李敬輝 孫光林 謝 行 蘇俊豪 郝振立(.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司南芬露天鐵礦)

南芬露天礦某平臺(tái)滑坡機(jī)理分析及防治措施

李敬輝1孫光林2,3謝 行4蘇俊豪2,3郝振立2,3
(1.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;4.本溪鋼鐵(集團(tuán))礦業(yè)有限責(zé)任公司南芬露天鐵礦)

針對(duì)南芬露天鐵礦下盤(pán)286～262平臺(tái)發(fā)生的一次典型滑坡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察，結(jié)合露天礦開(kāi)采情況，對(duì)滑坡發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了滑坡的組成和爆破、降雨、采礦等外部因素。結(jié)果表明，滑坡是多種耦合因素共同孕育,最終由采礦活動(dòng)直接誘發(fā)的。同時(shí)，為有效防治滑坡，在降低爆破震動(dòng)等方面給出了可行對(duì)策，對(duì)露天礦滑坡治理工程具有良好的借鑒意義。

露天礦 滑坡機(jī)理 預(yù)裂爆破

滑坡是一種全球性的地質(zhì)災(zāi)害，通常是指在自然或人為條件下，位于斜坡上的土體或巖體所發(fā)生的變形、破裂、向坡下運(yùn)動(dòng)及其所引起的一系列地質(zhì)現(xiàn)象。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)深受滑坡災(zāi)害的威脅，滑坡不僅會(huì)摧毀廠礦、阻斷交通，還會(huì)威脅人類(lèi)生存安全，造成經(jīng)濟(jì)損失[1]，為此，國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越重視滑坡研究，尤其是滑坡發(fā)生機(jī)理及治理對(duì)策的研究。陶志剛博士采用模糊數(shù)學(xué)的方法，分析了坡高、坡角、井工開(kāi)采、地質(zhì)構(gòu)造、滑坡體特征、降雨強(qiáng)度6種影響因子耦合作用下羅山礦區(qū)滑坡體成災(zāi)特點(diǎn)，同時(shí)得出礦山開(kāi)采直接導(dǎo)致滑坡體表面位移的結(jié)論[2]。何滿潮院士在對(duì)滑體、滑床和監(jiān)控錨索相互作用力學(xué)原理進(jìn)行詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，指出對(duì)邊坡巖體內(nèi)應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)優(yōu)于巖體位移變化的監(jiān)測(cè)，并開(kāi)發(fā)出來(lái)一套滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過(guò)在露天礦山邊坡等領(lǐng)域成功應(yīng)用[3]。

南芬露天鐵礦位于遼寧本溪市南25 km，東經(jīng)123°50′，北緯41°07′，是一座年產(chǎn)1 300萬(wàn)t的特大型現(xiàn)代化礦山。通過(guò)對(duì)南芬露天鐵礦滑坡發(fā)生機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，給出防治對(duì)策，以保障礦山開(kāi)采的安全及可持續(xù)運(yùn)行。

1 礦山概況

1.1 地形地貌條件

礦區(qū)地貌為侵蝕構(gòu)造中高山地貌，山尖部坡陡，主要山脈走向近東西，山脈最高、最低標(biāo)高分別為963，296 m。經(jīng)過(guò)十幾年的擴(kuò)幫過(guò)渡，已經(jīng)剝離大量巖石，擴(kuò)幫區(qū)的工作臺(tái)階標(biāo)高大大降低。

1.2 巖性及巖體結(jié)構(gòu)特征

礦區(qū)由黃柏裕區(qū)、鐵山區(qū)和黑貝溝區(qū)組成，包括太古界鞍山群大峪溝組、元古界遼河群、震旦系3種地層，呈半島狀，主要構(gòu)造為倒轉(zhuǎn)背斜和北北東向大斷裂。鐵礦床賦存于太古界鞍山群含鐵巖段內(nèi)，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層鐵組成，呈單斜產(chǎn)出。礦石主要由磁鐵石英巖和透閃磁鐵石英巖組成，主要金屬礦物為磁鐵礦，有少量赤鐵礦。鐵礦層下部混合花崗片麻巖分布。

1.3 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量為880 mm，歷史最大日降雨量為274 mm，雨季在7—9月，年均蒸發(fā)量為1 729 mm，濕度系數(shù)為0.5。礦區(qū)有北部廟兒溝河和南部黃柏峪河，主要有第四系孔隙潛水和基巖裂隙水含水層。

2 下盤(pán)286～262平臺(tái)滑坡

南芬露天鐵礦下盤(pán)滑體部位已經(jīng)開(kāi)采至262臺(tái)階，電鏟由南向北已經(jīng)推進(jìn)到原老滑體區(qū)域。2014年9月，下盤(pán)滑體部位286～262南部新形成的邊坡出現(xiàn)局部滑塌現(xiàn)象?；?4 m，滑塌部位底部約30 m，頂部約20 m，主要是由上部臺(tái)階坡面巖石表層破碎滑落堆積而成，屬于表層巖石風(fēng)化破碎而形成的滑坡，呈不規(guī)則扇形分布，邊界明顯，植被稀少，易于判別，滑坡附近未出現(xiàn)位移沉降?，F(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，位于286臺(tái)階邊緣的電柱正處于滑塌部位頂部，隨時(shí)都有倒塌的危險(xiǎn)。雖然電柱已經(jīng)荒廢，但考慮到給下方造成的危險(xiǎn)，應(yīng)該及時(shí)移出。286～262平臺(tái)局部滑體見(jiàn)圖1。

