同舟煤業(yè)露天礦邊坡穩(wěn)定性分析和控制

苗永旗

0 概述

在煤層埋藏較淺時(shí)，直接移運(yùn)走煤層上部覆蓋物，從而使煤體敞露于地表而進(jìn)行開(kāi)采煤炭的方法稱為露天煤礦，露天煤礦開(kāi)采雖沒(méi)有像井工煤礦那樣有水、火、瓦斯、煤塵、頂板五大自然災(zāi)害和機(jī)電、運(yùn)輸事故等的威脅。但滑坡、交通運(yùn)輸事故是露天煤礦開(kāi)采的重大風(fēng)險(xiǎn)危害，特別是管理不到位造成邊（幫）坡角角度增大，或基底不穩(wěn)定和排水不暢造成排棄物不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，易產(chǎn)生滑坡事故。

1 同舟煤業(yè)概況

1.1 地質(zhì)情況

同舟煤業(yè)位于保德縣義門(mén)鎮(zhèn)，地處晉西北呂梁隆起北段西翼與鄂爾多斯盆地東緣的交接部，地勢(shì)為東高西低，呈單斜構(gòu)造，巖層傾角3°～8°，礦田內(nèi)無(wú)斷層、無(wú)陷落柱、無(wú)巖漿巖侵入。地層由上到下為黃土、紅土、砂巖（粗中細(xì)）、煤層、頁(yè)巖、石灰?guī)r。

黃土：覆蓋厚度約60 m，分布不均，具有溫性空隙大，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性強(qiáng)，壓縮快、抗剪切性差等特點(diǎn)。

紅土：厚0 m～61 m，被黃土層覆蓋，透水性微弱，具海綿結(jié)構(gòu)，有較大壓縮性，可塑性和膨性。含水量大時(shí)處于塑態(tài)或流態(tài)，壓縮性高而抗剪強(qiáng)度低，透水性也小，含水量小時(shí)處于硬塑態(tài)或固態(tài)，壓縮性較低，抗剪強(qiáng)度高，土較堅(jiān)硬，透水性增高。

砂巖(粗中細(xì))：厚度4 m～20 m，多為煤層的直接頂板，粗中細(xì)粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)。

煤層：14#煤，厚度3.4 m～11.5 m，煤種為弱粘煤。

頁(yè)巖：煤層底板為黑色頁(yè)巖，厚度10 m～23.6 m。

石灰?guī)r：奧陶系峰峰組石灰?guī)r，厚度大于200 m。

1.2 生產(chǎn)工藝及參數(shù)

同舟煤業(yè)露天礦采取露天方式進(jìn)行煤炭開(kāi)采，開(kāi)采工藝為單斗—卡車(chē)工藝，2.0 m3挖掘機(jī)進(jìn)行巖土剝離、采煤和裝車(chē)作業(yè)，20噸自卸式卡車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸和排土作業(yè)，2.0 m3輪式前裝機(jī)進(jìn)行場(chǎng)地平整。

1.3 工程地質(zhì)

同舟礦田地層為層狀巖類(lèi)，中等堅(jiān)硬（見(jiàn)表1）。礦田內(nèi)斷層不發(fā)育，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育一般，巖體穩(wěn)定性較好，地表無(wú)常年性河流，地層中只有2-3層弱含水層，無(wú)承壓水。依據(jù)工程地質(zhì)條件巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試進(jìn)行等級(jí)劃分，工程地質(zhì)分類(lèi)屬中等堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)類(lèi)型，按《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）劃分，工程地質(zhì)條件為中等。

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 邊坡穩(wěn)定分析

采用簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)采剝場(chǎng)和排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2.1 采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

采掘場(chǎng)幫坡由原始地層構(gòu)成，形成沿層理面的“圓弧—直線（層面）型滑坡”的可能性較小。在由黃土、巖層和煤層構(gòu)成的幫坡體中，形成“張裂縫—圓弧型滑坡”的可能性較大。

地層內(nèi)含水量較小，具微承壓性，富水性極弱，在未考慮來(lái)自此地層內(nèi)潛水對(duì)滑坡體產(chǎn)生的推壓力和浮托力的理想狀態(tài)下建模計(jì)算。

