秦定明

(重鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

重鋼西昌太和鐵礦為攀西地區(qū)一特大型晚期巖漿分異型釩鈦磁鐵礦礦床，礦區(qū)現(xiàn)狀標(biāo)高1500～2200 m，整個(gè)礦區(qū)地形西高東低，北、西、南三面為高山環(huán)抱，東面敞開，礦巖體上部為厚大的第四系、第三系沉積物所覆蓋，尤其是采場(chǎng)西部和東南部表土層厚達(dá)200～300 m，主要為冰磧土、亞黏土、礫石、漂石等組成，力學(xué)強(qiáng)度低，極不穩(wěn)定，經(jīng)雨水的沖刷和風(fēng)化，采場(chǎng)邊坡極易垮塌。在實(shí)施300萬(wàn)t/a采礦擴(kuò)建工程項(xiàng)目過程中，南、北、西部及東部邊坡都發(fā)生了多處邊坡滑坡和失穩(wěn)，影響了礦山的正常生產(chǎn)。其中2014年8月，采場(chǎng)南17線1760～1795 m冰磧土邊坡出現(xiàn)滑坡，達(dá)到10萬(wàn)m3以上;2015年3月，南采場(chǎng)13勘探線1674～1734 m冰磧土邊坡出現(xiàn)滑坡，達(dá)30萬(wàn)m3以上。

針對(duì)太和鐵礦冰磧土厚，形成采場(chǎng)冰磧土臺(tái)階高，及現(xiàn)有采場(chǎng)內(nèi)南、北、西三面冰磧土剩余覆蓋量達(dá)到7000多萬(wàn)t的現(xiàn)狀，急需進(jìn)行冰磧土邊坡穩(wěn)定性研究，以防止邊坡滑坡事故發(fā)生，確保采場(chǎng)生產(chǎn)安全。

1 冰磧土邊坡現(xiàn)狀及特性

1.1 邊坡現(xiàn)狀

目前采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)按3個(gè)一組設(shè)置，每隔兩個(gè)安全平臺(tái)設(shè)置一個(gè)清掃平臺(tái)，平臺(tái)寬度冰磧土中按6∶6∶10(m)設(shè)置，階段坡面角 40°，礦巖中按4∶4∶10(m)設(shè)置，階段坡面角為 65°，邊幫上運(yùn)輸平臺(tái)寬度14 m。按照平臺(tái)寬度和階段坡面角參數(shù)，設(shè)計(jì)露天采場(chǎng)最終邊坡角:在冰磧土中為28°～31°，在礦巖中為44°～47°，西北部地質(zhì)構(gòu)造影響部分為 44°。

(1)東部邊坡。邊坡自上而下為第四系松散卵礫石層［1］，該層冰磧土厚度約20 m，粉砂質(zhì)頁(yè)巖厚度40～50 m，砂礫石層堆積厚度65 m，最下部為堅(jiān)硬的輝長(zhǎng)巖體，厚度為80 m。整個(gè)東部以粉砂質(zhì)頁(yè)巖的穩(wěn)定性最差，尤其在雨季，易于發(fā)生滑坡。

(2)西部邊坡。表層為第四系松散冰磧土層覆蓋，冰磧土堆積厚度最大為190 m，力學(xué)強(qiáng)度很低，是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，在地下水活動(dòng)的情況下，將會(huì)產(chǎn)生坍塌、滑坡等。

(3)南部邊坡。表層也為厚大的冰磧土層覆蓋，穩(wěn)定性較差，截至目前已發(fā)生兩次滑坡事故，其邊坡傾向與巖層傾向相反，厚達(dá)200 m以上。

(4)北部邊坡。上部第四系松散冰磧層在100 m以上，與冰磧土接觸的巖層為輝長(zhǎng)巖體，該層由于受構(gòu)造、風(fēng)化的作用影響，造成巖石破碎，裂隙發(fā)育，對(duì)北部邊坡的穩(wěn)定性存在較大的影響。

