露天采矿：如何防范坍塌灾害？

一、概述

工程建设中，边坡失稳是边坡常见的稳定性问题，其导致了诸如滑坡、崩塌等对工程产生严重破坏的灾害。滑坡是影响露天矿边坡安全生产的重要因素，露天矿边坡稳定性研究与治理是煤矿技术工作中不可缺少的组成部分（关伟，2022）。

强度折减法、极限平衡法、数值分析法等都是边坡稳定性分析的方法，其中极限平衡法、有限单元（简称有限元）法是最为常用的方法（汪健江等，2022）。

二、滑坡的概念及其类型

滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致（2008年国土资源部、水利部、地矿部地质灾害勘察规范）。滑坡是一种典型的地质灾害现象，指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。

从斜坡的物质组成来看，具有松散土层、碎石土、风化壳和半成岩土层的斜坡抗剪强度低，容易产生变形面下滑；坚硬岩石中由于岩石的抗剪强度较大，能够经受较大的剪切力而不变形滑动。

降雨对滑坡的影响很大。雨水的大量下渗，导致斜坡上的土石层饱和，甚至在斜坡下部的隔水层上积水，从而增加滑体重量，降低土石层抗剪强度，导致滑坡产生。

地震对滑坡的影响很大。地震强烈作用使斜坡土石的内部结构发生破坏和变化，原有的结构面张裂、松弛，加上地下水也有较大变化，特别是地下水位的突然升高或降低对斜坡稳定是很不利的。在地震波的反复振动冲击下，斜坡土石体就更容易发生变形，最后就会发展成滑坡。

人为因素都会诱发滑坡。例如：

开挖坡脚：工程建设常常使坡体下部失去支撑而发生下滑。例如铁路、公路、矿山因修建时大力爆破、强行开挖，在边坡上发生滑坡，给施工、运营带来危害。

蓄水、排水：水渠和水池的漫溢和渗漏，工业生产用水和废水的排放、农业灌溉等，均易使水流渗入坡体，加大孔隙水压力，软化岩、土体，增大坡体容重，诱发滑坡发生。水库的水位上下急剧变动，加大坡体动水压力，也可使斜坡和岸坡诱发滑坡发生。厂矿废渣的不合理堆弃，常常触发滑坡的发生。

此外、劈山开矿的爆破作用，可使斜坡的岩、土体受振动而破碎产生滑坡；在山坡上乱砍滥伐，使坡体失去保护，便有利于雨水等水体的入渗从而诱发滑坡等等（中国科学院武汉岩土力学研究所，2009）。

三、滑坡发生的力学机理

边坡是露天煤矿剥离后形成的一种特殊构筑物，边坡体主要由煤岩体构成，在地表有4km左右的岩体及岩体风化带。由于剥离作业，形成边坡临空面，改变了原岩的应力状态及地下水流的条件。在新应力作用下，岩（煤）体朝着临空面方向产生变形和位移。表层岩石的风化和地下水的作用以及爆破震动等因素往往会加速边坡的变形过程。随着时间的推移，有的边坡变形逐渐减弱，最后趋于静止；有的则日益发展扩大，最终导致破坏。边坡滑坡可使生产受到一定影响，从而带来不同程度的损害，甚至伤及人员（张飞等，2014）。

在边坡稳定性分析中，强度拆减法分析是比较常用和科学的方法，通过折减土体强度，代入有限元程序进行计算，直至计算不收敛，此时的折减系数即为安全系数。FLAC3D 是有限元软件，把强度拆减发分析编写成FLAC3D 语言，进行计算是比较科学有效的。FLAC3D 程序通过不断降低土体抗剪强度参数，使边坡达到破坏状态得到破坏滑动面，FLAC3D强度折减法，是比较适用于露天矿开挖边坡的稳定性分析（张飞等，2014）。

1.有限单元法分析边坡原理

1）弹塑性本构模型

在对弹塑性本构模型进行分析的时候，土体变形主要有两种：塑性的变形和弹性的变形。两种变形的计算方式不同，胡克定律适用于弹性的变形，塑性理论则适用于塑性的变形。有关塑性变形的假设主要有以下两个方面：屈服准则及破坏准则、硬化规律及流动法则（汪健江等，2022）。

