秦定明

(重鋼集團礦業(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，尤其是采場西部和東南部表土層厚達200～300 m，主要為冰磧土、亞黏土、礫石、漂石等組成，力學(xué)強度低，極不穩(wěn)定，經(jīng)雨水的沖刷和風(fēng)化，采場邊坡極易垮塌。在實施300萬t/a采礦擴建工程項目過程中，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，采場南17線1760～1795 m冰磧土邊坡出現(xiàn)滑坡，達到10萬m3以上;2015年3月，南采場13勘探線1674～1734 m冰磧土邊坡出現(xiàn)滑坡，達30萬m3以上。

針對太和鐵礦冰磧土厚，形成采場冰磧土臺階高，及現(xiàn)有采場內(nèi)南、北、西三面冰磧土剩余覆蓋量達到7000多萬t的現(xiàn)狀，急需進行冰磧土邊坡穩(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

目前采場邊坡設(shè)計按3個一組設(shè)置，每隔兩個安全平臺設(shè)置一個清掃平臺，平臺寬度冰磧土中按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°，邊幫上運輸平臺寬度14 m。按照平臺寬度和階段坡面角參數(shù)，設(shè)計露天采場最終邊坡角: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)頁巖厚度40～50 m，砂礫石層堆積厚度65 m，最下部為堅硬的輝長巖體，厚度為80 m。整個東部以粉砂質(zhì)頁巖的穩(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)強度很低，是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，在地下水活動的情況下，將會產(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，對北部邊坡的穩(wěn)定性存在較大的影響。

同時礦區(qū)出露有昔格達組巖層，主要由黏土巖、粉砂巖，礫巖、砂礫巖等構(gòu)成，厚薄不均，與太和輝長巖體和小壩組均呈不整合接觸。當(dāng)昔格達組巖層與冰磧土層在一起時，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隨機。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集中，呈“聚團”狀產(chǎn)出，或者黏質(zhì)土相對集中，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)化作用和爆破振動影響，失去黏結(jié)能力;采場內(nèi)形成的冰磧土邊坡在雨季時，容易垮塌，易出現(xiàn)邊坡滑坡破壞。受冰磧土膠結(jié)影響，不爆破時難以挖掘，無法組織生產(chǎn)，對礦山生產(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結(jié)果。根據(jù)中鋼集團馬鞍山礦山研究院對冰磧土邊坡穩(wěn)定性分析和冰磧土的三軸數(shù)值模擬試驗:冰磧土受力特性比較明顯［3］。由于冰磧土與礫石強度特性差異巨大，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;同時在試驗中發(fā)現(xiàn)，冰磧土中礫石的分布對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)力場重新分布，在應(yīng)力場逐步調(diào)整平衡的過程中，采場形成的邊坡會以不同的破壞形式達到應(yīng)力平衡［4］，對冰磧土而言，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)的各臺階破壞情況來看，系冰磧土土體無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，并無緊密結(jié)合時，巖土體邊坡就會沿弧形破壞面發(fā)生滑動。圓弧型滑坡一般要經(jīng)過3個階段，首先是坡角蠕動變形，其次是滑坡后緣張裂擴張，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，甚至達到不可接受的風(fēng)險水平。

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，滑面及斷層有無交錯;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)計是否科學(xué)合理，爆破控制是否到位;采場開挖后幾何形態(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，目前采場內(nèi)南、北、西三面形成的冰磧土臺階邊坡已高達200 m以上，力學(xué)強度很低。根據(jù)地質(zhì)報告，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)從采場各臺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，同時含粉質(zhì)土量較大，其中部分滑坡體處于昔格達組層中。

(2)從冰磧土邊坡滑坡事故分析可知，一般失穩(wěn)邊坡都是沿著一個或多個軟弱結(jié)構(gòu)面的組合邊界發(fā)生剪切崩落滑移，特別是對于邊坡出現(xiàn)的粉砂巖頁巖(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)水動力條件變化時，將會發(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)頁巖被掏出，影響邊坡穩(wěn)定性，將會產(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)力由于長期存在于冰磧土邊坡中，并沒有因時間的推移而消失，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。從采場南滑坡體臺階剖面圖來分析，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，因前端壓足重量減輕，增加了巖土塊體的下滑力，同時降低了強度，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)粉砂層頁巖和昔格達組層，另外東側(cè)地形相對平緩，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(頁巖)、昔格達組層接觸帶時，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1349 mm，歷年平均為1021 mm。采場內(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給，承壓水受大氣降水及潛水補給，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，加之采場處于分期開采過程中，采場周邊并無完善的排水系統(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)受了長期的地質(zhì)作用和構(gòu)造變動，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

目前采場開挖后形成的冰磧土臺階高度為100～200 m，隨著生產(chǎn)的推進，臺階整體高度還將進一步提高，另外礦山產(chǎn)能一直處于擴張期，采區(qū)采用分期開采，使冰磧土邊坡處于動態(tài)變化中，非最終穩(wěn)定邊坡，造成對冰磧土邊坡的安全管理重視不夠。

