八、露天矿边坡与排土场灾害防治（一）概述露天矿开采是矿产资源开采的一种主要方法，我国露天铁矿石产量约占铁矿石总产量的77%左右，有色金属占52%左右，化工矿物占70.7%左右，煤矿一直低于4%，而建筑材料则近100%。
露天矿边坡是露天矿最主要的结构要素，随着矿山的开挖及开采活动贯穿于矿山服务的始终。
露天矿边坡滑坡灾害一直是生产安全中的一个突出间题，，我国绝大多数露天矿都曾发生过规模不等的滑坡灾害。
据十个大型金属露天矿山的统计，不稳定或具潜在滑坡危险性的边坡约占边坡总长度的20%，个别露天矿甚至高达33%，且随着露天矿向深部的开采，边坡的稳定条件将愈来愈恶化。
露天矿边坡滑坡是指边坡体在较大的范围内沿某一特定的剪切面滑动，一般的滑坡是滑落前在滑体的后缘先出现裂隙，而后缓慢滑动或周期地快慢更迭，最后骤然滑落，从而引起滑坡灾害。
滑坡灾害是露天矿山最频繁的地质灾害。
本钢南芬露天矿1999年至2002年，陆续发生4次60万m3-110万m3的大滑坡，抚顺西露天煤矿在65年开采中发生滑坡灾害64次，平均每年发生滑坡1次，阜新海州露天煤矿在33年开采中发生滑坡灾害64次，平均每年发生滑坡1.9次，平庄西露天矿在27年开采过程中发生滑坡灾害45次，平均每年发生滑坡1.7次。
露天矿边坡频繁的滑坡灾害对周围环境和人民的生命、财产将带来严重的损失，造成了多起重特大事故。
抚顺西露天煤矿1959年底板凝灰岩顺层滑坡造成矿山停产损失2000余万元，1964年南帮西部发生滑坡造成矿山机修厂滑落，1979年西端帮大滑坡再度使矿山停产。
1981年6月攀钢石灰石矿采场西部大滑坡，滑坡体总量达1100万吨，直接损失达2000多万元，间接损失上亿元，影响生产近1年。
1999年7月酒泉钢铁公司黑沟铁矿发生重大滑坡泥石流事故，堵塞酒泉市、嘉峪关市两市唯一的水源北大河，造成直接经济损失4000余万元。
2001年江西乐平县山下村采石场滑坡，造成28人死亡。
矿山排土场，也称废石场，是指矿山采矿排弃物集中排放的场所。
排土场作为矿山接纳废石的场所，是露天矿开采的基本工序之一，是矿山组织生产不可缺少的一项永久性工程建筑。
当排土场受大气降雨或地表水的浸润作用，排土场内堆积材料的稳定状态会迅速恶化，引发滑坡和泥石流等灾害。
1979年12月兰尖铁矿排土场发生200万米m3滑坡，是国内矿山最大的排土场滑坡。
海南铁矿6号排土场东部于1973年8月连续大雨之后产生几十万立方米的大滑坡，导致排土场停产。
朱家包包铁矿排土场在1978年至1979年间曾发生3次滑坡，体积达36万m3。
云浮硫铁矿排土场1972年受台风和暴雨影响发生泥石流，淹没农田194公顷，1975年再次发生泥石流，汇水面积0.3km3，冲毁河堤28处、总长4187m，农田1334公顷，淹没民房、铁路、桥梁、厂房多处，损失巨大。
高陡边坡和排土场是露天矿开采不可避免且将长期存在的重大安全隐患，对矿山生产、矿区环境和周边群众及建筑设施构成巨大威胁。
为了保证露天矿山生产和人民生命财产的安全，必须明确露天矿山滑坡泥石流可能发生的位置、风险程度、灾害形式和波及范围，才能对灾害进行人为控制。
因此，露天矿山企业应及时对矿山边坡和排土场进行稳定性分析评价，对滑坡和泥石流灾害区域进行调查，对高风险区域进行重点安全监测和预测，掌握不稳定滑流体的各项参数，对其进行加固治理，降低工程风险。
（二）露天矿滑坡灾害1. 露天矿山边坡的构成根据矿床埋藏的地形条件，露天矿分为山坡露天矿和凹陷露天矿，以露天开采境界封闭圈进行划分。
封闭圈以上为山坡露天矿，封闭圈以下为凹陷露天矿。
露天开采所形成的采坑、台阶和露天沟道的总合称为采场。
由露天采场的底面和坡面限定的可采空间的边界，称为露天开采境界。
