太和鐵礦冰磧土邊坡滑坡分析

秦定明

(重鋼集團礦業有限公司)

重鋼西昌太和鐵礦為攀西地區一特大型晚期巖漿分異型釩鈦磁鐵礦礦床，礦區現狀標高1500～2200 m，整個礦區地形西高東低，北、西、南三面為高山環抱，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，力學強度低，極不穩定，經雨水的沖刷和風化，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生了多處邊坡滑坡和失穩，影響了礦山的正常生產。其中2014年8月，采場南17線1760～1795 m冰磧土邊坡出現滑坡，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，及現有采場內南、北、西三面冰磧土剩余覆蓋量達到7000多萬t的現狀，急需進行冰磧土邊坡穩定性研究，以防止邊坡滑坡事故發生，確保采場生產安全。

1 冰磧土邊坡現狀及特性

1.1 邊坡現狀

目前采場邊坡設計按3個一組設置，每隔兩個安全平臺設置一個清掃平臺，平臺寬度冰磧土中按6∶6∶10(m)設置，階段坡面角 40°，礦巖中按4∶4∶10(m)設置，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，設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°，西北部地質構造影響部分為 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。整個東部以粉砂質頁巖的穩定性最差，尤其在雨季，易于發生滑坡。

(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，力學強度很低，是影響邊坡穩定性的主要因素，在地下水活動的情況下，將會產生坍塌、滑坡等。

(3)南部邊坡。表層也為厚大的冰磧土層覆蓋，穩定性較差，截至目前已發生兩次滑坡事故，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，該層由于受構造、風化的作用影響，造成巖石破碎，裂隙發育，對北部邊坡的穩定性存在較大的影響。

同時礦區出露有昔格達組巖層，主要由黏土巖、粉砂巖，礫巖、砂礫巖等構成，厚薄不均，與太和輝長巖體和小壩組均呈不整合接觸。當昔格達組巖層與冰磧土層在一起時，極易構成不穩定邊坡，造成邊坡滑坡等地質災害出現。

1.2 冰磧土的結構特性

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］。主要由黏質土和礫石構成，其中以黏質土為基礎，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皆可發現，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，由于受到環境的制約，局部礫石含量可能相對集中，呈“聚團”狀產出，或者黏質土相對集中，形成黏質土夾礫的透鏡體，疑視成層，顯示組成多變的特性。冰磧土的膠結狀態也非常不均勻，多為一般性膠結，亦有較強膠結和疏散狀，而礫石與黏土間的膠結程度取決于含水量和所處部位，且膠結緊密強度一般較弱。特別是裸露在坡面的冰磧土，受暴雨沖刷、日久風化作用和爆破振動影響，失去黏結能力;采場內形成的冰磧土邊坡在雨季時，容易垮塌，易出現邊坡滑坡破壞。受冰磧土膠結影響，不爆破時難以挖掘，無法組織生產，對礦山生產非常不利。其物理力學參數見表1。

表1 冰磧土、頁巖物理力學參數

由于冰磧土結構的不均勻性，通過現有方法很難制備有代表性試樣和取得可靠的試驗結果。根據中鋼集團馬鞍山礦山研究院對冰磧土邊坡穩定性分析和冰磧土的三軸數值模擬試驗: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，冰磧土承擔絕大多數變形，直至發生屈服，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，迫使礫石發生位置偏移，造成礫石與冰磧土繼續相互擠壓、咬合，重新組合;同時在試驗中發現，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力平衡，造成應力場重新分布，在應力場逐步調整平衡的過程中，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構面向下滑移。該軟弱結構面主要是由各種不穩定的軟巖夾層和遇水易于膨脹的軟巖面形成，在遇水和風化及外力開挖作用下產生大面積滑移崩落。

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果，滑弧線并不深，集中在基巖上部，主要表現為圓弧型滑坡［5］。圓弧型滑坡常見于土質滑坡，其滑動面為弧形，當巖土體邊坡出現散體結構或破碎及有較多泥質及其他碎屑物質充填，并無緊密結合時，巖土體邊坡就會沿弧形破壞面發生滑動。圓弧型滑坡一般要經過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展緩慢，二、三階段發展加速，與太和鐵礦采場冰磧土變形破壞表現情況完全一致。

