劉建麗

（唐山冀東水泥股份有限公司，河北 唐山 063000）

由于歷史遺留原因，唐山冀東水泥股份有限公司石灰石礦北采區(qū)預(yù)留的邊坡已被破壞，部分平臺(tái)缺失嚴(yán)重。隨著開(kāi)采年限的增長(zhǎng)，開(kāi)采深度的加深，邊坡高差大，受本身地質(zhì)條件和外部環(huán)境等多方面因素的影響，極易形成邊坡陡立，邊坡失穩(wěn)，將直接影響礦區(qū)的安全生產(chǎn)，發(fā)生安全生產(chǎn)事故，還會(huì)引發(fā)一系列礦山地質(zhì)問(wèn)題，如壓占損毀土地資源、破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡、誘發(fā)邊坡地質(zhì)災(zāi)害等[1-4]。

目前在邊坡治理與環(huán)境恢復(fù)的防治措施中，一般主要采取控制爆破技術(shù)進(jìn)行削坡減載、截排水、坡腳壓載、噴播綠化等工程技術(shù)措施，消除邊坡危害，恢復(fù)礦山環(huán)境[5-8]。對(duì)于質(zhì)量復(fù)雜且剝采比較高的石灰石礦山來(lái)說(shuō)，削坡減載不但增加廢石排放量，增加礦山生產(chǎn)成本，排放的廢石也將污染礦區(qū)周邊環(huán)境；而采取廢石填方出平臺(tái)，不但解決廢石堆放問(wèn)題，達(dá)到了安全穩(wěn)定的要求，還大大降低了礦山生產(chǎn)成本。

1 礦山概況

1）地質(zhì)概況。礦山礦床呈完整的寬緩向斜，礦體以冶里組豹皮灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r為主，礦床頂板為亮甲山組灰質(zhì)白云巖，底板為寒武系鳳山組泥質(zhì)條帶灰?guī)r及薄層泥質(zhì)灰?guī)r等，各巖體間為層狀結(jié)構(gòu)類(lèi)型，呈整合或平行不整合接觸關(guān)系。巖層傾角較緩，邊部一般30°～45°，中部一般小于15°，各巖層間不存在軟軟夾層，地表風(fēng)化帶深度10～20 m，采坑邊坡均為巖層傾斜面，基本不存在上部荷載。根據(jù)巖石性質(zhì)、巖層傾角、傾向、構(gòu)造，以及穿爆方法等因素，礦體由上至下分層開(kāi)采，臺(tái)階高度12 m，工作臺(tái)階坡面角取65°～70°，非工作臺(tái)階坡面角取65°。據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等條件，采用類(lèi)比法確定最大露天最終邊坡角55°。

2）采區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀。唐山冀東水泥股份有限公司石灰石礦始建于1983 年，設(shè)計(jì)開(kāi)采深度50 m 以上，開(kāi)拓方案為露天開(kāi)采，采用公路－汽車(chē)－鋼芯膠帶機(jī)聯(lián)合開(kāi)拓運(yùn)輸方案。礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有2 個(gè)采區(qū)在生產(chǎn)，分別為北采區(qū)和南采區(qū)，北采區(qū)位于礦區(qū)的北部8～14勘探線(xiàn)間，現(xiàn)已形成6 個(gè)臺(tái)段，目前已開(kāi)采至＋50 m水平。礦山年采剝總量1 200 萬(wàn)t，剝采比0.8∶1，剝離量大，廢石排放是制約礦山生產(chǎn)瓶頸問(wèn)題。

