露天煤礦終了邊坡穩(wěn)定性分析

馬育紅

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽(yáng)泉有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引 言

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)露天煤礦數(shù)量較多，開采過程中交通條件便利，且具有開采安全系數(shù)高、大型機(jī)械作業(yè)化程度高、輔助設(shè)備利用率高等眾多優(yōu)點(diǎn)。但隨著煤層的開采，煤礦的深度逐漸加深，破會(huì)了周邊巖石的力學(xué)平衡性，形成地裂縫、局部塌陷等情況，邊坡也越來越高，同時(shí)，礦區(qū)植被破壞，巖石裸露，地表蓄水能力差，水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致泥石流、巖體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，邊坡的安全隱患也越來越多，影響了礦區(qū)正常的生產(chǎn)。故為了安全的生產(chǎn)，研究邊坡的穩(wěn)定性具有重大的意義[1-2]。

1 大峰礦區(qū)概況

大峰煤礦位于石嘴山市賀蘭山腹地，地勢(shì)皺褶，平均海拔+1823.8 m～+2118.4 m，南北寬為2.94 km，東西長(zhǎng)為1.59 km，總可采面子為4.68 km，距離市區(qū)僅30 km，附近有高速、國(guó)道、鐵路和民航，交通較為便利。礦區(qū)動(dòng)、植物較少，小灌木居多。

因大峰礦海波較高，坡度大，地勢(shì)皺褶且溝谷較多，故年降雨量?jī)H有少量滲透到地下，地表下含水量較低。礦井為東緩西陡南端抬起的盆地結(jié)構(gòu)，在向礦區(qū)西翼發(fā)現(xiàn)有次生褶曲發(fā)育，其構(gòu)造為次級(jí)褶皺和斷層[3-4]，礦區(qū)地貌如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)地貌狀況圖

1.1 礦區(qū)地質(zhì)情況

根據(jù)大峰礦區(qū)內(nèi)的勘探資料顯示，礦區(qū)內(nèi)巖體的工程地質(zhì)可分為三大巖類、六大巖體，如表1 所示。

表1 礦質(zhì)分類表

1.2 可采煤層的巖石的物理力學(xué)特征

1）巖石的化學(xué)特性，為了了解可采層的巖石的地質(zhì)情況，對(duì)區(qū)域采集巖石樣品，對(duì)樣品進(jìn)行物理、力學(xué)性質(zhì)的分析，由試驗(yàn)結(jié)果得知了巖石真密度的平均值為2.78g/cm3、巖石含水量為0.14%～1.59%、巖石孔隙率5.31%～9.31%、巖石軟化系數(shù)0.29～0.49。

2）巖石的力學(xué)特性，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖石的變形模量、彈性模量、泊松比如表2 所示，由表2 可知，各力學(xué)特性的平均值分別為2.314×104MPa、2.53×104MPa、0.152，力學(xué)特性值均偏低，表明巖石層易于變形，開采的過程中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)[5]。

表2 巖石力學(xué)性能

1.3 區(qū)域水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地勢(shì)較高，皺褶發(fā)育，雨水大多數(shù)沿溝壑匯總于大峰溝，僅有少量雨水滲漏到井田。根據(jù)礦區(qū)鉆孔勘探結(jié)果表明，平均最深水位為136.99m，附近3#、5#、7# 煤組的底板深度分別為 173.75m、193.58m、237.56m，故在開采過后成中，井田的涌水量較低，據(jù)近年來統(tǒng)計(jì)資料顯示，最大涌水量為11.7m3/h，平均涌水量為8.3m3/h。

隨著煤礦的開采，礦區(qū)將會(huì)形成凹陷的露天狀態(tài)，降雨后雨水不易排出會(huì)聚集在礦區(qū)，故為減少聚水量，需增設(shè)防洪堤和排水管道，排出多余的積水。

2 大峰邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)定性的主要衡量制指標(biāo)為安全系數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益、剝采比等，綜合眾多影響因素得出邊坡穩(wěn)定的允許安全系數(shù)，當(dāng)理論安全系數(shù)小于允許安全系數(shù)時(shí)，邊坡存在安全隱患，當(dāng)理論安全系數(shù)大于允許系數(shù)時(shí)，邊坡理論比較安全。

