老君廟露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析

常貴平

(遷安市凱達(dá)礦山工程有限公司)

露天礦邊坡的穩(wěn)定是保證礦山安全生產(chǎn)的重要前提[1]。露天礦山一旦發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成大量的人員傷亡，因此，對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，并根據(jù)分析評(píng)價(jià)結(jié)果提出切實(shí)可行的邊坡治理措施，對(duì)保證礦山安全和降低開(kāi)采成本尤為重要[2]。

工程實(shí)踐表明，地下水、最終邊坡角、巖層產(chǎn)狀、巖體風(fēng)化程度等對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響具有決定性作用。呂粲等[3]對(duì)哈爾烏素露天煤礦南端幫的邊坡角進(jìn)行了優(yōu)化，大幅度提高了礦山的經(jīng)濟(jì)效益；杜時(shí)貴等[4]對(duì)大型露天礦邊坡巖體穩(wěn)定性分級(jí)方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性精確計(jì)算具有重要的參考價(jià)值；李俊平等[5]采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)某山坡露天礦邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，證明該方法可用于最終邊坡角的確定；百潤(rùn)才等[6]對(duì)白音華1#露天礦北幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為礦山經(jīng)濟(jì)效益最大化提供了依據(jù)；范剛等[7]對(duì)含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡傳遞函數(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究成果具有重要的理論意義和實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值；沈華章等[8]對(duì)應(yīng)變軟化邊坡漸進(jìn)破壞及其穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究；曹蘭柱等[9]以勝利西二露天礦邊坡為研究對(duì)象，對(duì)煤礦端幫逆傾軟巖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并確定了最優(yōu)邊坡角；馬文成等[10]為研究雨水侵蝕對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，采用數(shù)值模擬的方式分析降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度；祁小輝等[11]考慮了地層變異對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并對(duì)此開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作；張立博[12]等以三山島金礦露天邊坡為研究對(duì)象，開(kāi)展了強(qiáng)降雨對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究。

本文以新疆奇臺(tái)縣老君廟露天煤礦邊坡為研究對(duì)象，在礦區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合該礦的開(kāi)采條件，選取有代表性的剖面在對(duì)邊坡詳細(xì)勘察及獲取邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡在自然及疏干排水作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，確定最優(yōu)邊坡角。

1 工程概況

老君廟露天煤礦位于準(zhǔn)格爾盆地東緣，離奇臺(tái)縣城北東約100 km，東西寬約2.6 km，南北長(zhǎng)約7.5 km，面積約19.6 km2。老君廟礦區(qū)煤田地層主要有第四系松散巖類(lèi)，新進(jìn)系、侏羅系碎屑巖類(lèi)。煤田大面積被第四系覆蓋，中部有新近系地層出露，北部煤層被火燒而形成大面積燒變巖。

第四系松散層為戈壁平原堆積，屬典型的散體結(jié)構(gòu)。在外力及放炮震動(dòng)作用下容易產(chǎn)生滑坡。煤田中部呈條帶狀出露的新近系屬近散體結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，一般巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。經(jīng)風(fēng)化后巖石力學(xué)性質(zhì)有所降低，略低于新鮮巖石。未風(fēng)化的侏羅系下統(tǒng)三工河組地層為無(wú)煤巖組，為碎裂結(jié)構(gòu)，易形成小型巖層滑動(dòng)，易軟化泥化。巖石的機(jī)械強(qiáng)度低于同類(lèi)巖石的正常范圍，屬不穩(wěn)固型。含煤巖組為未風(fēng)化的西山窯組賦煤地層，基本為軟質(zhì)巖石，易軟化，坍塌、滑移、壓縮變形均可產(chǎn)生。巖體的變形破壞受軟弱結(jié)構(gòu)面的規(guī)模、數(shù)量、特性及其組合特征所決定。煤田的北部煤層火燒裂隙發(fā)育，成為儲(chǔ)水場(chǎng)所或?qū)ǖ溃瑹儙r受到震動(dòng)后可發(fā)生崩塌，應(yīng)引起重視。侏羅系西山窯組地層賦煤10層，結(jié)構(gòu)松散，易風(fēng)化，遇水軟化并發(fā)生膨脹，降低了強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增加了滑坡的可能。礦區(qū)三維地質(zhì)模型和邊坡高度分區(qū)分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 礦區(qū)三維地質(zhì)模型