2 礦山北采區(qū)邊坡安全隱患

由于歷史遺留原因，礦山北采區(qū)預(yù)留的邊坡已被破壞，缺失嚴(yán)重，邊坡上到處存有遺留的散石堆。礦山開(kāi)采最高點(diǎn)為＋221 m，最低開(kāi)采標(biāo)高＋50 m，相對(duì)高差170 m，邊坡破壞后，安全平臺(tái)、清掃平臺(tái)、邊坡坡面角等已不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1）山體滑坡及危石滑落。引起山體邊坡失穩(wěn)的原因主要有：工程地質(zhì)條件差，巖石堅(jiān)固性差，結(jié)構(gòu)不完整，存在地質(zhì)構(gòu)造弱面，如巖體的結(jié)構(gòu)面、節(jié)理、裂隙等，巖石不穩(wěn)固。北采區(qū)上由于邊坡落差較大，邊坡巖體較為破碎，且受到風(fēng)化，周邊裂隙以及雨水滲透侵蝕等影響，使得本來(lái)不完整的巖體的強(qiáng)度大大降低，滑體無(wú)根基，特別是在夏季多雨季節(jié)或春季冰雪融化時(shí)期，存在很大的安全隱患，一旦發(fā)生大面積山體滑坡，對(duì)下方的采場(chǎng)會(huì)造成巨大的沖擊，對(duì)人員和設(shè)備造成極大的威脅。

2）爆破危害。露天采場(chǎng)中深孔爆破時(shí)，會(huì)產(chǎn)生爆破振動(dòng)、爆破內(nèi)部破壞作用等，對(duì)露天邊坡有一定的影響。地震波通過(guò)巖體時(shí)，給巖體的潛在破壞面以附加的動(dòng)力，可使巖體的原有結(jié)構(gòu)面規(guī)模擴(kuò)大，承載力降低，并可產(chǎn)生次生結(jié)構(gòu)面（爆破裂隙），從而促使邊坡破壞。也就是說(shuō)，露天邊坡在爆破的反復(fù)震動(dòng)作用下，其穩(wěn)定性會(huì)受到影響，甚至遭受破壞而發(fā)生滑坡事故。

根據(jù)上述分析，若北采區(qū)邊坡不加治理繼續(xù)開(kāi)采，將容易發(fā)生滾石和滑坡事故。邊坡巖體較為破碎，且受到風(fēng)化，周邊裂隙以及雨水滲透侵蝕等影響，使得本來(lái)不完整的巖體的強(qiáng)度大大降低，特別是在夏季多雨季節(jié)或春季冰雪融化時(shí)期，極易造成大面積山體滑坡，而在其正下方即為礦山生產(chǎn)作業(yè)面和村民的基本農(nóng)田，嚴(yán)重威脅到礦山下部開(kāi)采安全和村民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。若對(duì)邊坡不及時(shí)處理，邊坡荷載、爆破振動(dòng)、水文及其它擾動(dòng)的綜合作用下，容易引發(fā)邊坡失穩(wěn)甚至大規(guī)?；?，對(duì)下游一定范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施及人員造成嚴(yán)重威脅。

3 邊坡治理與環(huán)境恢復(fù)方案

3.1 回填缺失平臺(tái)

北邊坡已開(kāi)采到底板，為終了邊坡。若通過(guò)擴(kuò)幫設(shè)置平臺(tái)，不但增加成本，擴(kuò)幫產(chǎn)生的廢石也無(wú)處堆放，因此，根據(jù)礦山地質(zhì)條件現(xiàn)狀，利用礦山礦體的賦存特點(diǎn)，采用填方出平臺(tái)，放緩坡面角，壓腳穩(wěn)坡，使阻滑力與下滑力的比值提升至合理區(qū)間。為了達(dá)到邊坡穩(wěn)定的目的，每隔15 m 高差填方出1 個(gè)最終平臺(tái)，回填出最終邊坡參數(shù)如下：①臺(tái)階高度：15 m；②臺(tái)階坡面角：30°；③最終平臺(tái)寬度：24 m；④最終邊坡角：18°；⑤最終堆置高度：自104 m 水平堆至170 m 水平，堆高66 m；⑥臺(tái)階數(shù)4，依次為119、134、149、170 m 水平。