由于實行的是分期開采，盡管臺階總體邊坡角基本上控制在設(shè)計范圍內(nèi)，但受挖掘設(shè)備和操作影響，單臺階坡面角大都在60°左右(設(shè)計土體臺階坡面角為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、清掃平臺不平整，平臺上滾石、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，爆破時爆轟波在冰漬土內(nèi)衰減慢，傳播距離較遠(yuǎn)，同時爆破作業(yè)頻繁，對冰磧土邊坡穩(wěn)定性的造成一定危害。

2.2.5 設(shè)計因素

采場邊坡設(shè)計主要參照類似礦山。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行細(xì)分計算，特別是對太和鐵礦采場存在的巖土交接帶邊坡如何過渡，粉砂頁巖、昔格達組層等軟弱帶處理沒作任何說明。采場作分期開采設(shè)計時，人為對采場劃分分期，未考慮分期區(qū)域的工程地質(zhì)條件，造成對邊坡角的選擇和邊坡參數(shù)的選取設(shè)計簡單機械，與采場實際工程地質(zhì)條件有沖突。

2.2.6 監(jiān)測和防控措施因數(shù)

冰磧土邊坡監(jiān)測系統(tǒng)不完善，目前有效的監(jiān)測和防控措施主要還以人在現(xiàn)場檢查為主，利用精密水準(zhǔn)測量儀等定期測定測站和覘標(biāo)，對冰磧土層邊坡而言，不能完全反應(yīng)邊坡實際狀況(冰磧土邊坡遇水和風(fēng)化及爆破震動后極易發(fā)生階段臺階滑坡，但是整體來看，邊坡又是穩(wěn)定的)。因此造成目前邊坡監(jiān)測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

針對采場冰磧土邊坡出現(xiàn)的滑坡問題，削坡減壓進行邊坡減重，是抑制滑坡體進一步發(fā)生發(fā)展，控制邊坡失穩(wěn)體活動最常規(guī)也是最有效、最經(jīng)濟的措施。

(1)加強邊坡設(shè)計研究。利用已有的地質(zhì)勘探成果及邊坡研究資料進行細(xì)分計算，特別是粉砂質(zhì)頁巖和昔格達組層等軟弱結(jié)構(gòu)面等，做好邊坡設(shè)計的研究比對工作。重視選擇參數(shù):原設(shè)計方案3個臺階平臺寬度一組為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°。遇有粉砂頁質(zhì)或昔格達組軟弱層時，最終邊坡角可放寬到26°。

(2)完善采場內(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;采場內(nèi)的地下水，要及時疏通，導(dǎo)流，防止淤堵;另外在暴雨前后要安排專人對采場內(nèi)外的截排水溝跟蹤檢查，對出現(xiàn)的損壞部位要及時修復(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爆破，4.0～10.0 m3電鏟開挖，由于電鏟司機受視線及技術(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，在實際生產(chǎn)中，需加強邊坡的開挖控制。同時，冰磧土層邊坡開挖后一般形成的臺階坡面角為50°～60°，與設(shè)計的約40°有差距的，建議開挖時，考慮到安全平臺寬度為6 m，邊坡測量放線時，預(yù)留平臺寬度為10～12 m，即使形成的臺階在雨季和風(fēng)化作用下，臺階邊部最終坍塌2～3 m［8］，堆積于臺階邊坡底部，也能確保安全平臺寬度在6 m左右。同時在采場分期開采過程中，要注意采場冰磧土層覆蓋量大，兼顧采場的生產(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)，減少爆破對冰磧土邊坡的破壞?？刂票扑蓜訋Ш穸取⒖繋捅谱畲蠖嗡幜?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，降低爆破對邊坡的破壞。目前采場爆破作業(yè)采用逐孔控制爆破技術(shù)，對確保邊坡穩(wěn)定起到了很好的作用［9］。建議對冰磧土邊坡開挖采用小直徑鉆孔，不超深，降低爆破松動帶厚度，減少臨近邊坡爆破時的最大起爆藥量，使爆破作業(yè)對冰磧土邊坡的破壞降到最小。

(5)邊坡綠化和固化措施。對采場內(nèi)已經(jīng)開挖到設(shè)計開采境界、形成最終固定邊坡，植草或種植低矮灌木，實施固化綠化工作;對粉砂頁巖、昔格達組層等軟弱帶，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)測系統(tǒng)，及早發(fā)現(xiàn)邊坡應(yīng)力、位移的變形移動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)邊坡有失穩(wěn)征兆時，要及時采取工程加固或其他治理措施。同時觀測資料用專用記錄表格記錄，根據(jù)變形發(fā)展規(guī)律，對邊坡滑動情況進行預(yù)測、預(yù)報和評判。特別是每次發(fā)生的冰磧土邊坡滑坡的監(jiān)測原始記錄要完整，相關(guān)處理方案及結(jié)果要建檔成冊備查。

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