圖2 礦區(qū)邊坡高度分區(qū)

2 計(jì)算剖面選取

根據(jù)礦區(qū)開(kāi)采環(huán)境、開(kāi)采順序以及各剖面的地質(zhì)圖，選取典型剖面1、2、1′作為研究對(duì)象，分析各剖面邊坡穩(wěn)定性情況。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘察資料可得邊坡所含巖層、煤層及火燒區(qū)分布，露天礦區(qū)主要含泥巖、各類(lèi)砂巖、第四系含礫黏土及火燒巖各剖面匯總結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算剖面情況匯總

3 巖體力學(xué)參數(shù)確定

邊坡穩(wěn)定性分析中涉及的巖土包括第四系礫黏土、砂巖、泥巖和煤，巖體物理力學(xué)參數(shù)主要有密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角及黏土弱層的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程類(lèi)比，本次計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 剖面1

剖面1位于礦區(qū)西幫，邊坡高度為103 m，含有3層煤層，屬于工作幫，初步確定邊坡角為36°。在自然狀態(tài)下，分析邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果及滑坡模式見(jiàn)圖3。

圖3 自然狀態(tài)下剖面1邊坡角36°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，潛在的滑面為在下面的臺(tái)階上形成圓弧-順層滑弧。因該剖面處巖層和煤層數(shù)量較多，計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.042，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，如不采取相應(yīng)的安全措施，邊坡在開(kāi)采擾動(dòng)或強(qiáng)降雨條件下，可能會(huì)發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)工程實(shí)際情況，為提高邊坡的安全系數(shù)，初步選擇疏干排水措施。在疏干排水狀態(tài)下，當(dāng)邊坡角為36°時(shí)，剖面1的計(jì)算結(jié)果和滑坡模式見(jiàn)圖4。

圖4 疏干排水狀態(tài)下剖面1邊坡角36°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖4可知，在疏干排水狀態(tài)下，剖面1的破壞模式與自然狀態(tài)下的類(lèi)似，但其安全系數(shù)達(dá)到了1.253，安全系數(shù)較自然狀態(tài)提高了20.2%。由上述計(jì)算可知，通過(guò)疏干排水措施，可以確保該處邊坡的整體穩(wěn)定性。

通過(guò)放緩最終邊坡角同樣可以提高邊坡的安全系數(shù)，當(dāng)邊坡的最終邊坡角放緩到34°時(shí)，在自然狀態(tài)下，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 自然狀態(tài)下剖面1邊坡角34°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖5可知，潛在的滑面為在下面的臺(tái)階上形成圓弧-順層滑弧，計(jì)算得到的安全系數(shù)為1.18，因該剖面所處的位置為工作幫，該安全系數(shù)基本能保證該處邊坡的安全穩(wěn)定。為進(jìn)一步增加該處邊坡的穩(wěn)定性，同樣可采用疏干排水的方式增加邊坡的安全系數(shù)。采用疏干排水措施后，該處邊坡的計(jì)算結(jié)果和滑坡模式見(jiàn)圖6。

圖6 疏干排水狀態(tài)下剖面1邊坡角34°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，在疏干排水狀態(tài)下，當(dāng)邊坡角為34°時(shí)，安全系數(shù)為1.31，疏干排水狀態(tài)下的安全系數(shù)較自然狀態(tài)下的安全系數(shù)提高了11%。

4.2 剖面2

剖面2位于礦區(qū)南幫，屬于非工作幫，該處邊坡高度為154 m，煤層為9層，開(kāi)采過(guò)程中該幫有運(yùn)輸線(xiàn)路。在自然狀態(tài)下，初步設(shè)計(jì)的最終邊坡角為36°，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 自然狀態(tài)下剖面2邊坡角36°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖7可知，在自然狀態(tài)下，當(dāng)邊坡角為36°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.18，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，為確保邊坡在礦山生產(chǎn)過(guò)程中的安全穩(wěn)定，初步采取的工程措施是在最終邊坡角不變的情況下進(jìn)行疏干排水。疏干排水后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 疏干排水狀態(tài)下剖面2邊坡角36°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖8可知，在疏干排水狀態(tài)下，當(dāng)邊坡角為36°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.37，基本可以滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定性的要求。