回填的物料采用礦山剝離的廢石，通過(guò)回填出平臺(tái)的方式既能解決礦山廢石堆放問(wèn)題，還能達(dá)到邊坡治理的目的，極大的降低礦山生產(chǎn)成本。

3.2 疏排水

1）平臺(tái)排水采用修建混凝土道路，并在道路兩側(cè)設(shè)置緩沖水池的方式。道路路面硬化，寬3 m，路面、路基各高150 mm，兩側(cè)路緣石高200 mm，道路路面由中線(xiàn)向兩側(cè)設(shè)計(jì)3%的坡度，沿道路前進(jìn)方向設(shè)置±3‰的坡度，道路兼具排水功能，沿道路前進(jìn)方向每隔約400 m 在道路兩側(cè)分別設(shè)置1 個(gè)緩沖水池。

2）坡面設(shè)置縱向排水溝?？v向排水溝主要為道路收集的降水向下級(jí)平臺(tái)輸送，縱向排水溝每隔400 m 布設(shè)1 道。排水溝頂寬1 m，底寬0.6 m，深0.5 m，部分區(qū)域排水溝規(guī)格可根據(jù)水量進(jìn)行調(diào)整。

3.3 坡腳防護(hù)及攔碴工程

為達(dá)到壓腳穩(wěn)坡的效果，在每個(gè)邊坡坡底處堆砌廢石用以壓腳，借以支撐滑體和增加滑體下部滑動(dòng)面上的摩擦力，同時(shí)攔截部分碴石。

在開(kāi)采最低標(biāo)高的1 個(gè)臺(tái)階坡腳位置設(shè)1 座防護(hù)壩。防護(hù)壩采用露天采場(chǎng)剝離的大塊巖石堆筑而成，亦作為滲水過(guò)濾層。壩體斷面為梯形，內(nèi)坡比為1∶1.20，外坡比為1∶1.73，壩高4.5 m，頂寬2 m。施工前，將原始地表山坡基底進(jìn)行處理，按壩體底寬，采用挖掘機(jī)將表面風(fēng)化層剝離，露出巖石基底，以增加穩(wěn)定性[9]。

3.4 邊坡穩(wěn)定分析

通過(guò)以上工程實(shí)施，回填后的最終邊坡角不大于45°，平臺(tái)寬度大于20 m，故塌方及滑坡出現(xiàn)率極小，邊坡穩(wěn)定性良好。為此，礦山委托第三方機(jī)構(gòu)對(duì)礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，借助slide 軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，使用垂直條塊極限平衡法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[10]。

1）邊坡安全等級(jí)的確定。內(nèi)排排土場(chǎng)邊坡高度范圍約為50～85 m，根據(jù)GB 51016—2014《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，邊坡高度H＜100 m 范圍內(nèi)，屬于中、低邊坡，且根據(jù)邊坡現(xiàn)狀情況，認(rèn)為最終邊坡危害等級(jí)Ⅲ級(jí)，因此，綜合評(píng)定認(rèn)為本排土場(chǎng)邊坡安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2）排土場(chǎng)邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)的選取。根據(jù)本礦巖土體性質(zhì)，參照《巖土力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》，邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)選取為：密度1.95 t/m3；內(nèi)摩擦角22°；黏聚力20 kPa。

3）邊坡安全分析工況。根據(jù)規(guī)范，露天礦邊坡需要計(jì)算不同荷載工況下的安全穩(wěn)定情況。不同荷載組合下邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同荷載組合下邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)

4）邊坡安全穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果。對(duì)取的4 個(gè)典型邊坡剖面進(jìn)行計(jì)算和分析，對(duì)每個(gè)剖面在荷載組合1（自重）、荷載組合2（自重＋爆破振動(dòng)）和荷載組合3（自重＋地震振動(dòng)）3 種不同荷載工況下的安全穩(wěn)定性。各典型剖面采場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)表見(jiàn)表2，各典型坡面最終邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)表見(jiàn)表3。由表2 和表3 可知，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與規(guī)范要求相比較，礦山現(xiàn)狀邊坡和最終邊坡安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求，最終邊坡是穩(wěn)定的。

