第八章露天矿边坡稳定技术

第一节边坡稳定性的基本概念第二节影响边坡稳定的因素第三节边坡稳定性监测与检测第四节滑坡的防治第一节边坡稳定性的基本概念一、边坡的概念及其分类二、边坡的结构及特点三、边坡的破坏类型四、边坡安全管理一、边坡的概念及其分类(一)边坡的概念(二)边坡的分类(一)边坡的概念(1)边坡是指由于工程原因而开挖或填筑的人工斜坡；滑坡是指由于自然原因而正在蠕动与滑动的自然斜坡。(2)边坡在工程开挖与填筑前，坡体内不存在滑面，但可以存在未曾滑动的构造面，开挖前坡体无蠕动或滑动迹象；滑坡在坡体中存在天然的滑面，坡体已有蠕动或滑动迹象。(3)当人工斜坡内存在天然的滑面或引发古老滑坡滑面复活时，称为工程滑坡。(一)边坡的概念图8-1边坡的组成(二)边坡的分类1.按岩性不同分类2.按地质环境与人工改造的程度分类3.按边坡高度不同分类4.按边坡坡度不同分类5.按变形情况不同分类1.按岩性不同分类(1)岩质边坡。(2)土质边坡。(1)岩质边坡。1)侵入岩类边坡。如花岗岩。岩性较单一，强度较高，一般呈块状结构，常形成陡坡并发育卸荷裂隙。2)喷出岩类边坡。如玄武岩、凝灰岩、流纹岩、凝灰角砾岩等。强度差别大，裂隙发育。有时具有层状或似层状结构，孔隙性大，边坡形态受产状控制。3)碎屑沉积岩边坡。如砂岩、砾岩、页岩等。强度差别较大，具有层状结构，边坡形态受岩层产状控制，页岩透水性微弱。4)碳酸盐岩类边坡。如石灰岩、白云岩等。强度一般较高，多具层状结构；边坡形态受岩层产状和节理裂隙发育特征控制，常形成陡坡悬崖，有时岩溶发育。5)夹有软弱夹层的沉积岩边坡。如夹有泥化夹层或破碎夹泥层的砂岩、页岩、石灰岩等，具层状结构。6)软弱岩层边坡。如白垩(第三纪红色粘土岩、泥岩、泥灰岩、页岩等)、半成岩、河湖相砂页岩，强度甚低，易风化、崩解。7)特殊岩类边坡。含石膏、岩盐等的易溶岩层，强度甚低，易溶于水。8)变质岩类边坡。如片岩、干枚岩、片麻岩、石英岩等，强度差别大，多呈片状或层状结构，岩体完整性差。(1)岩质边坡。(2)土质边坡。1)黄土边坡。黄土一般呈棕黄色或淡黄色，多孔，孔隙比一般为40%～50%，以粉粒为主，质地均一，无层理、柱状节理和垂直节理发育，天然状态下含水少，干燥时坚固，可形成直立边坡，但遇水容易剥落或遭受侵蚀。2)砂性土边坡。指主要由砂或砂性土组成的边坡，以结构较疏松、粘聚力低为特点，作为工程边坡，透水性较大，饱和含水的均质砂土边坡，在振动力作用下，易于液化产生液化边坡。3)粘土性边坡。粘土以颗粒细密为其主要特征，但由于生成环境的不同，各类粘土的组织结构、物理力学特性等差别较大，对边坡稳定性的影响也不一样。但一般都具有干时竖硬开裂，遇水膨胀分解呈软塑性状的特点。4)软土边坡。指由淤化、泥炭、淤泥质土以及其他抗剪强度极低的土组成的边坡，粘土由于其抗剪强度极低，流变性征显著，对于边坡稳定性不利。2.按地质环境与人工改造的程度分类(1)自然边坡。(2)人工边坡。(1)自然边坡。指未经人工破坏改造的边坡，是由地质构造作用形成的。从地形地貌看，凡是与大气接触的山坡称为自然边坡，如天然沟谷岸坡、山体斜坡等。(2)人工边坡。指由于人们从事岩体工程活动，经人工改造所形成的边坡，如水利水电工程中的基坑边坡、渠道边坡、铁路隧道、公路交通开山劈岭修建道路所形成的边坡，以及露天开采所形成的边坡等。人工边坡一旦开挖，就会破坏自然生态平衡。边坡大面积暴露在大气中，裸露的岩土在外部风化因素作用下，岩(土)质发生变化，导致风化加剧，坡面受到侵蚀，容易失稳，形成滑坡。3.按边坡高度不同分类4.按边坡坡度不同分类5.按变形情况不同分类(1)未变形边坡。边坡岩体未发生位移变形。(2)变形边坡。边坡岩体曾发生位移变形。露天开采时，通常是把矿岩划成一定厚度的水平层，自上而下逐层开采。这样会使露天矿场的周边形成阶梯状的台阶，多个台阶组成的斜坡称为露天矿边帮，即露天矿边坡。二、边坡的结构及特点(一)边坡的组成要素(二)边坡的特点(一)边坡的组成要素1)底帮边坡，指位于矿体底盘一2)顶帮边坡，指位于矿体顶盘一侧的边坡。