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值模擬試驗結果分析其邊坡的穩定性，出現均值安全系數和破壞概率“雙高”的現象。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，邊坡均值安全系數較高，但另一方面，由于參數選擇不確定性大，造成邊坡破壞的概率也較高，甚至達到不可接受的風險水平。

2.2 滑坡原因分析

露天礦山邊坡穩定性安全系數一般取1.1～1.3。從礦山經濟性和安全性考慮，邊坡穩定性的影響因素主要有［6］:巖土體邊坡的力學性質，地質構造的復雜程度，是否有節理，滑面及斷層有無交錯;地面降雨的大小和地下水發育情況;殘余構造壓力的影響程度;邊坡設計是否科學合理，爆破控制是否到位;采場開挖后幾何形態的改變，風化作用等。

2.2.1 地質因素

太和鐵礦礦床上部第四系、第三系冰磧層厚度最大200～300 m，目前采場內南、北、西三面形成的冰磧土臺階邊坡已高達200 m以上，力學強度很低。根據地質報告，內摩擦角最小為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，存在產生滑坡等工程地質隱患。

(1)從采場各臺階的冰磧土邊坡出露情況看，出現滑坡的顯著特征是礫石漂石含量較少，同時含粉質土量較大，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，一般失穩邊坡都是沿著一個或多個軟弱結構面的組合邊界發生剪切崩落滑移，特別是對于邊坡出現的粉砂巖頁巖(此層產狀近于水平，層理極為發育，沿其層理方向，極易剝離呈1～3 mm的薄片，遇水極易崩解，當水動力條件變化時，將會發生潛流)，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。由于粉砂質頁巖被掏出，影響邊坡穩定性，將會產生嚴重的坍塌、滑坡等工程地質問題，此層為其邊坡最軟弱夾層。

(3)受地質構造應力影響。構造應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，且其應力為巖土體自重的許多倍，成為影響冰磧土邊坡穩定性重要因素之一。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1662 m水平前面出現臨空時，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粉砂層頁巖和昔格達組層，另外東側地形相對平緩，膠結狀態較為疏松，力學性質較差。

因此當邊坡出現冰磧土和粉砂巖(頁巖)、昔格達組層接觸帶時，極易出現大型滑坡現象。

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，存在部分地表水滲入，影響到冰磧土邊坡的穩定性。

太和鐵礦礦區由于經受了長期的地質作用和構造變動，礦山已經經歷多年的生產建設，出露的斷層破碎帶、層間擠壓帶及輝綠巖脈等都極易風化。加上西昌地區氣候風蝕明顯，加劇了物理風化作用，同時伴隨著地表水化學風化，使得巖土體易形成力學性質不良的風化夾層，也導致了冰磧土邊坡的不穩定性。

2.2.3 生產組織的影響

目前采場開挖后形成的冰磧土臺階高度為100～200 m，隨著生產的推進，臺階整體高度還將進一步提高，另外礦山產能一直處于擴張期，采區采用分期開采，使冰磧土邊坡處于動態變化中，非最終穩定邊坡，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計范圍內，但受挖掘設備和操作影響，單臺階坡面角大都在60°左右(設計土體臺階坡面角為40°)，超挖坡底現象嚴重，甚至還有傘檐出現，造成邊坡開挖前期是穩定的，臺階形成幾年后，坡頂和坡足線均出現鋸齒狀，邊坡垮塌和礫石滾落現象。各安全、清掃平臺不平整，平臺上滾石、塌落的土體未作清理，邊坡整體發生變化，形成不穩定邊坡。

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，當壓縮波到達邊坡自由面后，開始產生拉伸波，使巖土體受到拉伸作用，原裂隙張開、擴展或產生新的裂隙，導致巖土體發生變形或遭到破壞。如邊坡已經出現變形，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，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衰減慢，傳播距離較遠，同時爆破作業頻繁，對冰磧土邊坡穩定性的造成一定危害。

