南芬露天矿某平台滑坡机理分析及防治措施

李敬辉 孙光林 谢 行 苏俊豪 郝振立(.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司;2.中国矿业大学(北京)；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室;.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司南芬露天铁矿)

南芬露天矿某平台滑坡机理分析及防治措施

李敬辉1孙光林2,3谢 行4苏俊豪2,3郝振立2,3
(1.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司;2.中国矿业大学(北京)；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室;4.本溪钢铁(集团)矿业有限责任公司南芬露天铁矿)

针对南芬露天铁矿下盘286～262平台发生的一次典型滑坡，通过现场详细勘察，结合露天矿开采情况，对滑坡发生机理进行了详细分析，研究了滑坡的组成和爆破、降雨、采矿等外部因素。结果表明，滑坡是多种耦合因素共同孕育,最终由采矿活动直接诱发的。同时，为有效防治滑坡，在降低爆破震动等方面给出了可行对策，对露天矿滑坡治理工程具有良好的借鉴意义。

露天矿 滑坡机理 预裂爆破

滑坡是一种全球性的地质灾害，通常是指在自然或人为条件下，位于斜坡上的土体或岩体所发生的变形、破裂、向坡下运动及其所引起的一系列地质现象。长期以来，我国深受滑坡灾害的威胁，滑坡不仅会摧毁厂矿、阻断交通，还会威胁人类生存安全，造成经济损失[1]，为此，国内外研究人员越来越重视滑坡研究，尤其是滑坡发生机理及治理对策的研究。陶志刚博士采用模糊数学的方法，分析了坡高、坡角、井工开采、地质构造、滑坡体特征、降雨强度6种影响因子耦合作用下罗山矿区滑坡体成灾特点，同时得出矿山开采直接导致滑坡体表面位移的结论[2]。何满潮院士在对滑体、滑床和监控锚索相互作用力学原理进行详细研究的基础上，指出对边坡岩体内应力变化的监测优于岩体位移变化的监测，并开发出来一套滑坡地质灾害远程监测预报系统，通过在露天矿山边坡等领域成功应用[3]。

南芬露天铁矿位于辽宁本溪市南25 km，东经123°50′，北纬41°07′，是一座年产1 300万t的特大型现代化矿山。通过对南芬露天铁矿滑坡发生机理进行详细分析，给出防治对策，以保障矿山开采的安全及可持续运行。

1 矿山概况

1.1 地形地貌条件

矿区地貌为侵蚀构造中高山地貌，山尖部坡陡，主要山脉走向近东西，山脉最高、最低标高分别为963，296 m。经过十几年的扩帮过渡，已经剥离大量岩石，扩帮区的工作台阶标高大大降低。

1.2 岩性及岩体结构特征

矿区由黄柏裕区、铁山区和黑贝沟区组成，包括太古界鞍山群大峪沟组、元古界辽河群、震旦系3种地层，呈半岛状，主要构造为倒转背斜和北北东向大断裂。铁矿床赋存于太古界鞍山群含铁岩段内，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层铁组成，呈单斜产出。矿石主要由磁铁石英岩和透闪磁铁石英岩组成，主要金属矿物为磁铁矿，有少量赤铁矿。铁矿层下部混合花岗片麻岩分布。

1.3 水文地质条件

矿区位于北温带季风气候区，年均降雨量为880 mm，历史最大日降雨量为274 mm，雨季在7—9月，年均蒸发量为1 729 mm，湿度系数为0.5。矿区有北部庙儿沟河和南部黄柏峪河，主要有第四系孔隙潜水和基岩裂隙水含水层。

2 下盘286～262平台滑坡

南芬露天铁矿下盘滑体部位已经开采至262台阶，电铲由南向北已经推进到原老滑体区域。2014年9月，下盘滑体部位286～262南部新形成的边坡出现局部滑塌现象。滑塌高24 m，滑塌部位底部约30 m，顶部约20 m，主要是由上部台阶坡面岩石表层破碎滑落堆积而成，属于表层岩石风化破碎而形成的滑坡，呈不规则扇形分布，边界明显，植被稀少，易于判别，滑坡附近未出现位移沉降。现场勘察发现，位于286台阶边缘的电柱正处于滑塌部位顶部，随时都有倒塌的危险。虽然电柱已经荒废，但考虑到给下方造成的危险，应该及时移出。286～262平台局部滑体见图1。

图1 286～262平台局部滑体

3 滑坡机理分析

现场调查表明，以石英斑岩脉为主形成的弱层是本次局部滑塌的内在因素，整个下盘滑体区域由一条石英斑岩脉贯穿(见图2)。含有软弱结构面的边坡在受到爆破震动等因素的耦合作用下，会促使边坡时效稳定系数出现下滑趋势[4-5]。此处主要以石英斑岩碎屑和风化红矿岩、绿泥岩、3层铁碎屑组成，局部呈碎末状，遇水易软化，因此，降雨侵蚀是诱发滑坡发生的一个重要外部因素[6-7]。

图2 滑坡区域位置

地震[8]、爆破震动和降雨渗流会导致露天矿边坡岩体结构面抗剪强度降低，同时会使边坡整体下滑力增大，起到附加载荷的作用，使得边坡失稳的可能性增大[9]。边坡稳定性对边坡雨水渗透作用和振动强度2种影响因子具有较强的敏感性[10-11]。因此，在采矿爆破扰动、降雨和自然风化的影响下，随着时间的推移，势必会诱发更多的局部滑塌。