數(shù)學(xué)模型如下：

計(jì)算公式：

式中：

必須滿足條件：

式中：F—穩(wěn)定系數(shù)；Ci—瞬時(shí)粘結(jié)力；r—巖石容重；hi—條塊高度；rw—水容重；hwi—水位高；φi—瞬時(shí)內(nèi)摩擦角；ΔXi—條塊寬度；αi—條塊底面傾角；Q—張裂隙水的水平作用力；σ′—有效正壓力。

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，采剝場(chǎng)臨時(shí)邊坡安全系數(shù)Fs≥（1.0～1.2），非工作幫服務(wù)年限小于10年邊坡安全系數(shù)Fs≥（1.1～1.2）。經(jīng)分析計(jì)算，邊坡角在35°時(shí)，最小安全系數(shù)，為1.251，計(jì)算剖面和結(jié)果分析見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算剖面

采剝場(chǎng)深度0 m～126 m。采剝臺(tái)階高度10 m，坡面角60°，在采剝最大高度126 m時(shí)有4個(gè)寬度30 m的作業(yè)平盤(pán)，8個(gè)寬20 m的非作業(yè)平盤(pán)，這樣的臺(tái)階組合整體幫坡角為20°，遠(yuǎn)小于35°，是穩(wěn)定的。非工作幫每隔2個(gè)寬6 m的平盤(pán)留設(shè)1個(gè)寬20 m的清掃平盤(pán)，在最大高度126 m幫坡角最大32°，小于35°，是穩(wěn)定的（見(jiàn)圖2）。

圖2 非工作幫邊坡斷面

2.2 內(nèi)、外排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析

外排土場(chǎng)邊坡位于我礦首采區(qū)西北溝谷，縱深較大，溝谷兩側(cè)基巖出露，谷底有少量殘積土層覆蓋，厚度0.7 m～1.0 m，下伏石炭系砂巖、泥巖，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，不會(huì)產(chǎn)生基底滑坡，排棄高度94 m。

依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》安全系數(shù)Fs≥1.20。外排土場(chǎng)臺(tái)階高度20 m，平盤(pán)寬度60 m，坡面角33°，由5個(gè)臺(tái)階組成，高度94 m，整體幫坡角為20°，經(jīng)分析計(jì)算在距坡頂5.8 m左右地表產(chǎn)生張裂縫時(shí)，排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)最小為1.257，滿足穩(wěn)定要求（圖3）。

圖3 外排場(chǎng)計(jì)算剖面

內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階高度10 m，平盤(pán)寬度30 m，坡面角33°，由8個(gè)排土臺(tái)階組成，排土高度82 m，幫坡角為20°。滑坡模式是排棄物料的“張裂縫-圓弧型滑坡”類(lèi)型。經(jīng)分析計(jì)算在距坡頂4.3 m左右地表產(chǎn)生張裂縫時(shí)，排土場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.278，安全系數(shù)Fs≥1.20。屬穩(wěn)定邊坡（圖4）。

圖4 內(nèi)排場(chǎng)計(jì)算剖面

3 邊坡穩(wěn)定控制

同舟煤業(yè)露天礦在邊坡穩(wěn)定性控制、預(yù)防滑坡事故發(fā)生是生產(chǎn)建設(shè)中的頭等大事，始終堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，針對(duì)自燃因素和人為因素，采取以下控制方法。

（1）嚴(yán)格要求作業(yè)人員按設(shè)計(jì)及作業(yè)規(guī)程規(guī)定的臺(tái)階高度和平臺(tái)寬度施工作業(yè)。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及作業(yè)規(guī)程規(guī)定留設(shè)臺(tái)階坡面角和最終邊坡角。在排土場(chǎng)形成過(guò)程中，力求使排土場(chǎng)頂面形成順暢的排水通道，并盡量維持原地面所形成的排水體系，使地下水、地表水按原有的路徑排泄，不改變其固有的排泄路徑，達(dá)到排泄順暢，不積水。