露天开采时，把开采境内的矿岩划分为一定厚度的水平分层，自上而下逐层开采。
台阶是露天开采的基本构成要素，是独立剥离和采矿作业的单元，台阶的命名通常是以该台阶的下部平盘（装运设备站立平盘）的标高来表示。
台阶构成要素如图8-1所示。
图8-1边坡台阶构成要素示意图露天矿采场由台阶坡面和安全平台、清扫平台、运输平台组成。
安全平台主要作用是缓冲和阻截滚石，宽度要求大于4m；并每隔2~3个台阶设一个清扫平台，用于阻截和清扫滚石，宽度根据平台清扫手段取6~15m；运输平台是工作台阶与出入沟之间的运输联系通路，宽度根据装载和运输设备不同取10~30m或更大。
最终边坡角是露天采场最下一个台阶的坡底线和最上一个台阶的坡顶线构成的假想斜面与水平面的夹角，也称最终帮坡角或最终边帮角，是按露天矿边坡结构要素布置后形成的实际角度。
采场构成要素如图8-2所示。
图8-2露天矿采场构成要素示意图露天矿的最终边坡角是边坡稳定的重要参数，直接影响着矿山的生产能力和安全水平，在露天矿山设计和生产中具有十分重要的意义。
露天矿边坡角大小必须满足边坡稳定的要求，但是随着采场开采深度的增加和边坡角的减缓，剥离量将急剧增加，导致开采成本增高，而边坡角过大，进行陡帮开采虽然可以提高采剥比，降低生产成本，但是可能导致严重的滑坡事故，造成重大人员伤亡和经济损失。
因此，综合考虑经济与安全因素，合理选取边坡角，在保证边坡安全的条件下低成本开采是露天开采的最基本原则。
表8-1和表8-2给出了按边坡稳定性进行岩石分类和露天采场边坡角概率值、台阶坡面角参考值。
表8-1按边坡稳固性进行的岩石分类和露天采场边坡角概略值运输平台安全平台清扫平台工作耳盘 清扫平台表8-2台阶坡面角参考值2. 露天边坡工程的主要特点（1）由于矿体赋存空间的限制，构成露天矿边坡的岩体、结构、地下水条件以及原岩应力状态都是具有明显的不可选择性。
露天矿山边坡一般较高，从几十米到数百米不等，走向长达数公里，边坡暴露岩层较多，地质差异性大，变化复杂。
边坡面一般由爆破和机械开挖形成，坡度由人为控制，暴露岩体一般不加维护，岩体较破碎，受风化影响大。
（2）露天矿边坡是历经几十年的开采过程逐步形成的，具有工程构筑与使用同步、工程实践与认识同步的特点。
由于露天矿工程条件和评价模型的不确定性，使其在整个服务期间都承担着不同位置、不同程度、随时间变化的风险。
露天矿山自上而下开采，上部边坡服务年限可达几十年，下部边坡服务年限较短，底部边坡采矿完成即可废止，各部位的稳定性要求不尽相同。
（3）露天矿山边坡依附于采矿作业而存在，在形态上受采矿工程的制约，是采矿系统的一个子系统，边坡的稳定性不可避免的受每天频繁的凿岩、爆破、载重运输等工艺的扰动影响。
（4）边坡工程是露天矿山最重大的安全工程。
必须保证其在矿山的开采、时间的推移和地质条件的变化等条件影响下，仍具备安全和可靠的稳定性。
在此基础上，可以允许边坡岩体产生一定的变形，甚至可以产生一定的破坏，使岩层应力得到释放，降低生产成本。
这与水电坝址边坡、公路路基边坡等工程具有明显不同。
（5）随着矿产资源需求的增加，露天矿山开采能力日益加大，露天矿山边坡向着深凹开采、陡帮开采、露天转地下扰动开采、复杂边坡开采等趋势发展，对矿山风险控制提出了更高的要求。
3. 露天边坡工程的破坏规律（1）边坡的破坏类型岩质边坡的破坏方式可分为滑坡、崩塌和滑塌等几种类型。
①滑坡滑坡是指岩土体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。
滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下。