2）莫尔-库仑屈服准则

在考虑如何选取屈服准则的时候，土体抗剪强度的大小对土质边坡的稳定性有着很大的影响，剪应力达到一定极限值时，就会使土坡失去稳定性，遭受破坏。一般以莫尔-库仑屈服准则作为理想中的模型来探究。其不足之处在于：对处于三维空间的屈服面会产生尖顶与棱角，并且会产生不连续点，而 ABAQUS 软件对这一准则进行了扩展，使拐角不会出现在偏应力空间里面，所产生的流动势完全光滑，只存在塑性流动方向（汪健江等，2022）。

有限单元法就是在有限范围内实现单元离散化的过程，但是在实际工程中，单元基于半无限或者无限情况的岩土工程问题居多，在进行离散后，为了使得其的计算精度更高，减小计算误差，就要有较大的计算范围，使其与实际情况相符。但是，当计算范围过大时，就会划分出更多的单元数量，不仅工作量大，而且浪费时间；当计算范围过小，得到的模型与现实相差会很大，计算时会产生明显的误差。因此，用此方法进行模拟的时候要确定最佳的计算范围（汪健江等，2022）。

2.滑坡的有限元计算模拟

边坡稳定性分析方法有多种， 但应用最为广泛和有效的主要有以下两种（韦立德等，2022）：

1）基于刚体极限平衡理论的传统计算方法

具有简单、方便、快速的特点， 目前二维刚体极限平衡法已经成熟， 在边坡方面应用较为广泛， 且三维刚体极限平衡法在工程上也得到了应用。有限元法不仅满足力的平衡条件， 而且还考虑了应力、变形关系， 能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布， 所得到坡体的应力、应变与实际情况比较接近， 比刚体极限平衡法更为精确合理。

2）有限单元法

在分析边坡计算安全系数时的困难之一，是如何将有限元计算的结果转化为工程上适用的安全系数。目前又有两类基本的有限元方法，即建立在强度折减基础上的有限元法，和建立在滑裂面应力分析基础上的有限元法（韦立德等，2022）。

三维边坡稳定分析系统。总结了一种用于高边坡分析的基于有限元计算的边坡三维滑裂面搜索的方法， 根据有限元计算的应力结果（FLAC3D 建模与显示技术），计算可能滑裂面的安全系数，然后用穷举算法搜索出最危险滑裂面，得出相应的安全系数作为边坡的安全度评价指标， 并给出潜在滑动体图形显示方法。所提方法的优越性是只需进行一次限元计算， 可以用于具有复杂地貌和地质构造的三维边坡（韦立德等，2022）。

四、露天采矿地质的安全设计

在露天开采过程中，受边坡安全约束，端帮边坡压煤量比重相对较大，端帮下部所压覆的煤炭资源难以采出，导致大量煤炭资源浪费。基于端帮采煤机的端帮开采工艺随着设备的不断改进，逐渐成为回收端帮下压覆煤炭资源的重要途径之一（王术峰等，2022）。

对大型露天煤矿来说，端帮煤边坡角提高 1°，其端帮煤炭资源回就收达到千万吨，创造的经济效益将达到十几亿甚至几十亿元。端帮边坡压煤成为露天煤矿的难点技术问题。为尽可能回收端帮边坡煤炭资源，开采方案优化包括：高台阶开采、边坡形态优化、露井联采等，开采设备研发主要为端帮采煤机（侯成恒等，2022）。

边坡稳定是保证露天煤矿安全生产的关键。对于露天矿边坡的边坡，需要查清边坡重点部位煤岩产状、岩性、构造等赋存特征，对重点区域边坡稳定性作出科学评价（关伟，2022）。

端帮边坡分段式陡帮开采方法，利用边界效应对边坡稳定形成侧面约束，对近水平煤层可实现横采内排。采用 FLAC3D 有限元分析软件，可以确定横采内排追踪距离与内排压脚高度，对横采内排对边坡变形破坏控制效果进行评价，指导现场生产（侯成恒等，2022）。