同時(shí)礦區(qū)出露有昔格達(dá)組巖層，主要由黏土巖、粉砂巖，礫巖、砂礫巖等構(gòu)成，厚薄不均，與太和輝長(zhǎng)巖體和小壩組均呈不整合接觸。當(dāng)昔格達(dá)組巖層與冰磧土層在一起時(shí)，極易構(gòu)成不穩(wěn)定邊坡，造成邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)。

1.2 冰磧土的結(jié)構(gòu)特性

冰磧土是通過冰川的刨蝕、搬運(yùn)和沉積作用而形成的一種沉積土［2］。主要由黏質(zhì)土和礫石構(gòu)成，其中以黏質(zhì)土為基礎(chǔ)，包裹在里面的礫石為充填物，礫石大小不一，其粒徑分布為2～1500 mm皆可發(fā)現(xiàn)，最大的達(dá)到3 m以上。礫石含量5% ～56%，其變化較大，在冰磧土中礫石分布相對(duì)隨機(jī)。冰磧土在沉積形成過程中，由于受到環(huán)境的制約，局部礫石含量可能相對(duì)集中，呈“聚團(tuán)”狀產(chǎn)出，或者黏質(zhì)土相對(duì)集中，形成黏質(zhì)土夾礫的透鏡體，疑視成層，顯示組成多變的特性。冰磧土的膠結(jié)狀態(tài)也非常不均勻，多為一般性膠結(jié)，亦有較強(qiáng)膠結(jié)和疏散狀，而礫石與黏土間的膠結(jié)程度取決于含水量和所處部位，且膠結(jié)緊密強(qiáng)度一般較弱。特別是裸露在坡面的冰磧土，受暴雨沖刷、日久風(fēng)化作用和爆破振動(dòng)影響，失去黏結(jié)能力;采場(chǎng)內(nèi)形成的冰磧土邊坡在雨季時(shí)，容易垮塌，易出現(xiàn)邊坡滑坡破壞。受冰磧土膠結(jié)影響，不爆破時(shí)難以挖掘，無(wú)法組織生產(chǎn)，對(duì)礦山生產(chǎn)非常不利。其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 冰磧土、頁(yè)巖物理力學(xué)參數(shù)

由于冰磧土結(jié)構(gòu)的不均勻性，通過現(xiàn)有方法很難制備有代表性試樣和取得可靠的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院對(duì)冰磧土邊坡穩(wěn)定性分析和冰磧土的三軸數(shù)值模擬試驗(yàn):冰磧土受力特性比較明顯［3］。由于冰磧土與礫石強(qiáng)度特性差異巨大，冰磧土承擔(dān)絕大多數(shù)變形，直至發(fā)生屈服，而礫石由于強(qiáng)度很高，在擠壓受力變形中，只是作為傳遞外力給冰磧土體，在受壓變形中，迫使礫石發(fā)生位置偏移，造成礫石與冰磧土繼續(xù)相互擠壓、咬合，重新組合;同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，冰磧土中礫石的分布對(duì)其變形和破壞形式存在巨大的影響。

2 冰磧土邊坡滑坡分析

2.1 滑坡形成

在露天開采過程中，開挖形成的高邊坡破壞了原巖的應(yīng)力平衡，造成應(yīng)力場(chǎng)重新分布，在應(yīng)力場(chǎng)逐步調(diào)整平衡的過程中，采場(chǎng)形成的邊坡會(huì)以不同的破壞形式達(dá)到應(yīng)力平衡［4］，對(duì)冰磧土而言，主要的破壞形式以垮塌、滑坡為主。

滑坡一般是指邊坡上的巖土體沿某一軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移。該軟弱結(jié)構(gòu)面主要是由各種不穩(wěn)定的軟巖夾層和遇水易于膨脹的軟巖面形成，在遇水和風(fēng)化及外力開挖作用下產(chǎn)生大面積滑移崩落。

