新疆天池能源南露天煤礦南幫陡幫開采條件下邊坡穩(wěn)定性分析

楊國成，胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

邊坡穩(wěn)定性直接影響露天礦構(gòu)建筑物、設(shè)備及人員安全[1]。近年來新疆天池能源南露天煤礦開采的規(guī)模和速度得到了迅速的擴張和發(fā)展，隨著采坑深度的不斷降深，南端幫臺階自上而下逐一到界后，端幫角度提高，需要驗算南幫的穩(wěn)定性，保障轉(zhuǎn)向的順利實施[2]。同時從經(jīng)濟效益角度分析，南幫如果能實施陡幫開采，能以很小的剝采比開采出下部煤炭，創(chuàng)造額外的經(jīng)濟效益，因此在保障安全的前提下分析南幫陡幫開采的可行性有較高的經(jīng)濟意義。

1 南幫穩(wěn)定性的影響因素

綜合分析南露天礦工程地質(zhì)條件與采礦條件，影響端幫、排土場邊坡穩(wěn)定性的主要因素如下：

1）堆載等導(dǎo)致邊坡應(yīng)力分布發(fā)生變化。在坡體上堆置其他物料或新修建筑物使坡體承受載荷，或因設(shè)備運行、爆破震動等因素改變了邊坡體原有的應(yīng)力分布。

2）降水和地下水等引起巖體整體強度降低。受降水、地表水和地下含水層等的影響，水體進入巖體結(jié)構(gòu)中的豎向裂隙，導(dǎo)致巖體含水量上升或裂隙內(nèi)部水壓力增加，導(dǎo)致巖體抗剪強度降低，抗滑力下降，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[3]。

3）排土場排棄高度。當(dāng)排土場排棄較高時，會對排土場基底產(chǎn)生巨大的荷載，再加上水對巖體的滲透作用，容易形成沿承載基底的軟弱層，導(dǎo)致滑坡。當(dāng)基底承載力允許的條件下，合理增加排土場的臺階數(shù)可以減小排土場的整體邊坡角，能夠在一定程度上有效改善排土場的穩(wěn)定性[4]。由于南露天礦南幫上部為三采區(qū)排土場，采場邊坡與排土場邊坡構(gòu)成復(fù)合邊坡，隨著排土作業(yè)進行，邊坡上部負(fù)載逐漸升高，影響邊坡穩(wěn)定性。

4）基底承載力。當(dāng)排土場的基底為軟弱巖土體時，排土場的基底承載力便成為影響排土場邊坡穩(wěn)定性的重要因素，只有經(jīng)過嚴(yán)格的核算后滿足承載要求的條件下，才能考慮排土參數(shù)的優(yōu)化[5]。

5）風(fēng)氧化煤弱層的影響。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，煤層露頭區(qū)域存在風(fēng)化弱層，結(jié)合該弱層抗剪強度較小的因素，上部巖土體沿該弱層發(fā)生順層滑動的可能性較高，在分析整體邊坡穩(wěn)定性時是必不可少的關(guān)鍵因素。

此外，邊坡體各巖層巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及巖體構(gòu)造，邊坡的整體坡形與臺階坡面角度以及地下水在邊坡中滲流所引起的滲流力等，都是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定的相關(guān)理論和其它露天礦的邊坡管理實踐，這些影響邊幫穩(wěn)定性的主要影響因素可以量化為下列指標(biāo)：內(nèi)摩擦系數(shù)、黏聚力、邊坡的巖層構(gòu)成、分布、地下水的水位、地震等因素有關(guān)的值，通過指標(biāo)計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

2 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

參照相關(guān)數(shù)據(jù)資料中提供的不同巖體強度值，再依據(jù)地質(zhì)剖面中第四系、煤、不同組群巖層的界限，在分析中以上述巖體單元為基礎(chǔ)進行計算并進行工程地質(zhì)類比，最終確定不同巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，新疆天池能源南露天礦巖體參數(shù)見表1。

表1 新疆天池能源南露天礦巖體參數(shù)表

3 理論分析方法與安全儲備系數(shù)

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計算結(jié)果直接實用的特點[6]。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學(xué)機理與適用條件均有所不同[7]。通過對比分析，本次穩(wěn)定計算采用畢肖普法（BISHOP）來綜合確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

采用極限平衡分析方法對邊坡進行安全評價分析，安全儲備系數(shù)或者說穩(wěn)定系數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析計算中的一個定量參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)計邊坡的經(jīng)濟性與安全性[8]。

《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》6.0.8 條明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍，邊坡安全系數(shù)Fs選用表見表2。

根據(jù)目前對天池能源南露天礦研究區(qū)域地質(zhì)條件、賦存構(gòu)造、建筑設(shè)施及邊坡重要程度等資料的掌握情況，本次計算過程中安全儲備系數(shù)的選取針對邊坡穩(wěn)定的時效特性進行充分考慮后，按照永久邊坡和臨時邊坡2 種情況分別計算。對于端幫邊坡，邊坡安全儲備系數(shù)選取為1.20（服務(wù)年限10～20 年）；對于排土場邊坡，選取邊坡安全儲備系數(shù)為1.20（>20 年）進行保守計算。認(rèn)為Fs>1.2 時邊坡穩(wěn)定，1.1

