安家?guī)X露天礦東邊界開采區(qū)域邊坡穩(wěn)定性研究

孫志鳴

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000）

目前安家?guī)X露天礦工作面向東不斷推進，在推進過程中邊坡處于斷層、陷落柱等不良地質(zhì)條件發(fā)育地帶。該區(qū)域地質(zhì)情況復雜，邊坡穩(wěn)定性受地質(zhì)條件影響存在重要的安全隱患[1]，且在東幫影響區(qū)域內(nèi)存在公路、民居、煤場等重要設施，而且目前首采區(qū)進入開采末期，上部臺階已經(jīng)逐漸靠界，隨后工作面將逐漸向南轉(zhuǎn)向進入二采區(qū)，形成永久端幫[2]。因此對東邊界的邊坡安全要求進一步提高。隨著采礦活動的開展，不穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒅饾u被揭露出來，形成露天礦的工作幫、邊坡存在重大的安全隱患。根據(jù)安家?guī)X礦確定的東部最終開采境界，對礦坑靠界區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性進行分析來確定最終的幫坡角[3-4]，在保證周圍建筑物安全的前提下確保礦山安全生產(chǎn)的持續(xù)進行，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

安家?guī)X露天礦地處山西省朔州市境內(nèi)，屬寧武煤田北部區(qū)域，是我國自行設計、自主建設的平朔礦區(qū)第二座大型露天煤礦，礦區(qū)主要開采4#煤、9#煤、11#煤3 個煤層。該區(qū)域內(nèi)地層主要由黃土、淺紅色亞黏土、黃色亞砂土、砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和煤組成，上覆松散地層多具濕陷性，承載力低。石炭、二迭系地層巖石膠結(jié)致密，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，富水性弱，寒武、奧陶系灰?guī)r、巖溶裂隙發(fā)育一般，含水性相對較弱，礦區(qū)灰?guī)r水位標高1 069～1 065 m，11#煤底板突水系數(shù)0.02～0.04 MPa/m，奧灰水在正常情況下不易進入采礦場，水文地質(zhì)條件簡單。本區(qū)巖石大多數(shù)屬半堅硬巖石夾有一定量的弱層和堅硬層，地下水較少，巖石強度較高，且強度差別不大，巖層的完整性也比較好，從可靠性上講，邊坡穩(wěn)定的可靠程度較高。

1.2 礦坑開采現(xiàn)狀

安家?guī)X露天煤礦目前開采工作面主要位于東部工作幫，向東推進，目前首采區(qū)已經(jīng)進入開采末期。根據(jù)安家?guī)X露天礦重新劃定的安家?guī)X東部境界作為地表境界，并以35°幫坡角下推至11#煤層底板作為深部境界，確定安家?guī)X礦采用“直推+北部超前”方案完成過背斜期間的開采接續(xù)，即采剝工作面沿當前開采方向逐漸靠幫，同時從北部重新拉溝向下延深向南推進?；诖_定的露天礦東部境界及開采程序，北部超前區(qū)域已經(jīng)開始剝離，但剝離量較小，尚未剝離到東部邊界。預計露天礦北部重新拉溝可于2021 年延深至11#煤層底板，之后采掘場由北向南推進。

安家?guī)X露天煤礦目前主要開采區(qū)域仍在蘆子溝背斜上部，主要工作面南北布置向東推進，北部超前區(qū)域只剝挖了較小部分區(qū)域，尚未到達東部端幫。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，東幫礦權(quán)界附近，有馬關(guān)河、平陶公路、后安礦、白蘆煤礦、部分房屋及部分煤場等重要設施。

通過對安家?guī)X露天煤礦的開采現(xiàn)狀、東幫區(qū)域現(xiàn)狀以及端幫邊坡影響因素分析，對東部開采境界進行了優(yōu)化，確定最終的東部開采境界。在原開采境界的基礎上拆遷平陶路以西的民房和儲煤場，并局部取直改移平陶路以后，以安家?guī)X礦東幫礦權(quán)界附近改移后的平陶路、工業(yè)大道、后安工業(yè)場地和白蘆工業(yè)廣場的西側(cè)邊界，向采掘場內(nèi)部回收50 m，形成最終東幫開采境界[5]。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 東邊幫構(gòu)成和指標