從太和鐵礦近幾年的冰磧土邊坡滑坡出現(xiàn)的各臺(tái)階破壞情況來(lái)看，系冰磧土土體無(wú)力承受擠壓塑性變形的結(jié)果，滑弧線并不深，集中在基巖上部，主要表現(xiàn)為圓弧型滑坡［5］。圓弧型滑坡常見于土質(zhì)滑坡，其滑動(dòng)面為弧形，當(dāng)巖土體邊坡出現(xiàn)散體結(jié)構(gòu)或破碎及有較多泥質(zhì)及其他碎屑物質(zhì)充填，并無(wú)緊密結(jié)合時(shí)，巖土體邊坡就會(huì)沿弧形破壞面發(fā)生滑動(dòng)。圓弧型滑坡一般要經(jīng)過3個(gè)階段，首先是坡角蠕動(dòng)變形，其次是滑坡后緣張裂擴(kuò)張，最后是滑坡中部滑床斷裂貫通。圓弧型滑坡第一階段發(fā)展緩慢，二、三階段發(fā)展加速，與太和鐵礦采場(chǎng)冰磧土變形破壞表現(xiàn)情況完全一致。

造成冰磧土邊坡易于變形破壞的根本原因在于其自身抗剪強(qiáng)度的高變異特性［1］。從太和鐵礦冰磧土三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析其邊坡的穩(wěn)定性，出現(xiàn)均值安全系數(shù)和破壞概率“雙高”的現(xiàn)象。其變形和位移矢量分析表明:冰磧土邊坡主要以淺表層剪切破壞為主，邊坡均值安全系數(shù)較高，但另一方面，由于參數(shù)選擇不確定性大，造成邊坡破壞的概率也較高，甚至達(dá)到不可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平。

2.2 滑坡原因分析

露天礦山邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)一般取1.1～1.3。從礦山經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，邊坡穩(wěn)定性的影響因素主要有［6］:巖土體邊坡的力學(xué)性質(zhì)，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度，是否有節(jié)理，滑面及斷層有無(wú)交錯(cuò);地面降雨的大小和地下水發(fā)育情況;殘余構(gòu)造壓力的影響程度;邊坡設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，爆破控制是否到位;采場(chǎng)開挖后幾何形態(tài)的改變，風(fēng)化作用等。

2.2.1 地質(zhì)因素

太和鐵礦礦床上部第四系、第三系冰磧層厚度最大200～300 m，目前采場(chǎng)內(nèi)南、北、西三面形成的冰磧土臺(tái)階邊坡已高達(dá)200 m以上，力學(xué)強(qiáng)度很低。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，內(nèi)摩擦角最小為14°38'，粒度變化大，亞黏土、礫石、漂石均有，此層是影響露天邊坡穩(wěn)定性的主要因素。特別是在雨季，在地表水和地下水的共同作用下，存在產(chǎn)生滑坡等工程地質(zhì)隱患。

(1)從采場(chǎng)各臺(tái)階的冰磧土邊坡出露情況看，出現(xiàn)滑坡的顯著特征是礫石漂石含量較少，同時(shí)含粉質(zhì)土量較大，其中部分滑坡體處于昔格達(dá)組層中。

(2)從冰磧土邊坡滑坡事故分析可知，一般失穩(wěn)邊坡都是沿著一個(gè)或多個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的組合邊界發(fā)生剪切崩落滑移，特別是對(duì)于邊坡出現(xiàn)的粉砂巖頁(yè)巖(此層產(chǎn)狀近于水平，層理極為發(fā)育，沿其層理方向，極易剝離呈1～3 mm的薄片，遇水極易崩解，當(dāng)水動(dòng)力條件變化時(shí)，將會(huì)發(fā)生潛流)，特別是在第三系砂礫石承壓含水層疏干過程中，其接觸面附近更為顯著。由于粉砂質(zhì)頁(yè)巖被掏出，影響邊坡穩(wěn)定性，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的坍塌、滑坡等工程地質(zhì)問題，此層為其邊坡最軟弱夾層。