3)端帮边坡，指位于矿体两端部的边坡。图8-2露天矿边坡台阶结构要素示意图(二)边坡的特点(1)露天矿边坡一般比较高，从几十米到几百米都有，走向长从几百米到数千米，因而边坡暴露的岩层多，边坡各部分地质条件差异大，变化复杂。(2)露天矿最终边坡是由上而下逐步形成的，上部边坡服务年限可达几十年，下部边坡服务年限则较短，底部边坡在采矿时即可废止，因此，上、下部边坡的稳定性要求也不相同。(3)露天矿每天频繁的穿孔、爆破作业和车辆行进，使边坡岩体经常受到振动影响。(4)露天矿边坡是用爆破、机械开挖等手段形成的，坡度是人为强制控制的，暴露岩体一般不加维护，因此，边坡岩体较破碎，并易受风化影响产生次生裂隙，破坏岩体的完整性，降低岩体强度。(5)露天矿边坡的稳定性随着开采作业的进行不断发生变化。三、边坡的破坏类型(一)边坡岩体的破坏类型(二)边坡岩体的滑动速度和破坏规模(一)边坡岩体的破坏类型1.崩塌2.倾倒3.滑坡1.崩塌图8-3边坡崩塌2.倾倒图8-4边坡倾倒3.滑坡边坡岩(土)体在重力作用下，沿一定的软弱面或软弱带整体下滑的现象称为滑坡。滑坡是山区主要地质灾害，大规模的滑坡可摧毁公路、堵塞河道、破坏厂矿、淹没村庄，对山区建设和交通危害极大。边坡发生滑动时，一般情况下，在滑坡前滑体的后缘会出现张裂隙，而后缓慢移动。滑动初期速度慢，持续时间长，到后期迅速滑落。它是边坡变形破坏形式中较为常见的一种，是边坡破坏的主要形式。其中滑动规模可以是一个岩块沿某一平面或曲面整体向下滑落，也可能是上百万甚至上千万平方米的山体滑动。其危害程度视滑坡规模的大小而有所不同。(二)边坡岩体的滑动速度和破坏规模分析边坡岩体破坏时的滑动速度大小，对预防矿山事故是非常重要的。按照边坡岩体的滑动速度，边坡岩体的滑动破坏可分为四种类型：(1)蠕动滑动。边坡岩体平均滑动速度小于10-5m/s。(2)慢速滑动。滑动速度在10-5m/s和10-2m/s之间。(3)快速滑动。滑动速度在0.01m/s和1.0m/s之间(4)高速滑动。滑动速度大于1.0m/s。露天矿边坡岩体发生破坏时所产生的后果不但取决于其破坏的类型、破坏的速度，还取决于破坏的规模，即下滑岩体体积的大小和滑动岩体的范围。边坡岩体的破坏规模可分为四种类型：(1)小型滑落。滑落的岩体体积在1万m3以下。(2)中型滑落。滑落的岩体体积一般在1万～10万m3之间。(3)大型破坏。滑落的岩体体积一般在10万～100万m3之间。(4)巨型滑落。滑落的岩体体积一般在100万m3以上。(二)边坡岩体的滑动速度和破坏规模四、边坡安全管理(一)确定合理的台阶高度和平台宽度(二)正确选择台阶坡面角和最终边坡角(三)选用合理的开采顺序和推进方向(四)合理进行爆破作业，减少爆破振动对边坡的影响(五)建立健全的管理检查制度(六)明确各项职责负责人(七)做好预防工作(一)确定合理的台阶高度和平台宽度合理的台阶高度对露天开采的技术经济指标和作业安全都具有重要的意义。确定台阶高度要考虑矿岩的埋藏条件和力学性质、穿爆作业的要求、采掘工作的要求，一般不超过15m。(二)正确选择台阶坡面角和最终边坡角台阶坡面角的大小与矿岩性质、穿爆方式、推进方向、矿岩层理方向和节理发育情况等因素有关。工作台阶坡面角的大小在各类矿的安全规程中都作了详细的规定。在一般情况下，其大小取决于矿岩的性质：松软矿岩，工作台阶坡面角不大于所开采矿岩的自然安息角；较稳定的矿岩，工作台阶坡面角不大于55°；坚硬稳固的矿岩，工作台阶坡面角不大于75°。(三)选用合理的开采顺序和推进方向在生产过程中要坚持从上到下的开采顺序，坚持打下向孔或倾斜炮孔，杜绝在作业台阶底部进行掏底开采，避免边坡形成伞檐状和空洞。一般情况下应选用从上盘向下盘的采剥推进方向，做到有计划、有条理的开采。(四)合理进行爆破作业，减少爆破振动对边坡的影响由于爆破作业产生的地震可以使岩体的节理张开，因此，在接近边坡地段尽量不采用大规模的齐发爆破，可以采用微差爆破、预裂爆破、减振爆破等控制爆破技术，并严格控制同时爆破的炸药量。