（2）局部消減載荷，在梁家村新農(nóng)村北部由于該村村民要求在原址上建設(shè)新村，該村原址南部是黃石崖溝和朱廟公路，西部和北部是原始第三系紅土和第四系黃土組成土山，東部是溝渠填土。在新農(nóng)村建成之時(shí)，北部靠山腳太近，最后一排房后墻離山根只有16 m，后山高度36 m，自然坡度63°，曾一度被村民和當(dāng)?shù)卣袨榈刭|(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)。礦方針對(duì)此情況，從后山的山頂開(kāi)始削土降破。每9 m一個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階坡面角60°，每個(gè)臺(tái)階寬度6 m，最后達(dá)到總體邊坡角43°。通過(guò)畢肖普法驗(yàn)算，穩(wěn)定系數(shù)為1.211，大于1.2標(biāo)準(zhǔn)安全值。該邊坡5年來(lái)形態(tài)穩(wěn)定。

（3）修筑截、排水溝，保持坡角及坡體干燥性，從而保證坡體巖土的機(jī)械強(qiáng)度和內(nèi)部粘合力，以達(dá)到坡體的穩(wěn)定性。

首采區(qū)在剝離過(guò)程中，由于施工人員追求利益的最大化，少剝離巖土，多采挖煤炭。在采剝場(chǎng)的北幫產(chǎn)生高83 m，總體邊坡角42°的高陡邊坡。此邊坡一直被本礦和上級(jí)主管部門(mén)列為重點(diǎn)隱患，本礦組織有關(guān)部門(mén)召開(kāi)技術(shù)會(huì)議，制定安全措施，在高陡邊坡的坡角挖筑集水坑、安設(shè)排水設(shè)施，如有積水隨時(shí)抽排，確保坡角的干燥性，在坡頂修筑截排水溝，將雨水引流排入北部自然溝渠，同時(shí)加強(qiáng)巡查，直到在高陡邊坡進(jìn)行壓幫排土處理完畢。

（4）排土場(chǎng)坡面和平臺(tái)及時(shí)綠化，本礦排土場(chǎng)能恢復(fù)耕地的盡量平整，上覆黃土、有機(jī)土恢復(fù)為耕種地。對(duì)于不能恢復(fù)為耕種地的平臺(tái)、坡面，一旦不在進(jìn)行排土，及時(shí)種沙打旺、紫花苜蓿等牧草和栽種側(cè)柏、油松、槐樹(shù)等喬木立即恢復(fù)植被，從建礦到現(xiàn)在4年間，投資8 000多萬(wàn)元，綠化礦區(qū)570多畝，土地復(fù)墾2 655多畝，植被恢復(fù)1 300多畝以達(dá)到穩(wěn)定表面巖土，減少雨水的滲入。

（5）加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè)和人工巡查，到目前為止，同舟煤業(yè)露天礦在外排土場(chǎng)布置有3條檢測(cè)線12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)排土場(chǎng)南部南峁、賈家峁新農(nóng)村一帶布置有2條檢測(cè)線6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在內(nèi)排土場(chǎng)采剝場(chǎng)方向布置有3條檢測(cè)線12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在采剝場(chǎng)布置有3條檢測(cè)線9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，另外在采剝場(chǎng)北幫高陡邊坡頂部布置有2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。此11條檢測(cè)線41個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用RTK靜態(tài)2小時(shí)測(cè)量，每旬進(jìn)行1次，每季進(jìn)行一次穩(wěn)定性分析。安排專(zhuān)門(mén)人員每天進(jìn)行邊坡巡查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)匯報(bào)，采取措施進(jìn)行處理。

（6）及時(shí)收聽(tīng)天氣預(yù)報(bào)，了解當(dāng)?shù)匚磥?lái)的天氣狀況、雨雪情況，及時(shí)獲取并傳達(dá)關(guān)于山體滑坡和泥石流災(zāi)害的預(yù)報(bào)和警報(bào)。

同舟煤業(yè)通過(guò)采取以上方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性控制和管理，確保了從開(kāi)始建設(shè)露天礦到目前正常生產(chǎn)四年多來(lái)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何滑坡事故。