(3)受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力影響。構(gòu)造應(yīng)力由于長(zhǎng)期存在于冰磧土邊坡中，并沒有因時(shí)間的推移而消失，且其應(yīng)力為巖土體自重的許多倍，成為影響冰磧土邊坡穩(wěn)定性重要因素之一。從采場(chǎng)南滑坡體臺(tái)階剖面圖來(lái)分析，其邊坡傾向與巖層傾向相同，屬順向邊坡，當(dāng)1662 m水平前面出現(xiàn)臨空時(shí)，因前端壓足重量減輕，增加了巖土塊體的下滑力，同時(shí)降低了強(qiáng)度，容易出現(xiàn)滑坡。

(4)從選取開挖形成的南部冰磧土邊坡來(lái)看，礦山邊坡境界線出露是西高東低，自然地形也是西高東低，在東西向的巖土交接帶易出現(xiàn)粉砂層頁(yè)巖和昔格達(dá)組層，另外東側(cè)地形相對(duì)平緩，膠結(jié)狀態(tài)較為疏松，力學(xué)性質(zhì)較差。

因此當(dāng)邊坡出現(xiàn)冰磧土和粉砂巖(頁(yè)巖)、昔格達(dá)組層接觸帶時(shí)，極易出現(xiàn)大型滑坡現(xiàn)象。

2.2.2 降雨和地下水影響

西昌太和鐵礦屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，降雨多集中在5—10月，年最大降雨量達(dá)1349 mm，歷年平均為1021 mm。采場(chǎng)內(nèi)地下水分為兩種類型:第四系覆蓋層中的孔隙潛水和西部基巖中的裂隙承壓水，孔隙潛水受大氣降水補(bǔ)給，承壓水受大氣降水及潛水補(bǔ)給，地下水由西向東徑流。

由于雨季降雨和存在構(gòu)造裂隙水及第四系冰磧表土孔隙水，加之采場(chǎng)處于分期開采過程中，采場(chǎng)周邊并無(wú)完善的排水系統(tǒng)，存在部分地表水滲入，影響到冰磧土邊坡的穩(wěn)定性。

太和鐵礦礦區(qū)由于經(jīng)受了長(zhǎng)期的地質(zhì)作用和構(gòu)造變動(dòng)，礦山已經(jīng)經(jīng)歷多年的生產(chǎn)建設(shè)，出露的斷層破碎帶、層間擠壓帶及輝綠巖脈等都極易風(fēng)化。加上西昌地區(qū)氣候風(fēng)蝕明顯，加劇了物理風(fēng)化作用，同時(shí)伴隨著地表水化學(xué)風(fēng)化，使得巖土體易形成力學(xué)性質(zhì)不良的風(fēng)化夾層，也導(dǎo)致了冰磧土邊坡的不穩(wěn)定性。

2.2.3 生產(chǎn)組織的影響

目前采場(chǎng)開挖后形成的冰磧土臺(tái)階高度為100～200 m，隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，臺(tái)階整體高度還將進(jìn)一步提高，另外礦山產(chǎn)能一直處于擴(kuò)張期，采區(qū)采用分期開采，使冰磧土邊坡處于動(dòng)態(tài)變化中，非最終穩(wěn)定邊坡，造成對(duì)冰磧土邊坡的安全管理重視不夠。

