北山露天煤礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防治措施

王 剛

（信發(fā)集團(tuán)新疆北山礦業(yè)有限公司，新疆昌吉 831800）

隨著露天煤礦的邊坡開(kāi)采深度加深，排土場(chǎng)逐漸增高，同時(shí)邊坡安全問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻[1]。露天煤礦邊坡穩(wěn)定性易受巖土性質(zhì)、風(fēng)化、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等多種因素的影響，并且邊坡形態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，邊坡安全問(wèn)題嚴(yán)重制約著露天煤礦的綠色安全高效生產(chǎn)[2-3]。

韓萬(wàn)東[4]利用Bishop 和Spencer 2 種極限平衡法對(duì)露天煤礦邊坡進(jìn)行了分析計(jì)算，并利用數(shù)值模擬對(duì)邊坡破壞機(jī)理及其滑坡模式進(jìn)行研究，為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。周子涵[5]針對(duì)斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡在自重應(yīng)力作用下的失穩(wěn)特性，提出了尖點(diǎn)突變理論力學(xué)模型，詳細(xì)分析了巖土力學(xué)參數(shù)和性質(zhì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并豐富了邊坡失穩(wěn)預(yù)判及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)。

目前在工程中極限平衡法因簡(jiǎn)捷方便，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確得到廣泛應(yīng)用，但此方法忽略了巖土體內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，最終只是計(jì)算出了假設(shè)滑移面上各條塊安全系數(shù)的平均值，并不能分析邊坡失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

通過(guò)對(duì)北山露天煤礦邊坡實(shí)地勘察、地質(zhì)條件研究、巖土物理力學(xué)參數(shù)研究、極限平衡理論分析，最終科學(xué)地給出邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)提出有針對(duì)性的邊坡變形破壞防治措施，對(duì)豐富露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析方法及保證露天煤礦的安全高效生產(chǎn)有很大的意義[6]。

1 礦山概況

北山露天煤礦年產(chǎn)量400 萬(wàn)t，隨著礦山開(kāi)采及排土場(chǎng)增高，將形成深大露天礦坑及高大排土場(chǎng)，目前國(guó)防公路（省道S327）呈南北方向從礦區(qū)穿過(guò)，將整個(gè)礦區(qū)劃分成2 個(gè)采區(qū)：東部首采區(qū)和西部二采區(qū)，且國(guó)防公路緊鄰二采區(qū)東幫，且東幫為工作幫，目前該幫下部正在進(jìn)行采煤作業(yè)，因此為了確保國(guó)防公路的安全，需要對(duì)該幫到界邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出邊坡變形破壞綜合防治措施[7-8]。計(jì)算剖面位置如圖1。

圖1 計(jì)算剖面位置

礦區(qū)位于北山煤窯向斜北西翼，巖煤層呈向南偏東緩傾的單斜形態(tài)產(chǎn)出，傾角大約3°～6°。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

全區(qū)整體巖煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，未見(jiàn)有斷層及其它褶皺構(gòu)造，屬構(gòu)造條件簡(jiǎn)單類型。

1）第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪沖積層（Q3-4pal）。礦區(qū)第四系主要由沖洪積的砂土、戈壁碎石等堆積物組成，結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大，同下伏地層呈角度不整合接觸，在外力以及放炮震動(dòng)的作用下，容易產(chǎn)生滑坡。

2）中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）。該地層為含煤地層，巖性為灰色、淺灰色泥巖，泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖夾砂巖和煤層，底部為1 層中砂巖或粗砂巖，多為軟弱巖層-半堅(jiān)硬巖層，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，出露地表層理發(fā)育，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。

3）下侏羅統(tǒng)三工河組（J1s）。地層巖性為灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，多為硬巖，強(qiáng)度較好。

2.2 邊坡巖土物理力學(xué)參數(shù)

通過(guò)對(duì)以往該礦區(qū)開(kāi)展過(guò)工程、地質(zhì)勘察項(xiàng)目的巖土試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、分析，運(yùn)用工程地質(zhì)類比法及巖石-巖體強(qiáng)度折減理論，得出的適用于本次研究區(qū)域的巖體力學(xué)評(píng)價(jià)參數(shù)見(jiàn)表1 。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

3 研究區(qū)域邊坡穩(wěn)定性

通過(guò)對(duì)新疆北山露天煤礦實(shí)地勘察可知，東幫邊坡地層主要由第四系、粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和煤組成，且組成邊坡的巖石主要為軟弱巖層-半堅(jiān)硬巖層。通過(guò)實(shí)地勘察、地質(zhì)資料分析及理論分析可知東幫邊坡的潛在滑坡模式為圓弧型滑坡及小范圍的片幫[9]。