端幫臺階高度一般為15 m，每隔1 個平臺設有1 個運輸通道，運輸平盤寬30 m，保安平盤寬6 m。東部邊幫是一個由不同巖層構(gòu)成，最大高度約210 m 的高邊坡，巖層傾角較小，上部是強度較低的黃土，下部有強度較高的砂巖、泥巖構(gòu)成，對邊坡穩(wěn)定較為有利。

東部邊幫高度為170～205 m，依據(jù)邊坡巖性統(tǒng)計，邊坡計算中采用的計算指標見表1。

表1 邊坡計算中采用的計算指標

2.2 滑動模式和東幫邊坡穩(wěn)定性計算

露天礦邊坡煤巖互雜，依據(jù)該礦煤巖的賦存規(guī)律，未來滑坡應以圓弧滑坡和順層滑坡模式為主[6]。①圓弧滑坡模式：破裂面貫通所有地層，形成圓弧狀的滑坡模式；②順層滑坡模式[7]：滑坡體沿地層的結(jié)構(gòu)面滑出；不同部位的邊坡破壞模式與組成邊坡的巖性、強度和產(chǎn)狀有關(guān)，可能的破壞模式只能通過具體的計算分析來說明。邊坡的穩(wěn)定性為上述滑坡模式中穩(wěn)定系數(shù)最小的一種。設計中計算采用相對保守的極限平衡法中的瑞典條分法[8]。

東部邊幫由北向南選取3 處典型位置，采用瑞典條分法對東部邊幫進行穩(wěn)定性計算，確定東部開采境界的最終幫坡角，最大程度的回收煤炭資源。3處典型剖面示意圖如圖1～圖3。

圖1 1-1 剖面示意圖

圖2 2-2 剖面示意圖

圖3 3-3 剖面示意圖

1-1 剖面高度201.5 m，2-2 剖面高度171.9 m，3-3 剖面高度177.8 m，3 個剖面利用瑞典條分法進行邊坡穩(wěn)定性計算，其中剖面1-1’、2-2’、3-3’條分法的圓心和半徑分別為（72.963，251.875）、（51.547，218.842）、（51.695，218.452），R1-1=266.528、R2-2=232.190、R3-3=232.984，3 個剖面在不同幫坡角下的安全系數(shù)見表2。

表2 各剖面邊坡安全系數(shù)表

2.3 模擬結(jié)果

利用瑞典條分法分別對東部最終境界由南到北的3 個典型剖面進行不同幫坡角的安全系數(shù)計算，將計算結(jié)果繪制成折線圖，剖面安全系數(shù)折線圖如圖4。

圖4 剖面安全系數(shù)折線圖

分析3 個典型剖面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可知，在東部最終境界確定情況下，東部邊坡各剖面安全系數(shù)隨著幫坡角的逐漸增大均有不同程度的減小，穩(wěn)定性也逐漸變差，但在幫坡角最大的39°時，安全系數(shù)趨于臨界值1，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察剖面安全系數(shù)折線圖可知，北部剖面1-1、中部剖面2-2 和南部剖面3-3 隨著幫坡角的逐漸增大，安全系數(shù)都逐漸減小，但剖面2-2 和剖面3-3的變化趨勢相近，剖面1-1 在幫坡角34°～35°時發(fā)生驟變，隨后趨于緩和。

3 結(jié)語

安家?guī)X礦自生產(chǎn)以來，實踐證明采掘場最終幫坡角取35°是穩(wěn)定的，能夠保證露天礦的安全生產(chǎn)。結(jié)合計算結(jié)果可知，當東部邊幫角度小于34°時，其穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3。由于北部1-1 剖面在幫坡角為35°時安全系數(shù)發(fā)生突變，而且安全系數(shù)小于1.3。所以在保證東部境界周圍各種設施安全的前提下，為盡可能的多回收煤炭資源，確定東部境界的最終幫坡角為34°。