露天煤礦采掘場邊坡穩(wěn)定性分析

石志文

摘要：

露天礦邊坡的穩(wěn)定性是關(guān)系到露天礦安全生產(chǎn)的重要因素，是露天礦山開采設(shè)計過程中首要解決的難題。結(jié)合伊寧縣某露天煤礦的工程地質(zhì)條件，對其采掘場邊坡角進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：

采場；排土場；邊坡；穩(wěn)定性

中圖分類號：

TB

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2015）09019002

1工程概況

某露天煤礦位于伊寧盆地北部伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)一帶，煤礦區(qū)總體呈不規(guī)則多邊形，南北寬約168km，東西長約2.03km，礦區(qū)面積約3.41km2。本區(qū)全區(qū)可采煤層和大部可采4層，即8、9、10、11號煤層，煤層總厚10.12m～50.87m，平均總厚30.75m。露天礦設(shè)計規(guī)模為1.2Mt/a，隨著企業(yè)煤化工產(chǎn)業(yè)的逐漸發(fā)展壯大，用煤量增加，露天煤礦生產(chǎn)能力將增大至5.0Mt/a。

2礦田工程地質(zhì)條件分析

2.1工程地質(zhì)巖段的劃分

本礦田內(nèi)主要分布的是第四系松散巖類和侏羅系沉積碎屑巖兩大類，按巖石堅固性來劃分，前者是松散巖組，后者主要是軟質(zhì)巖組，各工程地質(zhì)巖組分布與厚度因與地層劃分一致。各巖組根據(jù)它們的構(gòu)成介質(zhì)和組合關(guān)系又劃分了4個巖段，自上而下依次順序是：第四系松散巖段、干燥巖段、水位以下非含煤巖段、水位以下含煤巖段。

2.2工程地質(zhì)巖段穩(wěn)固性評價

（1）第四系松散巖段（A）。

包括沖洪積物及風(fēng)成地層。沖洪積層主要為沖溝底部的卵礫石及砂等，沖洪積物呈散體結(jié)構(gòu)，受外力作用，具有移動性，故劃為松散巖段，穩(wěn)固性差。

風(fēng)積物廣泛分布在礦田大部，系基巖地層中的砂巖在干旱的環(huán)境中受外動力地質(zhì)作用的風(fēng)化剝蝕，其巖屑經(jīng)風(fēng)的吹揚及分選就近堆積成風(fēng)積砂及砂土，呈散體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固性較差。鉆孔揭露該巖段厚度最小275m，最厚可達26.88m。

（2）干燥巖段（B）。

該巖段位于第四系松散巖段（A）之下至地下水位以上?？變?nèi)揭露該段巖性為粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖等。巖體中結(jié)構(gòu)體及沉積結(jié)構(gòu)面呈干燥狀態(tài)，由于礦田內(nèi)水位埋深較小，一般小于50m，多在風(fēng)化帶內(nèi)，由于風(fēng)化裂隙的影響，為不穩(wěn)固巖段。

（3）水位以下非含煤巖段（C）。

系地下水位至西山窯組煤層頂板的巖性段，由于鉆孔所處地層部位不同，總體上巖性以細粗粒相交互為特征，由于陸相沉積，巖性的多變性，粗粒相成份相對較高。該巖段巖石多為泥質(zhì)膠結(jié)，次為鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值一般為55%～72%，表明巖體完整性中等，參照煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)測試成果進行評價，巖石質(zhì)量差，結(jié)構(gòu)面為沉積結(jié)構(gòu)層理面，穩(wěn)固性較差。

（4）水位以下含煤巖段（D）。

巖段始于靜水位以下，止于8煤層底界，為一套細粒相夾可采煤層的沉積巖段，粉細砂巖所占比例在60%左右，其RQD值也多小于60%，巖體質(zhì)量指標(biāo)（M）大多在0.01～0.12之間，巖體質(zhì)量差。

2.3煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)

礦田中侏羅統(tǒng)西山窯組中賦存全區(qū)可采8號煤層，8號煤層多存在直接頂板、偽頂板及老頂板，且穩(wěn)定性較差，結(jié)構(gòu)較簡單。總體上，8號煤層頂?shù)装鍘r石在水位以下，處于飽和狀態(tài)，其抗壓強度多為0.501MPa～3.52MPa，為軟巖；由于其巖性成份泥質(zhì)含量較高，軟化系數(shù)多小于0.3，也為軟巖。

2.4影響煤層頂?shù)装寮皣鷰r穩(wěn)定的地質(zhì)因素

（1）巖石性質(zhì)。

巖石性質(zhì)是頂?shù)装寮皣鷰r變形的重要影響因素，礦田內(nèi)炭質(zhì)泥巖、泥巖多數(shù)較松軟，判定為塑性軟巖。細砂巖、泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖、粘結(jié)力不高，抗壓強度也比較低。鈣質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖、細砂巖容易被水溶解，強度也較低，粗砂巖、中砂巖、砂礫巖顆粒成份一般比較堅硬，而且質(zhì)地堅硬的，一般成層較薄，當(dāng)成層較厚的就會成為很好的工程地質(zhì)巖體。

