆破震动对边坡的影响，实现治理与预警的联动机制，最大限度保证边坡稳定和人员、设备安全。

1   边坡稳定性分析

1.1   工程、水文地质

区内地层总体为一单斜构造，岩层走向北北东～北东，2线以南倾向西，2线以北倾向东，倾角70°～84°，局部直立。岩性主要为角闪变粒岩、黑云母变粒岩、云母片岩、斜长角闪岩、混合岩，岩石硬度系数f=10～12。风化层厚度3m～7m，自然地形坡度30°～50°。矿体顶底板围岩主要为角闪变粒岩、变质闪长岩、云母片岩，围岩坚硬、抗风化侵蚀较强，裂隙不发育，稳固性较好。

矿区内断裂构造不甚发育，主要有二条断层，即F1、F2。F1断层：为一正断层。位于7～9线之间，长131m，规模较小，断距不大，水平断距10m左右，断层走向近东西，倾向南，倾角88°。F2断层：为一正断层。位于2～8线之间，长519m，走向30°～45°，倾向南东，倾角84°左右。在4～8线间切断矿体，并有较大的位移，水平断距150m，垂直断距100～110m。F2断层破碎带宽2-9m，主要由破碎岩，构造角砾岩和摩岩构成，以硅质胶结为主。局部裂隙发育，具有一定透水性，但富水不均匀。F2断层均对矿体稳定性有一定的破坏作用。

区内岩石主要有变质岩和岩浆岩两大类，岩浆岩主要为响山花岗岩和火山凝灰岩，分布于矿区西南部。该类岩石风化裂隙不发育，风化带深度一般不大于10m。变质岩风化强烈，裂隙发育，风化深度20-50m。

岩体静止水位平均标高为506.06m，与81年测得的承压水标高587.60m相差81.54m。说明伴随矿山开采逐渐加深，区内水文地质条件发生了较大变化。水压力逐渐变小，水位明显下降。

分析上述边坡工程地质、水文地质条件，需要查清部分边坡岩体工程地质特征：（1）变质岩风化带的位置和深度，（2）确定边坡岩体的剪切强度指标（凝聚力和摩擦角）。

1.2  稳定性分析结果

经过对矿区边帮的地质勘查分析、现场点荷载试验、边坡风化破碎带测试、边坡结构面调查、岩体质量评价、边坡岩体强度参数分析及稳定性计算得出如下其结果如下：

（1）东帮和南帮边坡扩帮后稳定性较好；（2）西帮南区（4线以南）边坡是该矿最高最陡的区段，岩体成块状结构，松动崩塌形成的落石较多，尤其在F2断层带附近岩体破碎，存在局部楔形危岩体滑落的可能。稳定性计算表明，扩帮后当前水位条件下安全系数能够达到规范要求，饱水边坡条件下处于极限稳定状态；（3）西帮北区（4线以北）边坡岩性为风化程度剧烈的变质岩，存在阳起石片理化带，表面风化成散体结构，发生过局部片帮滑坡。稳定性计算表明，扩帮后当前水位条件下安全系数能够达到规范要求，饱水边坡条件下处于极限稳定状态；（4）对于西帮北区和南区，扩帮加陡实施过程中，需要对于潜在危险区段采取必要的监测措施和疏干降水方案，各区域位置如图1所示。

图1  矿山岩性分区示意

2.  边坡深孔位移和水深监测

根据边坡稳定性分析结论，确定在西帮北区和南区安全平台置深孔进行位移和水深监测。

2.1  边坡深孔位移监测方法及原理

测试采用固定式测斜仪测量边坡内部水平位移，如图2所示。固定式是将测斜仪探头固定在土体内部某要测位移点的位置，用传输信号电缆引出边坡坡面进行观测。固定式测斜仪可多支串联组装，亦可布设为一个测量单元独立工作，并可回收重复使用。监测数据频率大，自动化程度高。当岩土体内发生位移时，测斜管随土体同步位移，通过逐点测量测斜管内测斜探头轴线与铅垂线之间倾角，可计算各点偏离垂线的水平偏差：

式中：L _i为第ｉ量测段的长度，通常取为0.5m、1.0m等整数，单位（mm）；

   为第ｉ量测段的倾角值，单位（°）。

图2  测斜仪量测原理  

2.2   边坡地下水位监测方法及原理

测试采用采用压力式水位计测量边坡内部地下水，如图3所示。压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位计。

图3  地下水位监测系统示意及实物

当传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力的同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的P0，使传感器测得压力为：ρ.g.H，通过测取压力P，可以得到液位深度。

其公式为：P=ρ.g.H+ P0

式中：

P-变送器迎液面所受压力；

ρ-被测液体密度；

g-当地重力加速度；

P₀-液面上大气压；

H-传感器投入液体的深度。

2.3  监测系统设计

本次深孔位移及地下水位监测系统由固定式测斜仪、压力式水位计、内置数据传输模块、GPRS数据采集网关、太阳能供电、避雷系统、安装杆及支架构成，监测数据通过移动或联通网络实时发送给云服务器，从而实现系统自动采集、传输、存储监测数据的功能，并通过云平台软件的实时在线处理分析监测数据，一旦监控参数超限，系统能够进行短信报警、邮件报警等，提醒相关人员，预防事故发生。企业各级安全管理职能部门可以通过网络（B/S 架构）实现对各项在线监测参数的查看。

