安太堡露天礦北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)測

楊 秀，王 哲，韓 亮，于崢嶸

（1．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2．中煤平朔集團(tuán)有限公司 井工三礦，山西 朔州 036006）

安太堡露天礦北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)測

楊 秀1，王 哲2，韓 亮1，于崢嶸1

（1．中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2．中煤平朔集團(tuán)有限公司 井工三礦，山西 朔州 036006）

隨著開采強(qiáng)度和生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大，地質(zhì)構(gòu)造與征地困難等因素共同影響，安太堡露天礦采場、排土場邊坡的暴露高度、范圍及時(shí)間也在持續(xù)增加，邊坡安全隱患日益凸顯，對露天礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了一定的威脅。在2016年底北幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)上，對2017年設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析預(yù)測，對科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)具有實(shí)際意義。

暴露高度；安全生產(chǎn)；邊坡穩(wěn)定性

1 概 況

2017年安太堡露天礦處于背斜區(qū)影響范圍內(nèi)，該背斜區(qū)寬為1.2 km，走向?yàn)镾E—NW方向，在背斜的東翼煤系地層由近水平變?yōu)閮A斜，煤層傾角急劇增大，平均達(dá)到8°～12°（14%～21%），局部最大傾角22°（40%），背斜區(qū)煤系地層下降50～100 m，煤層下降最大值為270 m，11#煤層底板標(biāo)高為1 050 m左右，邊坡高度增加；再加之北幫受北嶺村征地影響，北幫邊坡不能及時(shí)靠界，暴露時(shí)間加長，邊坡安全隱患凸顯，對露天礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此對2017年北幫設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性做出科學(xué)預(yù)測是目前急需解決的重要技術(shù)課題。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法的選取

目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法中最常用的方法為極限平衡法，其計(jì)算模型簡單、參數(shù)量化準(zhǔn)確、其計(jì)算結(jié)果直接實(shí)用等特點(diǎn)。在其理論形成過程中，出現(xiàn)一系列簡化計(jì)算方法，比如瑞典法、Bishop法和陸軍工程師團(tuán)法等，其計(jì)算方法不同，力學(xué)機(jī)理和適用條件也不同。通過對比分析，本次穩(wěn)定計(jì)算采綜合采用Bishop和Spencer法來確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[1-5]。

3 邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)的確定

采用極限平衡分析方法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，安全儲(chǔ)備系數(shù)或者說穩(wěn)定系數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算中的一個(gè)定量參數(shù)，它將直接影響到設(shè)計(jì)邊坡的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范第6.0.8條規(guī)定并根據(jù)目前對安太堡露天礦研究區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)、構(gòu)造條件、以及所掌握的相關(guān)資料情況，本次穩(wěn)定性分析安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取應(yīng)當(dāng)充分考慮時(shí)間效應(yīng)，按永久性邊坡和臨時(shí)性邊坡分別予以充分考慮。對于端幫邊坡的穩(wěn)定性，選取Fs為1.20（服務(wù)年限10～20 a）；對于排土場邊坡的穩(wěn)定性，選取Fs為1.20（＞20 a）進(jìn)行保守計(jì)算。認(rèn)為Fs>1.2時(shí)邊坡穩(wěn)定，1.1

4 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值

本次邊坡穩(wěn)定性預(yù)測分析巖土體物理力學(xué)指標(biāo)采用如下方法得到：

通過收集和整理礦區(qū)以有的巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、對工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查取得的巖土樣進(jìn)行巖土的物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后通過強(qiáng)度折減法最終獲得巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

經(jīng)過對比與分析，本次所使用的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 安太堡礦端幫穩(wěn)定分析巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表2 安太堡礦端幫穩(wěn)定分析巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

5 2016年底北幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析

2016年底北幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析在北幫選取了3個(gè)研究剖面，并結(jié)合實(shí)際情況，對3個(gè)研究剖面分別進(jìn)行了現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析。分析方法采用畢肖普法和Spencer法。

5.1 畢肖普條分法

畢肖普(A.N.Bishop)于1955年提出一個(gè)考慮條塊間側(cè)面力的土坡穩(wěn)定性分析方法，稱為畢肖普條分法[7]。此法仍然是圓弧滑動(dòng)條分法。畢肖普進(jìn)一步假定△Hi=0，實(shí)際上也就是認(rèn)為條塊間只有水平作用力Pi，而不存在切向作用力Hi。在計(jì)算時(shí)不能直接求出土坡的安全系數(shù)Fs，而需要采用試算的辦法，迭代求算Fs值。為了便于迭代計(jì)算，已編制成mθ-θ關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 mθ-θ關(guān)系曲線圖

試算時(shí)，可以先假定Fs＝1.0，由圖1查出各個(gè)θi所相應(yīng)的mθi值，并將其代入Fs=中，求得邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)F′s。若F′s與Fs之差大于規(guī)定的誤差，用F′s查mθi，再次計(jì)算出穩(wěn)定安全系數(shù)F′′s，此如這樣反復(fù)迭代計(jì)算，直至前后兩次計(jì)算的穩(wěn)定安全系數(shù)非常接近，滿足規(guī)定精度的要求為止。通常迭代總是收斂的，一般只要試算3～4次，就可以滿足迭代精度的要求[8]。