表2 各典型剖面采場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡最小安全穩(wěn)定系數(shù)表

表3 各典型坡面最終邊坡最小安全穩(wěn)定性系數(shù)表

3.5 邊坡在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

回填后的平臺(tái)相當(dāng)于一個(gè)排土場(chǎng)，排土場(chǎng)作為永久建筑設(shè)施，對(duì)其周邊設(shè)施、人員來(lái)說(shuō)都是潛在危險(xiǎn)源，一旦發(fā)生災(zāi)害，如不能及時(shí)預(yù)警，對(duì)其下游的設(shè)施和人員將造成不可估量的損失，因而加強(qiáng)對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)是十分重要的，故在平臺(tái)上設(shè)置邊坡在線(xiàn)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)北采區(qū)邊坡實(shí)際情況，在邊坡上設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆孔直徑為100～120 mm，深15～20 m 的鉆孔。每個(gè)孔安裝2 個(gè)測(cè)斜儀，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間有線(xiàn)纜連接，傳感器測(cè)量的水平位移信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸至監(jiān)控中心綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件系統(tǒng)根據(jù)獲取的邊坡水平位移數(shù)據(jù)，采用相關(guān)模型算法計(jì)算邊坡實(shí)時(shí)位移量，并對(duì)邊坡位移進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。

3.6 邊坡覆土和綠化及引水上山噴灌工程

1）邊坡覆土。對(duì)修整后的邊坡的平臺(tái)、坡面進(jìn)行覆土，恢復(fù)礦山環(huán)境。土主要來(lái)自礦山礦界內(nèi)表層山皮土，不外購(gòu)?fù)?，自上而下進(jìn)行覆土回填。坡面覆土厚度0.3 m，平臺(tái)覆土0.8 m。使其達(dá)到植被生長(zhǎng)的要求后。對(duì)于礦車(chē)不能到達(dá)地點(diǎn)采用人工運(yùn)送土方。在平臺(tái)邊緣設(shè)置擋土墻1 道，攔擋土壤，防止強(qiáng)降雨時(shí)引發(fā)水土流失。

2）邊坡綠化。覆土結(jié)束后，進(jìn)行綠化。臺(tái)階以植樹(shù)為主，輔以種草。除種植已生長(zhǎng)樹(shù)木外，也可種植景觀樹(shù)種，如太陽(yáng)李、北美海棠、榆葉梅等高檔觀賞樹(shù)種。增加礦山美化，各平臺(tái)靠山體一側(cè)種植1 排藤蔓（爬山虎），種植間距0.2 m。臺(tái)階、坡面以種草綠化為主，靠自然生長(zhǎng)，輔以草籽撒播。

3）引水上山噴灌工程。為保證治理區(qū)的綠化效果，保證植被存活率，建立綠化噴灌系統(tǒng)，噴灌系統(tǒng)水源取自采場(chǎng)坑底水，噴灌主管路自坑底沿邊坡修至各平臺(tái)，主管路采用無(wú)縫鋼管。平臺(tái)布置旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行灌溉，噴頭由PE 灌溉管與主管路連接，噴頭間距20 m。

4 結(jié)語(yǔ)

唐山冀東水泥股份有限公司石灰石礦基于礦山自身地質(zhì)條件，礦體賦存特點(diǎn)，通過(guò)填方出平臺(tái)，并建設(shè)相關(guān)安全設(shè)施，既解決了礦山廢石堆放問(wèn)題，又滿(mǎn)足安全要求，且實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)。邊坡治理后，可有效控制泥石流、山體塌方等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。對(duì)治理后的邊坡通過(guò)人工覆土及綠化，增加草地面積，可有效減緩水土流失，不僅已損毀的山體得到治理及綠化，有效地遏制水土流失，還可改善及恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。