由于實(shí)行的是分期開采，盡管臺(tái)階總體邊坡角基本上控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但受挖掘設(shè)備和操作影響，單臺(tái)階坡面角大都在60°左右(設(shè)計(jì)土體臺(tái)階坡面角為40°)，超挖坡底現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至還有傘檐出現(xiàn)，造成邊坡開挖前期是穩(wěn)定的，臺(tái)階形成幾年后，坡頂和坡足線均出現(xiàn)鋸齒狀，邊坡垮塌和礫石滾落現(xiàn)象。各安全、清掃平臺(tái)不平整，平臺(tái)上滾石、塌落的土體未作清理，邊坡整體發(fā)生變化，形成不穩(wěn)定邊坡。

2.2.4 爆破的影響

巖土體在爆破的瞬間，受到爆轟波的沖擊作用，當(dāng)壓縮波到達(dá)邊坡自由面后，開始產(chǎn)生拉伸波，使巖土體受到拉伸作用，原裂隙張開、擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂隙，導(dǎo)致巖土體發(fā)生變形或遭到破壞。如邊坡已經(jīng)出現(xiàn)變形，爆破將使變形破壞加速，爆破在邊坡巖土體中造成的松動(dòng)層厚一般在10～15 m［7］。

太和鐵礦采用深孔爆破作業(yè)，冰磧土穿孔深度為12～13 m，孔徑為200～250 mm，延米藥量和同一段起爆裝藥量大，爆破時(shí)爆轟波在冰漬土內(nèi)衰減慢，傳播距離較遠(yuǎn)，同時(shí)爆破作業(yè)頻繁，對(duì)冰磧土邊坡穩(wěn)定性的造成一定危害。

2.2.5 設(shè)計(jì)因素

采場(chǎng)邊坡設(shè)計(jì)主要參照類似礦山。在邊坡角的選擇和邊坡參數(shù)的選取方面技術(shù)支撐不夠，僅僅按礦巖、土體分兩大類，未充分利用已有地質(zhì)勘探成果及邊坡研究資料進(jìn)行細(xì)分計(jì)算，特別是對(duì)太和鐵礦采場(chǎng)存在的巖土交接帶邊坡如何過渡，粉砂頁(yè)巖、昔格達(dá)組層等軟弱帶處理沒作任何說(shuō)明。采場(chǎng)作分期開采設(shè)計(jì)時(shí)，人為對(duì)采場(chǎng)劃分分期，未考慮分期區(qū)域的工程地質(zhì)條件，造成對(duì)邊坡角的選擇和邊坡參數(shù)的選取設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械，與采場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)條件有沖突。

2.2.6 監(jiān)測(cè)和防控措施因數(shù)

冰磧土邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善，目前有效的監(jiān)測(cè)和防控措施主要還以人在現(xiàn)場(chǎng)檢查為主，利用精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x等定期測(cè)定測(cè)站和覘標(biāo)，對(duì)冰磧土層邊坡而言，不能完全反應(yīng)邊坡實(shí)際狀況(冰磧土邊坡遇水和風(fēng)化及爆破震動(dòng)后極易發(fā)生階段臺(tái)階滑坡，但是整體來(lái)看，邊坡又是穩(wěn)定的)。因此造成目前邊坡監(jiān)測(cè)防控還是以事后為主，事前預(yù)防較為單一。

3 滑坡預(yù)防和治理

針對(duì)采場(chǎng)冰磧土邊坡出現(xiàn)的滑坡問題，削坡減壓進(jìn)行邊坡減重，是抑制滑坡體進(jìn)一步發(fā)生發(fā)展，控制邊坡失穩(wěn)體活動(dòng)最常規(guī)也是最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施。

(1)加強(qiáng)邊坡設(shè)計(jì)研究。利用已有的地質(zhì)勘探成果及邊坡研究資料進(jìn)行細(xì)分計(jì)算，特別是粉砂質(zhì)頁(yè)巖和昔格達(dá)組層等軟弱結(jié)構(gòu)面等，做好邊坡設(shè)計(jì)的研究比對(duì)工作。重視選擇參數(shù):原設(shè)計(jì)方案3個(gè)臺(tái)階平臺(tái)寬度一組為6，6，10 m，建議改為6，6，12 m或6，6，15 m，使原設(shè)計(jì)的最終邊坡角降低1°左右，冰磧土最終邊坡角為26°～29°。遇有粉砂頁(yè)質(zhì)或昔格達(dá)組軟弱層時(shí)，最終邊坡角可放寬到26°。