通过力学计算和对比分析可知：①在内排追踪距离相同条件下，内排压脚高度越高，边坡失稳破坏范围与破坏程度越小，失稳破坏范围主要集中在内排平盘上部区域；②在内排压脚高度相同条件下，内排追踪距离越小，边坡失稳破坏范围与破坏程度越小，随着暴露长度的增加，最大位移变形量也逐渐加大；③采用横采内排控制措施后，内排压脚及其附近区域，边坡变形破坏程度得到明显且有效的控制（侯成恒等，2022）。

力学计算表明，内排追踪距离越大，坡脚应力集中现象越明显，边坡失稳破坏范围越大，边坡稳定程度越低；内排压脚高度越低，上部荷载越大，x向位移量越大，坡脚处应力集中现象越明显，对边坡稳定越不利（侯成恒等，2022）。

五、露天采矿地质灾害

露天采矿是根据矿体表面岩层结合矿体和山体的情况进行剥离来实现矿体的开采。地层的褶皱、倾向和倾角对露天开采的影响较小，相对于地采矿山，露采矿山不需要修建隧道、轨道或者建筑物，开采效率较高。但是部分露采矿山由于不合理的规划和采矿和堆放，影响了边坡和岩石的稳定，便会导致滑坡、崩塌、泥石流、采空区塌陷等地质灾害的发生（农建勇等，2022）。

随着对煤矿资源的需求日益增长，露天煤矿开采的深度与范围不断扩大，致使露天煤矿的边坡高度相应增大。在露天煤矿的开采过程中，露天煤矿边坡的稳定性水平十分重要，一旦露天煤矿边坡稳定性比较低，可能会引发相关的安全事故（张永彬，2018）。

另外，露天矿排土场是放置采矿工作中产生的大量泥土沙石等废弃物，以确保矿山有序开采有用的矿石，是大型的由人工堆积的松散物体。由于排土场建设的不当不仅会带来安全隐患，引发一些安全事故的发生，如泥石流、山体滑坡，等等，同时还给环境保护工作带来了极大的困难（张建强，2019）。

影响露天煤矿边坡稳定的关键因素

1）岩体的特征。边坡的滑动经常沿着岩体内部的结构面发生的，对边坡稳定性具有控制作用的，往往是结构面的产状、性质及其空间组合状态。

岩性：一般情况下，容重与纵波波速比较大的岩石，力学强度比较高，而以这种岩石为主的露天煤矿边坡，稳定性与安全性都比较强。具有湿度大、可溶性强、吸水性强、软化性大与抗冻性较差特点的岩石，在进行露天煤矿边坡开采防护时，极易因内因作用发生失稳与塌陷的事故。

结构面与结构体：结构面与结构体经过相关设计与施工，能够形成一道具有岩体特性的组织结构，而这种结构面与结构体相互作用产生的结构，在很大程度上决定了露天煤矿边坡的稳定性水平。露天煤矿边坡多由沉积岩组成，在受到水软化的作用下，容易呈现出一定的流变特性，进而致使其影响了露天煤矿边坡的稳定性。

地质构造：地质构造是指由节理、裂隙、层理断层、破碎带、软弱夹层与软弱面共同形成的弱面。经过相关数据调查显示，露天煤矿边坡在发生滑坡与失稳的事故时，其滑坡体的滑动面与边缘轮廓基本都是取决于地质构成结构面。

2）水文地质条件。水对边坡岩体的影响是多方面的，而且是非常显著的。大量事实证明，大多数边坡的破坏和滑动都与水的活动有关。在冰雪解冻期和降雨季节，滑坡事故较多。该矿水文地质条件简单，一般对边坡滑动影响较小，但大气降雨，尤其雨季集中的强降雨，通过裂隙渗入边坡岩体、降低岩体强度和岩体的摩擦力，导致边坡失衡。如果地下水水位升高，或地表降水量较大，导致边坡中的地下水位升高，使采矿场、排土场边坡稳定性急剧降低，尤其是排土场边坡，由于排土动荷载的因素，可能导致排土场基底强度降低，引起滑坡。