（2）地質(zhì)構(gòu)造。

礦田位于皮里青背斜軸部，含煤地層傾角一般小于10°，區(qū)內(nèi)主壓應(yīng)力為來側(cè)向的順層擠壓力，相對重力作用較弱。

（3）地下水。

地下水往往會對軟質(zhì)的泥巖、粉砂巖起軟化和泥化作用，從而導(dǎo)致發(fā)生塑性變形。

（4）巖體結(jié)構(gòu)面。

泥質(zhì)膠結(jié)的細粒相，它們的層理面就是巖體中的結(jié)構(gòu)面，這些局部地段巖性往往變化頻繁，再加上脆性巖層中發(fā)育的早期和晚期的節(jié)理，縱張節(jié)理等構(gòu)造面，會導(dǎo)致巖體的完整性遭受破壞，最終引發(fā)剪切滑移、松動、脫落等變形和破壞。

（5）煤層頂?shù)装寮皣鷰r穩(wěn)定性。

依據(jù)下侏羅統(tǒng)八道灣組上段含煤巖系沉積結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，和本礦田及相鄰礦區(qū)的巖石物理力學(xué)測試結(jié)果比較，把本礦煤層頂?shù)装寮皣鷰r的穩(wěn)定性劃判定為穩(wěn)固性差類型。礦田內(nèi)主要煤層的頂?shù)装?，均屬于此種類型。各煤層的頂板及底板，多數(shù)為粉細砂巖，偽頂板和底板多數(shù)為炭質(zhì)泥巖或泥巖，它上面部位巖石的飽和抗壓強度一般都在30MPa以下，且軟化系數(shù)多小于0.3，總體強度屬于不穩(wěn)固型。

根據(jù)巖石力學(xué)測試結(jié)果，加上鉆孔力學(xué)性質(zhì)測井成果，本礦區(qū)巖石質(zhì)量屬于極劣～劣，巖體破碎～完整性差，巖體質(zhì)量指標(biāo)（M）一般為0.0038～0.073，為Ⅳ～Ⅴ類巖體，巖體質(zhì)量差～壞。

2.5工程地質(zhì)類型的評述

本礦田地表是以沖洪積、風(fēng)積地貌裸露的基巖風(fēng)化巖體為主，下面為隱伏的干燥巖段，這些巖體都位于地下水混合水位之上，區(qū)域自然地理和水文地質(zhì)條件說明它們不具軟化及泥化作用。

C、D巖段在地下水位以下，這兩巖段巖性組合比較復(fù)雜，巖體多數(shù)為層狀結(jié)構(gòu)，層理面發(fā)育，局部有構(gòu)造節(jié)理面，多數(shù)巖層飽和抗壓強度在30MPa以下，軟化系數(shù)小于0.3。

綜合上面的評述，本礦區(qū)地形地貌條件相對簡單，地形有利于自然排水，地層巖性單一，地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖體結(jié)構(gòu)主要以厚層狀結(jié)構(gòu)為主，但巖石整體強度不高，穩(wěn)固性較差，且存在軟弱夾層和飽水砂巖體，甚至局部地段容易發(fā)生工程地質(zhì)問題，因此本礦區(qū)的工程地質(zhì)條件判斷為層狀巖類中等型。

3采場邊坡穩(wěn)定性分析

采掘場的邊坡分為三個區(qū)，一區(qū)為工作幫區(qū)即西幫，二區(qū)為非工作幫區(qū)即東幫，三區(qū)為端幫即南北幫。邊坡穩(wěn)定系數(shù)是一個與粘聚力、內(nèi)摩擦系數(shù)、邊坡的巖層構(gòu)成、分布、地下水的水位等很多因素有關(guān)的值，它沒有解析解，只有數(shù)值解。

3.1計算指標(biāo)的選取和最終邊坡角的確定

由于地質(zhì)勘探未對邊坡進行專門的邊坡勘探，該礦離國投皮里青露天煤礦只有1km的距離，故其他指標(biāo)采納國投皮里青露天煤礦的指標(biāo)見表1。

3.2最終邊坡角的確定

根據(jù)煤礦的巖石物理力學(xué)指標(biāo)，露天采場各邊幫最終邊坡角確定為33°。

3.3邊坡穩(wěn)定性分析和邊幫穩(wěn)定性驗算

依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》（GB50197-2005）6.0.8條要求，非工作幫坡角服務(wù)年限小于10a，穩(wěn)定系數(shù)為1.1～1.2；服務(wù)年限10a～20a，穩(wěn)定系數(shù)為1.2～1.3。該露天礦的首采區(qū)的南部的服務(wù)年限為25a，在達產(chǎn)第六年就可實現(xiàn)部分內(nèi)排，達產(chǎn)第十六年可實現(xiàn)全部內(nèi)排，邊坡只是短暫存在，且在露天礦北幫布置有疏干降水孔在對地下水進行疏干。總體邊坡角為33°是可以滿足安全要求的。采場各幫的穩(wěn)定性，經(jīng)過驗算，各幫的穩(wěn)定系數(shù)都在1.3以上。

4結(jié)束語

在露天礦的生產(chǎn)中，邊坡失穩(wěn)、破壞往往貫穿于露天礦開采的始終，邊坡如果發(fā)生意外滑坡現(xiàn)象，不僅可能導(dǎo)致礦山全面停產(chǎn)、運輸線路改造等巨大的經(jīng)濟損失，而且會嚴重威脅地表建筑和相關(guān)施工人員與設(shè)備的安全。因此，在露天礦的建設(shè)過程中，我們還需結(jié)合附加荷載特征施工工藝巖土體的現(xiàn)場實際、特征氣候條、臺階高度、平臺寬度和地震等一系列因素的影響，對邊坡進行調(diào)整，以取得最大安全保障及最大的經(jīng)濟效益。