(2)完善采場(chǎng)內(nèi)外的截排水系統(tǒng)，將地表徑流引走，防止暴雨徑流沖刷邊坡;采場(chǎng)內(nèi)的地下水，要及時(shí)疏通，導(dǎo)流，防止淤堵;另外在暴雨前后要安排專人對(duì)采場(chǎng)內(nèi)外的截排水溝跟蹤檢查，對(duì)出現(xiàn)的損壞部位要及時(shí)修復(fù)，防止?jié)B水。

(3)重視生產(chǎn)的組織安排。太和鐵礦冰磧土層剝離采用松動(dòng)爆破，4.0～10.0 m3電鏟開挖，由于電鏟司機(jī)受視線及技術(shù)熟練程度的影響，冰磧土層邊坡的坡腳易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，影響邊坡穩(wěn)定。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需加強(qiáng)邊坡的開挖控制。同時(shí)，冰磧土層邊坡開挖后一般形成的臺(tái)階坡面角為50°～60°，與設(shè)計(jì)的約40°有差距的，建議開挖時(shí)，考慮到安全平臺(tái)寬度為6 m，邊坡測(cè)量放線時(shí)，預(yù)留平臺(tái)寬度為10～12 m，即使形成的臺(tái)階在雨季和風(fēng)化作用下，臺(tái)階邊部最終坍塌2～3 m［8］，堆積于臺(tái)階邊坡底部，也能確保安全平臺(tái)寬度在6 m左右。同時(shí)在采場(chǎng)分期開采過程中，要注意采場(chǎng)冰磧土層覆蓋量大，兼顧采場(chǎng)的生產(chǎn)組織安全，留足生產(chǎn)設(shè)備和采掘的安全作業(yè)空間。

(4)采用控制爆破技術(shù)，減少爆破對(duì)冰磧土邊坡的破壞?？刂票扑蓜?dòng)帶厚度、靠幫爆破最大段藥量(冰磧土爆破不適合采用預(yù)裂和光面爆破)等。通過控制裝藥密度，爆破孔直徑，抵抗線、孔距和填塞高度等方式，降低爆破對(duì)邊坡的破壞。目前采場(chǎng)爆破作業(yè)采用逐孔控制爆破技術(shù)，對(duì)確保邊坡穩(wěn)定起到了很好的作用［9］。建議對(duì)冰磧土邊坡開挖采用小直徑鉆孔，不超深，降低爆破松動(dòng)帶厚度，減少臨近邊坡爆破時(shí)的最大起爆藥量，使爆破作業(yè)對(duì)冰磧土邊坡的破壞降到最小。

(5)邊坡綠化和固化措施。對(duì)采場(chǎng)內(nèi)已經(jīng)開挖到設(shè)計(jì)開采境界、形成最終固定邊坡，植草或種植低矮灌木，實(shí)施固化綠化工作;對(duì)粉砂頁(yè)巖、昔格達(dá)組層等軟弱帶，采用工程措施處理，比如注漿、植筋等。

(6)繼續(xù)完善邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及早發(fā)現(xiàn)邊坡應(yīng)力、位移的變形移動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)邊坡有失穩(wěn)征兆時(shí)，要及時(shí)采取工程加固或其他治理措施。同時(shí)觀測(cè)資料用專用記錄表格記錄，根據(jù)變形發(fā)展規(guī)律，對(duì)邊坡滑動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和評(píng)判。特別是每次發(fā)生的冰磧土邊坡滑坡的監(jiān)測(cè)原始記錄要完整，相關(guān)處理方案及結(jié)果要建檔成冊(cè)備查。

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