随着扩帮开采的推进，下部台阶边坡逐渐展露，会暴露更多的不稳定边坡，即在坡脚开挖过程中，造成潜在滑体下滑力增大，丧失“挡土墙效应”(见图3)。采空引起的滑坡变形多是在特定的采矿工程和地质构造条件下发生的[12]，在坡角部分被挖除以后，原先作用于滑坡体的力T消失，促使滑体失去平衡，造成失稳，这也是此次滑塌发生的关键原因。

根据力学平衡原理，坡角未开挖时，滑坡体处于稳定状态，沿滑面下滑方向力学平衡方程为

Fn+Tcosθ-Gsinθ=0 ,

(1)

式中，Fn为滑体所受摩擦力，kN;T为坡角开挖部分对滑体的作用力；G为重力，kN;θ为坡角，(°)。

图3 滑坡体坡角开挖受力示意

当边坡坡底部分被开挖，坡脚处抗滑力T与开挖前相比会逐渐减小，最终打破滑体原始平衡状态，下滑力大于抗滑力，导致滑坡发生。

本次滑坡是多种耦合因素共同孕育、由采矿活动直接诱发的一次典型滑坡。

4 滑坡防治措施

为了降低爆破震动对露天矿边坡的破坏作用，在与爆破距离一定的情况下，应对爆破方法、起爆方式、装药结构几方面进行优化，同时还应采取一些其他的辅助措施。

4.1 预裂爆破

预裂爆破[13]是一种特殊的控制爆破，是由光面爆破发展演变而来。预裂炮孔必须先于主爆区炮孔起爆，首先形成一定宽度的贯穿裂缝(预裂缝)，将开挖区和保留区岩体分离，从而减轻保留区的岩体在主爆孔起爆时受到的破坏和震动，尽量保持原始稳定性，留下光滑平整的开挖面。

以358平台为例，设计一系列小孔径、相互平行、倾角46°、深17 m的炮孔(见图4)，逐步调整爆破参数以便起爆后能够形成一个完整的预裂面。这样，预裂面可以把主爆过程中形成的应力波反射回已经开挖的岩石上，并且消散过高的气体压力，从而确保主体爆破对预裂面后的岩体几乎不产生影响。

图4 台阶预裂爆破示意

4.2 起爆方式

孔内微差和地表导爆索的起爆系统，该系统中同段爆破的孔数多，同时起爆的药量就多，因而产生的爆破振速高，严重威胁着采场下帮滑坡体的稳定性。对此在每个分区内进行异步分区，使组与组之间均有不同的微差间隔时间，以有效降低爆破震动。

随着开采水平的不断延深，这种爆破越来越受到爆区规模的限制，地表网络过于复杂，增加了施工的难度，若有某一方面的疏忽就会造成爆破失败。于是，引进澳瑞凯公司的导爆管Unidet系统，即孔内微差—地表微差的起爆系统。该系统孔内导爆管雷管微差时间为400 ms，地面的起爆雷管微差时间为9，17，25，42，65，100 ms。由于选用的孔内雷管的微差时间相同，通过地表导爆管雷管的微差延迟来实现炮孔间的迟发起爆。同时，从起爆到孔内炸药爆炸的时间大大超过地表网路的传爆时间。所以，孔内导爆管和地表联接系统被岩石移动切断的可能性很小。

4.3 装药结构

按照爆区矿岩可爆性，在正常布孔的基础上，根据炮孔所在的位置，对无水炮孔分段装药，中间用岩渣或空气间隔，下段药量占总药量的60%～70%，间隔长度为总装药长度的0.15～0.3倍，间隔装药使得单孔总药量比原先的连续柱状装药用量少，从而有利于减少同时起爆的药量，降低爆破震动，还有利于炮孔上部矿岩的破碎，减少大块的产出。

在浅水孔中也试用了孔底间隔装药技术，在水深不超过1.5 m的孔中，将间隔器下到水的表面，在间隔器上部则由常用的乳化炸药改为多孔粒状炸药，同时起爆药量减少。多次试验结果表明，在用空气间隔器间隔时，不但单孔装药量有所减少，有利于降震，而且爆炸能量得到了充分利用,岩石的破碎效果得到显著改善。

4.4 其他辅助对策

(1)为防止爆破扰动等因素进一步影响边坡稳定性，要及时清理本次滑坡区域，保障过往运输车辆行车安全，在清理过程中要加强警戒，防止未完全滑落的帽檐岩体和浮石继续沿着坡面滚落。

(2)本次滑坡发生的内因是存在石英斑岩脉弱层，因此，可以对下盘扩帮最终边坡裂隙发育及石英斑岩脉区域进行喷锚加固，防止岩石进一步风化。

(3)在有条件的地方采用滑动力、位移、声发射等监测设备对危险区域进行实时不间断监测，发现情况及时预警。矿区采用的滑动力远程监测系统已经多次成功预测滑坡的发生，为采取应对措施提供了充足时间。

(4)下盘扩帮工程已经进入到老滑坡区，在未来扩帮开采过程中，现场施工人员要时刻注意滚石和边坡的变化情况，提高警惕，确保安全生产。

5 结 语

(1)通过对南芬露天矿下盘286～262平台滑坡机理分析，表明南芬露天铁矿区在多种因素耦合作用下容易造成边坡失稳。

(2)采用预裂爆破，优化起爆方式、装药结构等措施可以有效降低爆破震动，减少滑坡发生概率。

(3)边坡治理是伴随着开采作业而进行的一项长期工作，边坡的稳定直接影响着开采作业的正常进行，所以要采取综合防治措施，对滑坡稳定状况进行有效掌握。

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2014-10-24)

李敬辉(1979—)，男，工程师，117000 辽宁省本溪市南芬区南山路12号。