当滑动面通过塑性较强的土体时，滑速一般比较缓慢；当滑动面通过脆性较强的岩石或者滑面本身具有一定的抗剪强度时，可以积聚较大的下滑势能，滑动具有突发性。
根据滑面的形状，其滑坡形式可分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动。
平面剪切滑动的特点是块体沿着平面滑移，可进一步分为简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多滑块滑动（倾倒滑动）几种破坏模式，如图8-3。
旋转剪切滑动的滑面通常成弧状，岩土体沿此弧形成滑面滑移，如图8-4。
图8-3 平面剪切滑坡及其分类图8-4 发生在圆弧滑面上的旋转剪切破坏当岩体发生滑动破坏时，按照受力状态、发生时间、与层面的关系、滑体规模、滑体厚度和滑动速度可以将滑坡划分为不同类型，见表8-3所示。
其中特大型、巨厚层、高速滑坡具有强大的破坏力，其形成的条件是：边坡具有相当大的高差（>100m），具有相当大的体积（>100万m3），具有较陡的滑面坡度（>20°），具有较大的峰残强度差（比值大于2），具有较高的滑坡剪出口，并且滑坡前方有开阔地形。
表8-3 滑坡其他单一指标分类方法②崩塌崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下。
在崩塌过程中，岩体无明显滑移面，同时下落的岩块或未经阻挡而落于坡角处，或于斜坡上滚落、滑移、碰撞最后堆积于坡角处，如图8-5。
岩坡的崩塌常发生于既高又陡的边坡前缘地段，具有逐次后退、规模逐渐减小的趋势。
裂隙水的冻结而产生的楔开效应、裂隙水的静水压力、植物根须膨胀压力以及地震、雷击等的动力荷载等，都会诱发崩塌破坏。
图8-5 崩塌示意图③滑塌松散岩土的坡角β大于它的内摩擦角Ф时，表层蠕动使它沿着剪切带表现为顺坡滑移、滚动与坐塌，从而重新达到稳定坡角的破坏过程，称为滑塌或称为崩滑，如图8-6。
滑塌部分与未滑塌部分的分界，通常在断面上成直线。
滑塌是一种松散岩体或岩、土混合体的浅层破坏形式，与风化应力、地表水、人工开挖坡角及振动等作用密切相关。
图8-6 滑塌示意图（2）边坡滑坡的影响因素露天矿山边坡的变形、失稳，从根本上说是边坡自身求得稳定状态的自然调整过程，而边坡趋于稳定的作用因素在大的方面与自然因素和人类活动因素有关。
①自然因素（a）岩层岩性。
岩石的物理力学性质及矿物成分，结构与构造，对整体岩层而言，是确定边坡的主要因素之一。
相间成层的岩层，其厚度、产状及在边坡内所处的部位不同，稳定性亦不一样。
（b）岩体结构。
岩体结构面是在地质发展过程中，在岩体内形成具有一定方向、一定规模、一定形态和不同特性的地质分割面，统称为软弱结构面，它具有一定的厚度，常由松散、松软或软弱的物质组成，这些组成物质的密度、强度等物理力学属性较之相邻岩块则差得多。
在地下水作用下往往出现崩解、软化、泥化甚至液化的现象，有的还具有溶解和膨胀的特性，具有这样软弱泥化的结构面的存在，就给边坡岩体失稳创造了有利的条件。
（c）风化程度。
岩层的风化程度愈深，则岩层的稳定性愈低，要求的边坡坡度愈缓。
例如花岗岩在风化极严重时，其矿物颗粒间失去连接，成为松散的砂粒，则边坡的稳定值近似于砂土所要求的数值。
（d）水文地质。
地下水对边坡稳定的主要影响有：使岩石发生溶解、软化，降低岩体特别是滑面岩体的力学强度；地下水的静水压力降低了滑面上的有效法向应力，从而降低了滑面上的抗滑力；产生渗透压力（动水压力）作用于边坡，使岩层裂隙间的摩擦力减小，其稳定性大为降低；在边坡岩体的孔隙和裂隙内运动着的地下水使土体容重增加，增加了坡体的下滑力，使边坡稳定条件恶化。