2.4  监测方案

2.4.1 测点位置确定

西帮0线及8线附近，在饱水条件下存在浅部风化带失稳的可能性。其中4～8线之间的现状非工作帮边坡高度介于200～500m之间，属于高边坡，岩体呈块状结构，松动崩塌形成的落石较多，尤其在F2断层带附近岩体破碎，存在局部楔形危岩体滑落的可能，同时4~8线南侧100m有河流汇集，结合现场实际，选取4~6线中间5W-5E勘探线在564平台上进行深孔位移及地下水位监测。

深孔位移监测与地下水位监测共用一孔，每个监测钻孔孔径100mm；设计深度30m；实际施工深度：31.5m（考虑到提钻的塌孔会对实际钻孔深度产生影响，钻孔深度按照设计的1.05倍进行钻孔）；每个孔内安装3个固定测斜仪和1个压力式水位计，边坡监测平面布置见图4，具体坐标位置见表1。

图4  边坡深孔位移与地下水位监测平面布置（图中G和F点）

表1  边坡深孔位移及地下水位监测孔分布

2.4.2监测报警指标

监测报警指标一般以累积变化量和变化速率两个指标控制，累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限值。根据现行国家标准《建筑基坑工程监测技术规范》 (GB50497-2009)中表2规定的基坑及支护结构监测报警值拟定本工程项目报警值。

表2  本项目边坡监测报警值

当深孔位移监测数据异常时，应分析其原因，必要时进行复测；当深孔位移监测数据达到报警值时，在分析原因的同时，应预测其变化趋势，并加大监测频率，必要时加大其附近位移的地表位移人工测量的频率。

3  边坡疏干排水

对一般滑坡来讲，地下水常是诱发滑坡的重要因素，而地下水的存在往往亦是形成滑坡的主要条件，所以疏干滑坡体内以及截断和引出滑坡面附近的地下水，常常是整治滑坡的根本措施，显得十分必要。排水工程是整治滑坡中一项极其重要的内容，一切滑坡地区的防治措施，都必须修建排除地表水的工程和排出地下水的工程。

庙沟铁矿西帮边坡岩体内部存在稳定的地下裂隙水，现场测试确定水位埋深10m左右，而该处岩体风化裂隙带厚度15m左右，可见地下水不但在潜在的滑动面（带）之上形成水压作用，而且侵蚀降低潜在滑面（带）岩土强度指标，促使和加剧滑坡形成和滑动。稳定性分析结果表明，扩帮加陡后，按照当前水位工况计算安全系数基本达到规范设计要求，但当边坡处于饱水工况时，则处于极限稳定状态。为确保扩帮过程中的边坡稳定，应合理采用疏干、排引等排水措施。

 平孔排水施工安全，操作方便，钻一个孔只需2～3天，与开挖渗沟相比较，可大量节省挖方和支撑木材，是疏导滑坡内地下水的良好办法。目前国内使用的有直径φ50~φ400mm，孔内设φ30~φ380mm滤水套管，本次排水使用直径φ100mm，孔内设φ80mm滤水套管，以防孔壁坍塌堵死和有利于泄水。插入孔内滤水管可用镀锌钢管、硬质韧性的塑料管或竹管。除管底部分作流水槽外，上部约3／4范围，均钻φ0.5～1.0cm的孔眼以利排水，孔眼间距5cm，呈梅花状排列。为防止孔眼被堵塞，管周应填以砂砾石，其颗粒直径级配视含水层岩土颗粒大小和孔眼大小而定。

据此，分别在西帮0-10线之间516m及564m水平布设水平排水钻孔（如图5）。在516m及564m水平坡脚向边坡岩体内部施工直径100mm的钻孔，孔深50m，向上有5度的仰角，每个位置施工3个孔，成夹角30度伞形分布；0-2线钻孔布设间距50m， 4-6线钻孔布设间距100m；8-10线钻孔布设间距50m。（如图6、7）。

平孔施工完成后在孔内安装带有网眼的聚氯乙烯集水管，疏干边坡体内部的裂隙水，汇集到排水沟内，再由水泵排至坑外。各孔具体位置见表3所示。

图5  水平疏干钻孔排水

图6  疏干排水钻孔布置平面

a）西帮0~2线564及516m台阶钻孔布置     b）西帮8~10线564及516m台阶钻孔布置

C）西帮4~6线564及516m台阶钻孔布置

图7  疏干排水钻孔布置剖面

表3  西帮边坡疏干排水孔的分布

剖面	孔号	孔口坐标			孔径mm	孔深m×个数
		X	Y	Z
0W-0E	1	20704507	4451709	564	φ100mm	50 ×3
	2	20704555	4451701	516	φ100mm	50 ×3
0-2W-0-2E	3	20704485	4451667	564	φ100mm	50 ×3
	4	20704534	4451658	516	φ100mm	50 ×3
2W-2E	5	20704471	4451618	564	φ100mm	50 ×3
	6	20704521	4451609	516	φ100mm	50 ×3
4W-4E	7	20704471	4451521	564	φ100mm	50 ×3
	8	20704514	4451514	516	φ100mm	50 ×3
6W-6E	9	20704476	4451418	564	φ100mm	50 ×3
	10	20704523	4451410	516	φ100mm	50 ×3
8W-8E	11	20704491	4451315	564	φ100mm	50 ×3
	12	20704532	4451308	516	φ100mm	50 ×3
8-10W-8-10E	13	20704488	4451268	564	φ100mm	50 ×3
	14	20704535	4451260	516	φ100mm	50 ×3
10W-10E	15	20704484	4451215	564	φ100mm	50 ×3
	16	20704531	4451207	516	φ100mm	50 ×3
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