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)劃》手冊(cè)，大峰礦屬于重要工程，允許安全系數(shù)為1.3～1.5，本文結(jié)合大峰礦實(shí)際情況，取安全系數(shù)為k0=1.3。根據(jù)大峰礦實(shí)際生產(chǎn)情況，建立邊坡的受力簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。

圖2 邊坡受力分析圖

根據(jù)平面滑動(dòng)性理論，邊坡穩(wěn)定系數(shù)k 為抗滑力R 與下滑力 S 之比，如式（1）：

式中：c 為巖體的內(nèi)聚力，MPa；φ 為巖體的內(nèi)摩擦角，°；θ 為坡面傾角，°；L 為滑面長(zhǎng)度，m；G 為巖體的質(zhì)量，kg；

其中巖體的質(zhì)量G 為：

式中：γ 為巖體的容重，kg；h 為邊坡切層高度，m；α 為開挖坡角，°。

將巖體的質(zhì)量G 帶入安全系數(shù)k 的公式中化簡(jiǎn)得：

由公式（3）可知，除了巖體本身的內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、巖體的容重γ 等外，影響非工作幫終了邊穩(wěn)定性系數(shù)的人為因素只有臺(tái)階高度h 和坡面傾角θ。

圖3 安全系數(shù)—高度的變化情況

當(dāng)坡面角θ 一定，安全系數(shù)隨臺(tái)階面高度的變化曲線如圖3 所示，安全系數(shù)隨著臺(tái)階面高度逐漸減小，當(dāng)臺(tái)階面高度為15m時(shí)，安全系數(shù)為1.31 大于允許安全系數(shù)1.3；當(dāng)臺(tái)階面高度不變，安全系數(shù)隨著坡面傾角θ 的變化情況如圖4 所示，安全系數(shù)隨著坡面角的增大而減小，當(dāng)坡面傾角為71.3°時(shí)，k=k0=1.3。

圖4 安全系數(shù)—臺(tái)階面傾角變化情況

3 大峰礦終了邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 大峰煤礦終了邊坡特征

大峰礦邊坡主要分為工作幫邊坡、端幫邊坡和非工作幫邊坡，因工作幫和端幫邊坡角較小且邊坡穩(wěn)定性較好，故本文主要以非工作幫邊坡為研究對(duì)象，其終了邊臺(tái)階面坡面角為70°，煤層傾角24°，巖砂傾角為45°，簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 非工作幫邊坡簡(jiǎn)圖

3.2 邊坡三維模型的建立

圖6 邊坡巖層鉆孔柱狀圖

根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況勘測(cè)，邊坡主要由粉砂巖、煤、粗粒砂巖等組成，如圖6 所示，利用Midas- Gts 建立相應(yīng)的邊坡三維模型，以邊坡位移和應(yīng)力作為研究參數(shù)，來評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。非工作幫邊坡高約96m，雖然沒有結(jié)構(gòu)斷層，但有兩個(gè)煤層夾在其中且傾角一致，煤層的平均厚度為3m，上層為粉砂巖，下層為粗粒砂巖，以煤層橫截面做網(wǎng)格劃分，如圖7 所示。

圖7 非工作幫邊坡模型

3.3 邊坡模型的模擬分析

設(shè)置各參數(shù)值，通過軟件模型分析，得到了非工作幫邊坡的主應(yīng)力圖，如圖8 所示，得到X 向最大下滑力為 0.43MPa，Y 向最大下滑力為 0.35MPa，Z 向下滑力為0.35MPa，由8 圖可知，因兩層傾斜煤層的存在，在煤層傾斜方向上，相對(duì)于層理面，終了面呈明顯下滑趨勢(shì)。

圖8 非工作邊坡總應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

本文通過建立非工作邊坡的受力模型、三維模型，忽略其他次要因素，得出了影響邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的人為因素為臺(tái)階高度h 和坡面傾角θ，為了提高露天煤礦的更安全的開采，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）在煤礦的開采過程中，盡量減小邊坡負(fù)載和邊坡角。

2）當(dāng)開采過程中，若發(fā)現(xiàn)有裂隙發(fā)育或出現(xiàn)裂隙時(shí)，因盡快削坡，減小邊坡角，降低邊坡下滑力。

3）為了保護(hù)邊坡周邊巖體的強(qiáng)度，盡量采用預(yù)爆破。

4）針對(duì)坡面傾角較大的區(qū)域，適當(dāng)布置錨桿或錨索，增大巖體間的摩擦力和抗滑力，提高邊坡的安全系數(shù)。