圖1 286～262平臺(tái)局部滑體

3 滑坡機(jī)理分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，以石英斑巖脈為主形成的弱層是本次局部滑塌的內(nèi)在因素，整個(gè)下盤(pán)滑體區(qū)域由一條石英斑巖脈貫穿(見(jiàn)圖2)。含有軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡在受到爆破震動(dòng)等因素的耦合作用下，會(huì)促使邊坡時(shí)效穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)下滑趨勢(shì)[4-5]。此處主要以石英斑巖碎屑和風(fēng)化紅礦巖、綠泥巖、3層鐵碎屑組成，局部呈碎末狀，遇水易軟化，因此，降雨侵蝕是誘發(fā)滑坡發(fā)生的一個(gè)重要外部因素[6-7]。

圖2 滑坡區(qū)域位置

地震[8]、爆破震動(dòng)和降雨滲流會(huì)導(dǎo)致露天礦邊坡巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)會(huì)使邊坡整體下滑力增大，起到附加載荷的作用，使得邊坡失穩(wěn)的可能性增大[9]。邊坡穩(wěn)定性對(duì)邊坡雨水滲透作用和振動(dòng)強(qiáng)度2種影響因子具有較強(qiáng)的敏感性[10-11]。因此，在采礦爆破擾動(dòng)、降雨和自然風(fēng)化的影響下，隨著時(shí)間的推移，勢(shì)必會(huì)誘發(fā)更多的局部滑塌。

隨著擴(kuò)幫開(kāi)采的推進(jìn)，下部臺(tái)階邊坡逐漸展露，會(huì)暴露更多的不穩(wěn)定邊坡，即在坡腳開(kāi)挖過(guò)程中，造成潛在滑體下滑力增大，喪失“擋土墻效應(yīng)”(見(jiàn)圖3)。采空引起的滑坡變形多是在特定的采礦工程和地質(zhì)構(gòu)造條件下發(fā)生的[12]，在坡角部分被挖除以后，原先作用于滑坡體的力T消失，促使滑體失去平衡，造成失穩(wěn)，這也是此次滑塌發(fā)生的關(guān)鍵原因。

根據(jù)力學(xué)平衡原理，坡角未開(kāi)挖時(shí)，滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，沿滑面下滑方向力學(xué)平衡方程為

Fn+Tcosθ-Gsinθ=0 ,

(1)

式中，F(xiàn)n為滑體所受摩擦力，kN;T為坡角開(kāi)挖部分對(duì)滑體的作用力；G為重力，kN;θ為坡角，(°)。

圖3 滑坡體坡角開(kāi)挖受力示意

當(dāng)邊坡坡底部分被開(kāi)挖，坡腳處抗滑力T與開(kāi)挖前相比會(huì)逐漸減小，最終打破滑體原始平衡狀態(tài)，下滑力大于抗滑力，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

本次滑坡是多種耦合因素共同孕育、由采礦活動(dòng)直接誘發(fā)的一次典型滑坡。

4 滑坡防治措施

為了降低爆破震動(dòng)對(duì)露天礦邊坡的破壞作用，在與爆破距離一定的情況下，應(yīng)對(duì)爆破方法、起爆方式、裝藥結(jié)構(gòu)幾方面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還應(yīng)采取一些其他的輔助措施。

4.1 預(yù)裂爆破

預(yù)裂爆破[13]是一種特殊的控制爆破，是由光面爆破發(fā)展演變而來(lái)。預(yù)裂炮孔必須先于主爆區(qū)炮孔起爆，首先形成一定寬度的貫穿裂縫(預(yù)裂縫)，將開(kāi)挖區(qū)和保留區(qū)巖體分離，從而減輕保留區(qū)的巖體在主爆孔起爆時(shí)受到的破壞和震動(dòng)，盡量保持原始穩(wěn)定性，留下光滑平整的開(kāi)挖面。

以358平臺(tái)為例，設(shè)計(jì)一系列小孔徑、相互平行、傾角46°、深17 m的炮孔(見(jiàn)圖4)，逐步調(diào)整爆破參數(shù)以便起爆后能夠形成一個(gè)完整的預(yù)裂面。這樣，預(yù)裂面可以把主爆過(guò)程中形成的應(yīng)力波反射回已經(jīng)開(kāi)挖的巖石上，并且消散過(guò)高的氣體壓力，從而確保主體爆破對(duì)預(yù)裂面后的巖體幾乎不產(chǎn)生影響。