2.2.5 設計因素

采場邊坡設計主要參照類似礦山。在邊坡角的選擇和邊坡參數的選取方面技術支撐不夠，僅僅按礦巖、土體分兩大類，未充分利用已有地質勘探成果及邊坡研究資料進行細分計算，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。采場作分期開采設計時，人為對采場劃分分期，未考慮分期區域的工程地質條件，造成對邊坡角的選擇和邊坡參數的選取設計簡單機械，與采場實際工程地質條件有沖突。

2.2.6 監測和防控措施因數

冰磧土邊坡監測系統不完善，目前有效的監測和防控措施主要還以人在現場檢查為主，利用精密水準測量儀等定期測定測站和覘標，對冰磧土層邊坡而言，不能完全反應邊坡實際狀況(冰磧土邊坡遇水和風化及爆破震動后極易發生階段臺階滑坡，但是整體來看，邊坡又是穩定的)。因此造成目前邊坡監測防控還是以事后為主，事前預防較為單一。

3 滑坡預防和治理

針對采場冰磧土邊坡出現的滑坡問題，削坡減壓進行邊坡減重，是抑制滑坡體進一步發生發展，控制邊坡失穩體活動最常規也是最有效、最經濟的措施。

(1)加強邊坡設計研究。利用已有的地質勘探成果及邊坡研究資料進行細分計算，特別是粉砂質頁巖和昔格達組層等軟弱結構面等，做好邊坡設計的研究比對工作。重視選擇參數:原設計方案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)完善采場內外的截排水系統，將地表徑流引走，防止暴雨徑流沖刷邊坡;采場內的地下水，要及時疏通，導流，防止淤堵;另外在暴雨前后要安排專人對采場內外的截排水溝跟蹤檢查，對出現的損壞部位要及時修復，防止滲水。

(3)重視生產的組織安排。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熟練程度的影響，冰磧土層邊坡的坡腳易出現超挖現象，影響邊坡穩定。因此，在實際生產中，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，預留平臺寬度為10～12 m，即使形成的臺階在雨季和風化作用下，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，兼顧采場的生產組織安全，留足生產設備和采掘的安全作業空間。

(4)采用控制爆破技術，減少爆破對冰磧土邊坡的破壞?？刂票扑蓜訋Ш穸?、靠幫爆破最大段藥量(冰磧土爆破不適合采用預裂和光面爆破)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。目前采場爆破作業采用逐孔控制爆破技術，對確保邊坡穩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。對采場內已經開挖到設計開采境界、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)繼續完善邊坡監測系統，及早發現邊坡應力、位移的變形移動，當發現邊坡有失穩征兆時，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，根據變形發展規律，對邊坡滑動情況進行預測、預報和評判。特別是每次發生的冰磧土邊坡滑坡的監測原始記錄要完整，相關處理方案及結果要建檔成冊備查。

［1］ 曹作忠，江龍劍，周玉新.重慶鋼鐵集團太和鐵礦采場邊坡工程地質勘察報告［R］.馬鞍山:中鋼集團馬鞍山礦山研究院工程勘察設計研究院，2006.

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［5］ 徐鼎平，朱大鵬.太和鐵礦西端幫冰磧土邊坡穩定性分析方法研究［J］.巖石力學與工程學報，2008(S2):3336-3340.

［6］ 徐鼎平.某露天鐵礦冰磧土臺階邊坡可靠性分析［J］.巖土工程技術，2007(1):11-14.

［7］ 陳 壽.冰磧土臨近邊坡穩定分析與網孔參數優化探討［J］.現代礦業，2012(2):74-75.

［8］ 毛勝光，曹作忠.以滾石運動確定冰磧土邊坡安全平臺寬度初探［J］.礦業快報，2006(4):48-52.

［9］ 趙有國，許全勝，龍曉玲.降震技術在冰磧土爆破中的應用［J］.有色金屬，2008(3):45-49.