在采场内尽量不用抛掷爆破，应采用松动爆破，以防止飞石伤人及减少对边坡的破坏。(五)建立健全的管理检查制度矿山必须建立健全的边坡管理和检查制度，当发现边坡上有裂陷可能出现滑落或有大块浮石及伞檐悬在上部时，必须迅速进行处理。处理时要有可靠的安全措施，受到威胁的作业人员和设备要撤到安全地点。(六)明确各项职责负责人矿山应选派技术人员或有经验的工人专门负责边坡的管理工作，及时清除隐患，发现边坡有塌滑征兆时，有权制止采剥作业，并向矿的负责人报告。(七)做好预防工作对于有边坡滑动倾向的矿山，必须采取有效的安全措施。露天矿有变形和滑动迹象的矿山，必须设立专门观测点，定期观测记录变化情况。第二节影响边坡稳定的因素一、地层与岩性二、地质构造和地应力三、岩体结构四、水对边坡稳定的影响五、振动的作用一、地层与岩性(一)地层(二)岩性(一)地层从边坡变形破坏的特征来看，不同地层不同岩性各有其常见的变形破坏形式。例如，有些地层中滑坡特别发育，这是与该地层中含有特殊的矿物成分和风化物质而在地层内容易形成滑动带有关。高灵敏的海相粘土，裂隙粘土，第三系白垩系，侏罗系红色页岩、泥岩地层，二迭系煤系地层，以及古老的泥质变质岩系(如千枚岩、片岩等)地层，都属于易滑地层。在这些地层形成的边坡稳定性必然较差。(二)岩性岩性对边坡的变形破坏也有直接影响。所谓岩性是指组成岩石的物理、化学、水理和力学性质，这些性质的变化或改变，在一定程度上影响着边坡的稳定。由某些岩性组成的边坡在干燥时或在天然状态下是稳定的，一经水浸，特别是岩体在饱水条件下，岩体强度会显著降低，边坡往往会出现失稳。边坡的滑落主要是剪切破坏，因此，岩体的抗剪强度是衡量边坡岩体稳定性的必要条件。从岩性对力学性质的影响可知，坚硬、致密的岩体的抗剪强度较高，不易发生滑坡；松散、破碎的岩体的抗剪强度低，容易滑坡。二、地质构造和地应力(一)地质构造(二)地应力(一)地质构造地质构造主要指在漫长的地质历史发展过程中，地壳在内、外力的作用下，不断运动演变，所造成的地层形态。它对边坡岩体的稳定，特别是对岩质边坡稳定性的影响十分显著。在区域构造比较复杂的地区，边坡的稳定性较差。例如，在我国西南地区的横断山脉地段、金沙江地区的深切峡谷，边坡的崩塌体、滑动体极其发育，常出现超大型滑坡及滑坡群。在金沙江下游，滑坡、崩塌、泥石流新老堆积物到处可见。(二)地应力地应力是控制边坡岩体节理发育裂隙扩展以及边坡变形特征的重要因素。此外，地应力还可直接引起边坡岩体的变形甚至破坏。例如葛州坝水电站，基岩为下白垩纪红色粉砂岩、粘土岩、细砂岩，系一单斜构造，岩层倾角为5°～8°。厂房基础开挖深达45～50m，由于厂房基坑的开挖，坑壁出现临空，引起应力释放，使基坑人工边坡内地应力重新调整，引起基坑边坡岩体的软弱夹层产生位移，使岩体沿层面发生错位，急剧变形期达3个月之久，平均每月变形约20mm。三、岩体结构(一)结构面的成因类型(二)结构面的组数和数量(三)结构面的连续性和间距(四)结构面的起伏度和粗糙度(五)结构面的结合状态及充填物(六)结构面的产状及其与边坡临空面的关系(一)结构面的成因类型1.原生结构面2.构造结构面3.次生结构面1.原生结构面为成岩阶段形成的结构面，按其成岩作用可分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。2.构造结构面这是在地质构造运动中受构造应力作用所产生的破裂面和裂隙带，包括劈理、节理、断层及层间错动等，按力学性质又分为压缩、张拉、扭性、压扭性和张扭性等结构面。3.次生结构面是在原生结构面的基础上，因风化、地下水和卸荷作用，使原有的结构面规模加大以及性质改变的结果。不问成因的结构面对边坡稳定性的影响程度也不同，一般来说，构造结构面是影响最大的，其次是次生结构面。(二)结构面的组数和数量边坡受一组结构面和多组结构面的切割，其对边坡稳定性的影响程度是不同的。当边坡岩体受多