3.1 極限平衡法

該方法基本原理是假定邊坡體中存在潛在滑面，并對(duì)滑面之上的滑體進(jìn)行有限條分最終形成若干個(gè)相互作用的條塊，首先對(duì)每個(gè)單獨(dú)條塊建立靜力平衡方程，接著利用各條塊之間的相互作用關(guān)系并聯(lián)立各條塊靜力平衡方程，來(lái)創(chuàng)建整個(gè)宏觀滑體的靜力平衡方程，最終將滑面上抗剪力與剪切力的比值定義為潛在滑體的穩(wěn)定系數(shù)。由于極限平衡理論體系的不斷豐富，衍生出很多更為簡(jiǎn)便的方法，例如Morgenstern -price 法、Ordinary 法、Bishop 法、Janbu 法等[10]。本次運(yùn)用Morgenstern-price 法來(lái)計(jì)算東幫邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，該方法采納了全部邊界條件及平衡條件來(lái)彌補(bǔ)計(jì)算方法的缺陷，因此計(jì)算結(jié)果更具真實(shí)性[11-12]。

3.2 計(jì)算剖面位置及安全儲(chǔ)備系數(shù)

根據(jù)礦區(qū)以往地質(zhì)資料及二采區(qū)地表國(guó)防公路的實(shí)際位置情況，此次為了確保國(guó)防公路的安全，因此在二采區(qū)東幫及北幫共布置2 個(gè)剖面。

本次安全儲(chǔ)備系數(shù)主要按照GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并在現(xiàn)有的邊坡資料基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)邊坡工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件來(lái)最終確定。由于東幫地表緊鄰國(guó)防公路，考慮到國(guó)防公路的安全問(wèn)題，最終確定研究區(qū)域東幫邊坡及北幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)均為1.5。邊坡穩(wěn)定系數(shù)K 見(jiàn)表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)K

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算

剖面1 整體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2。由圖2可知，整體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.630，剖面1 中部邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如圖3，中部邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.536，二者均大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5，滿足安全儲(chǔ)備要求，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖2 剖面1 整體邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

圖3 剖面1 中部邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

剖面2 穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如圖4，整體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.657，大于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5，滿足安全儲(chǔ)備要求。剖面2 局部邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如圖5。局部臺(tái)階的穩(wěn)定性系數(shù)為1.433，小于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5，不能滿足安全儲(chǔ)備要求，所以在日常生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意局部臺(tái)階片幫的發(fā)生，防止滑落石塊傷及人身及設(shè)備安全。

圖4 剖面2 整體邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

圖5 剖面2 局部邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

綜上所述，研究區(qū)域邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但有局部臺(tái)階片幫的風(fēng)險(xiǎn)，但這種局部臺(tái)階滑坡不會(huì)威脅到地表國(guó)防公路安全，所以研究區(qū)域國(guó)防公路不會(huì)受到邊坡失穩(wěn)帶來(lái)的威脅。

4 邊坡變形破壞綜合防治建議

為了提高邊坡整體的穩(wěn)定性，同時(shí)避免大規(guī)模、突發(fā)性的滑坡災(zāi)害發(fā)生，有必要采取一定的措施，保證礦山安全生產(chǎn)的進(jìn)行。

1）邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警。邊坡變形監(jiān)測(cè)包括地上位移監(jiān)測(cè)和地下位移監(jiān)測(cè)，從該礦實(shí)際情況促發(fā)，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的原則，地上位移監(jiān)測(cè)推薦采用邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)或GNSS 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)，地下位移監(jiān)測(cè)推薦采用地下測(cè)斜儀技術(shù)[13]。

2）加強(qiáng)邊坡巡查和維護(hù)。在巡查中注意觀察已揭露巖層向臨空面的移動(dòng)及錯(cuò)位情況，若發(fā)現(xiàn)明顯的巖層移動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)立即上報(bào)，并采取避讓、撤離等安全措施；當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生沉陷與裂縫時(shí)，要及時(shí)回填壓實(shí)，避免大氣降水及地表水通過(guò)裂縫大量滲入邊坡體中，同時(shí)盡量保證邊坡坡面平整。

3）加強(qiáng)疏干排水。在地表修筑截水溝，盡可能將地面水在地表實(shí)施攔截，同時(shí)避免截排水的回流；在東幫邊坡不同水平應(yīng)修筑水溝、蓄水池等，使水流有序，排放合理；加強(qiáng)觀測(cè)并掌握暫時(shí)性地表洪流周期與徑流途徑，合理設(shè)置擋水墻和排水溝，以防止洪流灌入采場(chǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)以往巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、資料的歸納、分析、整理，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行可靠性分析，結(jié)合類比分析結(jié)果，獲得適用于本次研究的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2）通過(guò)實(shí)地勘察、地質(zhì)資料分析及理論分析可知研究區(qū)域邊坡的潛在滑坡模式為圓弧型滑坡及小范圍的片幫。

3）通過(guò)穩(wěn)定性分析計(jì)算，得出研究區(qū)域國(guó)防公路緊鄰的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4）根據(jù)邊坡的實(shí)際情況提出了邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警、加強(qiáng)邊坡巡查和維護(hù)、加強(qiáng)疏干排水等綜合防治措施。