圖4 臺(tái)階預(yù)裂爆破示意

4.2 起爆方式

孔內(nèi)微差和地表導(dǎo)爆索的起爆系統(tǒng)，該系統(tǒng)中同段爆破的孔數(shù)多，同時(shí)起爆的藥量就多，因而產(chǎn)生的爆破振速高，嚴(yán)重威脅著采場(chǎng)下幫滑坡體的穩(wěn)定性。對(duì)此在每個(gè)分區(qū)內(nèi)進(jìn)行異步分區(qū)，使組與組之間均有不同的微差間隔時(shí)間，以有效降低爆破震動(dòng)。

隨著開(kāi)采水平的不斷延深，這種爆破越來(lái)越受到爆區(qū)規(guī)模的限制，地表網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)雜，增加了施工的難度，若有某一方面的疏忽就會(huì)造成爆破失敗。于是，引進(jìn)澳瑞凱公司的導(dǎo)爆管Unidet系統(tǒng)，即孔內(nèi)微差—地表微差的起爆系統(tǒng)。該系統(tǒng)孔內(nèi)導(dǎo)爆管雷管微差時(shí)間為400 ms，地面的起爆雷管微差時(shí)間為9，17，25，42，65，100 ms。由于選用的孔內(nèi)雷管的微差時(shí)間相同，通過(guò)地表導(dǎo)爆管雷管的微差延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)炮孔間的遲發(fā)起爆。同時(shí)，從起爆到孔內(nèi)炸藥爆炸的時(shí)間大大超過(guò)地表網(wǎng)路的傳爆時(shí)間。所以，孔內(nèi)導(dǎo)爆管和地表聯(lián)接系統(tǒng)被巖石移動(dòng)切斷的可能性很小。

4.3 裝藥結(jié)構(gòu)

按照爆區(qū)礦巖可爆性，在正常布孔的基礎(chǔ)上，根據(jù)炮孔所在的位置，對(duì)無(wú)水炮孔分段裝藥，中間用巖渣或空氣間隔，下段藥量占總藥量的60%～70%，間隔長(zhǎng)度為總裝藥長(zhǎng)度的0.15～0.3倍，間隔裝藥使得單孔總藥量比原先的連續(xù)柱狀裝藥用量少，從而有利于減少同時(shí)起爆的藥量，降低爆破震動(dòng)，還有利于炮孔上部礦巖的破碎，減少大塊的產(chǎn)出。

在淺水孔中也試用了孔底間隔裝藥技術(shù)，在水深不超過(guò)1.5 m的孔中，將間隔器下到水的表面，在間隔器上部則由常用的乳化炸藥改為多孔粒狀炸藥，同時(shí)起爆藥量減少。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，在用空氣間隔器間隔時(shí)，不但單孔裝藥量有所減少，有利于降震，而且爆炸能量得到了充分利用,巖石的破碎效果得到顯著改善。

4.4 其他輔助對(duì)策

(1)為防止爆破擾動(dòng)等因素進(jìn)一步影響邊坡穩(wěn)定性，要及時(shí)清理本次滑坡區(qū)域，保障過(guò)往運(yùn)輸車(chē)輛行車(chē)安全，在清理過(guò)程中要加強(qiáng)警戒，防止未完全滑落的帽檐巖體和浮石繼續(xù)沿著坡面滾落。

(2)本次滑坡發(fā)生的內(nèi)因是存在石英斑巖脈弱層，因此，可以對(duì)下盤(pán)擴(kuò)幫最終邊坡裂隙發(fā)育及石英斑巖脈區(qū)域進(jìn)行噴錨加固，防止巖石進(jìn)一步風(fēng)化。

(3)在有條件的地方采用滑動(dòng)力、位移、聲發(fā)射等監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)預(yù)警。礦區(qū)采用的滑動(dòng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)多次成功預(yù)測(cè)滑坡的發(fā)生，為采取應(yīng)對(duì)措施提供了充足時(shí)間。

(4)下盤(pán)擴(kuò)幫工程已經(jīng)進(jìn)入到老滑坡區(qū)，在未來(lái)擴(kuò)幫開(kāi)采過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工人員要時(shí)刻注意滾石和邊坡的變化情況，提高警惕，確保安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)南芬露天礦下盤(pán)286～262平臺(tái)滑坡機(jī)理分析，表明南芬露天鐵礦區(qū)在多種因素耦合作用下容易造成邊坡失穩(wěn)。

(2)采用預(yù)裂爆破，優(yōu)化起爆方式、裝藥結(jié)構(gòu)等措施可以有效降低爆破震動(dòng)，減少滑坡發(fā)生概率。

(3)邊坡治理是伴隨著開(kāi)采作業(yè)而進(jìn)行的一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，邊坡的穩(wěn)定直接影響著開(kāi)采作業(yè)的正常進(jìn)行，所以要采取綜合防治措施，對(duì)滑坡穩(wěn)定狀況進(jìn)行有效掌握。

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2014-10-24)

李敬輝(1979—)，男，工程師，117000 遼寧省本溪市南芬區(qū)南山路12號(hào)。