如不采取疏干排水而采用放緩邊坡角的方式，同樣可以達(dá)到提高邊坡安全系數(shù)的目的。當(dāng)邊坡角由36°放緩到34°時(shí)，自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9自然狀態(tài)下剖面2邊坡角34°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖9可知，在自然狀態(tài)下，當(dāng)邊坡角由36°放緩到34°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.31，邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。在此情況下，如采取疏干排水措施，可進(jìn)一步提高邊坡的安全系數(shù)。采用疏干排水工程措施后，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 疏干排水狀態(tài)下剖面2邊坡角34°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖10可知，在疏干排水狀態(tài)下，剖面2在邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為1.48，可以確保邊坡的安全穩(wěn)定。

4.3 剖面1′邊坡穩(wěn)定性分析

剖面1′位于礦區(qū)北幫，有大范圍的火燒區(qū)，該處邊坡的高度為124 m，初步確定的邊坡角為36°，自然狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 自然狀態(tài)下剖面1′邊坡角36°時(shí)的計(jì)算結(jié)果

由圖11可知，邊坡的安全系數(shù)為1.62，此時(shí)，即便不采取疏干排水等工程措施，邊坡也可保持安全穩(wěn)定。

5 最大邊坡角的確定

以1.15邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)剖面1、2和1′進(jìn)一步分析，分別考慮自然和疏干排水狀態(tài)下，對(duì)邊坡角為34°～38°進(jìn)行計(jì)算分析，得到邊坡安全系數(shù)與邊坡角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖12。

圖12 不同剖面安全系數(shù)與邊坡角關(guān)系曲線(xiàn)

由圖12 (a)可知，在自然狀態(tài)下，剖面1邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為1.18，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.042，38°時(shí)的安全系數(shù)為0.912；在疏干排水狀態(tài)下，剖面1邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為1.31，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.253，38°時(shí)的安全系數(shù)為1.111。以1.15為邊坡安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由此確定自然狀態(tài)下剖面1的最終邊坡角為34°，疏干排水狀態(tài)下最終邊坡角為36°，必須保證疏干排水系統(tǒng)的施工質(zhì)量。

由圖12 (b)可知，在自然狀態(tài)下，剖面2邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為1.31，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.18，38°時(shí)的安全系數(shù)為1.057；在疏干排水狀態(tài)下，邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為1.48，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.37，38°時(shí)的安全系數(shù)為1.162。綜合上述分析，在疏干排水狀態(tài)下，剖面2的邊坡角可提高到38°。

由圖12 (c)可知，在自然狀態(tài)下，剖面1′邊坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為2.038，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.62，38°時(shí)的安全系數(shù)為1.572；在疏干排水狀態(tài)下，坡角為34°時(shí)的安全系數(shù)為2.17，36°時(shí)的安全系數(shù)為1.94，38°時(shí)的安全系數(shù)為1.85。綜合上述分析，剖面1′的邊坡角可以確定為38°。

6 結(jié) 論

(1)自然狀態(tài)下，剖面1、2、1′邊坡在邊坡角為36°時(shí)的安全系數(shù)分別為1.042、1.18和1.62；疏干排水狀態(tài)下，剖面1、2邊坡的安全系數(shù)分別為1.253和1.37。將邊坡放緩到34°時(shí)，自然狀態(tài)下剖面1、2邊坡的安全系數(shù)分別為1.18和1.31；疏干排水狀態(tài)下剖面1、2邊坡的安全系數(shù)分別為1.31和1.48。

(2)以1.15邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，在疏干排水狀態(tài)下，剖面1最終邊坡角可確定為36°，剖面2、1′最終邊坡角可確定為38°。

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