表2 邊坡安全系數(shù)Fs 選用表

4 南幫陡幫開采條件下穩(wěn)定性分析

基于邊坡穩(wěn)定分析剖面的選取原則及工作任務(wù)要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本次邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置為勘探線GZB1，該勘探線位置處于南幫西段靠幫位置，能反映靠幫過程的邊坡安全系數(shù)。所選研究剖面上有現(xiàn)場實測的6 個鉆孔數(shù)據(jù)，地質(zhì)資料可靠，非常適于南幫穩(wěn)定性分析。南幫陡幫開采臺階形態(tài)示意圖如圖1。

圖1 南幫陡幫開采臺階形態(tài)示意圖

下部煤層的臺階分別為現(xiàn)有臺階參數(shù)開采的邊坡形態(tài)和煤臺階陡幫開采的臺階形態(tài)。使用Geo－Slope 計算南幫現(xiàn)有參數(shù)開采的穩(wěn)定性，使用極限平衡法中的Bishop 法模擬計算。南幫邊坡穩(wěn)定性計算模型如圖2。計算結(jié)果為南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.271，滿足邊坡穩(wěn)定的要求。由于南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.271，不僅符合規(guī)范要求的1.2，而且略有富裕，因此可以考慮靠幫開采，以極小的剝采比取出部分煤炭資源。

圖2 南幫邊坡穩(wěn)定性計算模型

保持上部臺階不動，將下部采煤臺階的平盤寬度縮小至10 m，形成局部陡幫開采，依舊在勘探線位置分析其穩(wěn)定性。

計算可得，此時南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，大于1.2，陡幫后依然滿足規(guī)范要求。根據(jù)時效邊坡理論，為了礦山安全生產(chǎn)，仍需要盡快內(nèi)排壓腳，縮短端幫暴露時間，降低出現(xiàn)滑坡的風(fēng)險[9]。

內(nèi)排至400 m 水平后，端幫的穩(wěn)定性大幅上升，達到1.341，南幫以陡幫開采后內(nèi)排至400 m 水平的穩(wěn)定性如圖3。

圖3 南幫以陡幫開采后內(nèi)排至400 m 水平的穩(wěn)定性

通過上述分析可以看出：

1）南幫以30 m 和10 m 的組合臺階參數(shù)靠幫，邊坡安全系數(shù)為1.271，能保證邊坡穩(wěn)定。

2）基于時效邊坡理論可以適當(dāng)降低臨時邊坡的安全系數(shù)，推薦上部運輸系統(tǒng)不動，下部采煤臺階以10 m 的參數(shù)靠幫，實現(xiàn)局部陡幫開采，臨時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，滿足規(guī)范要求。陡幫開采出的煤炭基本不需要增加剝離，生產(chǎn)剝采比極小，經(jīng)濟效益好。

3）內(nèi)排壓幫至400 m 水平即煤層頂板在南幫位置的標(biāo)高時，計算南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.341，滿足規(guī)范要求，能保證南幫邊坡穩(wěn)定。

4）陡幫開采的技術(shù)關(guān)鍵在于南幫臨時邊坡的暴露時間，即400 m 水平下陡幫位置的暴露時間，基于時效邊坡理論，端幫暴露時間應(yīng)該盡可能縮短。

5）陡幫前幫坡角31°，陡幫后34°。

5 南幫－三采區(qū)外排土場復(fù)合邊坡穩(wěn)定性分析

由于南幫向外推200 m 即是三采區(qū)外排土場，2019 年能達到670 m 水平，而南幫坑底標(biāo)高為340 m 水平，總的高程差達到了330 m，如果將200 m 的安全距離看成是1 個寬平盤，則南幫和三采區(qū)外排土場構(gòu)成1 個高達330 m 的復(fù)合邊坡，雖然南幫單獨分析的安全系數(shù)能達到1.219，但是考慮外排土場的影響，需要分析驗算該復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性[10]。

仍然使用GZB1 勘探線，使用BISHOP 法驗算復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性，南幫－三采區(qū)排土場復(fù)合邊坡臺階安全系數(shù)如圖4。

圖4 南幫－三采區(qū)排土場復(fù)合邊坡臺階安全系數(shù)

安全系數(shù)達到1.217，與不考慮復(fù)合邊坡時的安全系數(shù)1.219 相比幾乎沒有變化?？梢娫诹糇?00 m的安全距離后，復(fù)合邊坡并不會對邊坡整體穩(wěn)定性帶來太大影響。能夠保證轉(zhuǎn)向期間邊坡的基本穩(wěn)定，但是卡車震動和爆破的作用也會有較大影響，需要盡快內(nèi)排壓幫，確保露天礦安全生產(chǎn)。

6 結(jié)論

1）南幫按照原有設(shè)計參數(shù)以30 m 和10 m 的組合臺階參數(shù)靠幫，邊坡安全系數(shù)為1.271，能保證邊坡穩(wěn)定。

2）南幫上部剝離臺階運輸系統(tǒng)不動，下部采煤臺階以10 m 的參數(shù)靠幫，實現(xiàn)局部陡幫開采，臨時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，滿足規(guī)范要求。陡幫開采出的煤炭基本不需要增加剝離，生產(chǎn)剝采比極小，經(jīng)濟效益好。

3）南幫－三采區(qū)外排土場復(fù)合邊坡對邊坡整體穩(wěn)定性沒有太大影響，但需要盡快內(nèi)排壓幫，確保露天礦安全生產(chǎn)。