5.2 廣義極限平衡方法

廣義極限平衡法（General Limit Equilibrium Method）考慮了其他各種方法涉及的關(guān)鍵因素，它是基于兩個(gè)平衡方程得出的安全系數(shù)。廣義極限平衡法采用Morgenstern和Price在1965年提出的公式來處理?xiàng)l帶間的剪力假定問題[9-11]。

Spencer法是Morgenstern-Price法的一個(gè)特例。目前被普遍接受的合理性條件即 Morgenstern-Price，其具體方法如下：

1）沿著劃分的土條兩側(cè)垂直面上的剪應(yīng)力不能超過在這個(gè)面上所能發(fā)揮的抗剪能力，

即：

2）為保證在土條接觸面上不產(chǎn)生拉力，作用在土條上的有效力的合力作用點(diǎn)不應(yīng)該落在土條垂直面的外面。

式中，y′t為作用在土條垂直面上的有效法向力的作用點(diǎn)的縱坐標(biāo)值。

而Spencer法在Morgenstern-Price法的基礎(chǔ)上，假定土條側(cè)向力的傾角為一常數(shù)，即f（x）=1和f0（x）=1，此方法在長期使用中總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)已足夠精確。

經(jīng)過綜合分析，各研究剖面位置邊坡穩(wěn)定情況見表3所示。

表3 安太堡礦2016年底北幫現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

安太堡露天礦BB-1603剖面現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)較小的典型位置如圖2所示。

分析結(jié)果表明：

1）北幫BB-1601、BB-1602等3個(gè)研究剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.2的位置主要集中在上部松散層臺(tái)階和排棄土臺(tái)階，由于巖層面與邊坡面逆傾，巖體結(jié)構(gòu)較完整，同時(shí)不存在弱層等的影響，自然狀態(tài)下巖石臺(tái)階穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，不存在滑坡的危險(xiǎn)，正常情況下不存在整體失穩(wěn)的可能。

圖2 安太堡礦BB-1603剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析位置1

2）BB-1601剖面位置1（1 320～1 345 m水平）的穩(wěn)定系數(shù)為1.117，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

3）BB-1602剖面位置1（1 320～1 350 m水平）穩(wěn)定系數(shù)為1.008，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

4）BB-1603剖面位置1（1 300～1 340 m水平）穩(wěn)定系數(shù)為1.031，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

6 北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測

北幫2017年度設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測地表臺(tái)階線采用2016年生產(chǎn)計(jì)劃平面圖，本次評價(jià)在北幫共布置3個(gè)研究剖面（如圖3），結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對3個(gè)研究剖面均進(jìn)行了2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測分析。分析方法采用畢肖普法和Spencer法。

圖3 2016年底北幫選取剖面位置圖

經(jīng)過綜合分析，各研究剖面位置邊坡穩(wěn)定情況見表4所示。

表4 安太堡礦北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性預(yù)測分析

安太堡露天礦BB-1602剖面2017年設(shè)計(jì)邊坡安全系數(shù)較小的典型位置如圖4所示。

圖4 安太堡礦BB-1602剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析位置1

分析結(jié)果表明：

1）北幫BB-1601、BB-1602等3個(gè)研究剖面2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.2的位置主要集中在上部松散層臺(tái)階和排棄土臺(tái)階，由于巖層面與邊坡面逆傾，巖體結(jié)構(gòu)較完整，同時(shí)不存在弱層等的影響，自然狀態(tài)下巖石臺(tái)階穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，不存在滑坡的危險(xiǎn)，正常情況下不存在整體失穩(wěn)的可能。

2）BB-1601剖面位置1（1 320～1345 m水平）的穩(wěn)定系數(shù)為1.115，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

3）BB-1602剖面位置1（1 320～1350 m水平）穩(wěn)定系數(shù)為1.002，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

4）BB-1603剖面位置1（1 300～1340 m水平）穩(wěn)定系數(shù)為1.025，穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定，存在黃土臺(tái)階局部崩塌的危險(xiǎn)。

7 結(jié) 論

綜上所述，影響安太堡礦北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定的主要因素為松散層單臺(tái)階坡面角較大以及季節(jié)性降雨，實(shí)際生產(chǎn)中需嚴(yán)格控制松散層單臺(tái)階邊坡角的大小，同時(shí)加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測與巡查工作，邊坡穩(wěn)定控制工作的重點(diǎn)為防止松散層臺(tái)階的局部崩塌。

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【責(zé)任編輯：張東旭】

Slope stability analysis prediction in north slope of Antaibao Open-pit M ine in 2017

YANG Xiu1,WANG Zhe2,HAN Liang1,YU Zhengrong1
(1.Antaibao Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China;
2.No.3 Underground Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

With mining intensity and production scale increase,affected by the geological structure and the difficulty of land acquisitions,the exposure height,scope and time of the slope are also increasing,and the danger of slope safety is highlighted, which threaten safety production.Based on the slope stability evaluation of the north slope in 2016,the article carries out analysis and prediction on the stability of design slope in 2017,which has practical significance for scientific guiding production.

exposure height;production safety;slope stability

TD824.7+1

B

1671－9816（2017）09－0052－04

2017-06-20

楊 秀（1985—），女，遼寧盤錦人，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天采礦專業(yè)，現(xiàn)在安太堡露天礦技術(shù)部從事煤質(zhì)管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.013

楊秀，王哲，韓亮，等.安太堡露天礦北幫2017年設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性分析預(yù)測［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（9）：52-55.