露天煤矿边坡的深度比较高，在遇到长期降雨，很难迅速将水进行排出，进而导致边坡中积水现象比较严重。边坡岩层中的粘性土遇到水后，会出现膨胀，使边坡稳定性不断下降，在重力和压力的作用下，出现边坡滑坡。

3）开采深度及服务年限。露天矿边坡越高，角度越陡，服务年限越长，其边坡的稳定性较差。台阶坡面角和最终帮坡角应限制在设计范围内，不能过陡。

4）采动影响。露天矿的采动作用会破坏边坡岩体的整体性，产生位移、裂隙，对边坡的稳定性影响较大。在各种震动力的影响下，露天煤矿边坡的沙土容易出现液化的情况，引发各种岩体裂缝产生震动力主要来自于爆破震动与机械设备震动两方面。

5）岩体的风化作用。矿田范围内，表面岩层在风化作用下已遇到破坏，是边坡失稳的重要因素。

6）边坡上的附加载荷。边坡上部附近，存在排土场，边坡上部的重力作用对边坡的稳定也产生影响。

7）非工作帮的影响。露天矿非工作帮滑坡是影响矿山生产最大的安全隐患，由于本矿田没有专门的边坡工程地质勘探报告，缺乏边坡岩石力学指标及相应的边坡工程地质勘探，矿山设计只是通过类比并参照邻近矿山的经验数据对本矿的边坡稳定性进行类比分析与计算。虽然本矿的最终边坡高度并不高，现场也按设计进行了施工，但与实际情况可能有差异，对非工作帮的边坡稳定性存在一定程度的影响（张飞等，2014；张永彬，2018）。

露天矿山的开采过程中，边坡的开挖角度不对、高度误差、建筑设备放置不规范、岩层硬度不足等都会影响边坡的采掘过程，过度采掘坡脚容易形成高且陡的边坡，这会将稳定的边坡变得非常不稳定。爆破作业也是造成边坡失稳的重要因素之一。爆破作业产生的地震会使得岩石破碎，裂隙和节理发育加快，雨水冲刷和地下水渗透作用下变得很不稳定，极易冒落和坍塌，对采场的工作人员造成严重生命威胁（农建勇等，2022）。

六、井工开采对于露天开采的安全生产影响

目前一些产煤区形成了井工煤矿和露天煤矿交错分布的局面, 多地采用露井联采的方式,解决了端帮压煤和排土场压煤问题, 一方面创造了经济效益, 另一方面也带来了井工开采和露天开采相互影响的新问题。井工开采对于露天开采的影响较大,采动导致露天端帮或排土场产生沉降、 塌陷和边坡的滑移变形, 进而影响露天矿的安全生产（张岩等，2022）。

采用PHASE２软件建立数值计算模型,分析煤层开采对排土场边坡位移场、 最大剪应变和安全系数的影响, 确定了不同煤层终采线位置。结果表明: 随着不同煤层的开采,边坡最大水平位移和最大垂直位移均呈非线性增大趋势; 边坡安全系数均呈非线性减小的变化趋势

七、大型露天煤矿的边坡滑塌与排土场边坡坍塌事故

事故产生的主要原因包括：①边坡与排土场实际角度超过设计角度或设计不合理。②边坡面有断层或滑面（节理发育、易碎）。③安全平台达不到设计规定或无安全平台。④雨水浸泡或冲刷边坡与排土场。⑤爆破及地震发生时引发的局部坍塌（陈国勇，2012）。

预防边坡滑塌与排土场边坡坍塌事故的对策：确保露天矿边坡与排土场安全是一项综合性工作，包括确定合理的边坡参数、选择适当的采掘方式和制定严格的安全技术措施。防范对策有：①边坡、排土场的排土工艺、排土顺序及总堆置高度、总边坡角等参数，应符合设计要求。②边坡、排土场平台必须平整，排土线应整体均衡地推进，排土工作面向坡顶线方向应有2％ ～ 5％的反坡。③完善边坡、排土场防排水设施，排土场下部应按设计要求修筑挡土坝。④做好对边坡、排土场的安全检查和监测工作，定期观测记录变化情况。⑤边坡、排土场应进行专门的工程、水文地质勘探，发现异常时，必须采取措施进行治理（陈国勇，2012）。

来源：洲际矿山

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