內(nèi)蒙古西部某礦層狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響研究

封海洋 韓 猛 楊 駿

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

露天煤礦邊坡的穩(wěn)定與露天煤礦人員、設(shè)備、生產(chǎn)的安全以及采煤剝離的進(jìn)度息息相關(guān)，是保障露天煤礦開(kāi)采工作正常有序進(jìn)行的關(guān)鍵［1-3］。邊坡的變形失穩(wěn)伴隨著露天礦生產(chǎn)時(shí)常發(fā)生，是露天煤礦常見(jiàn)的安全問(wèn)題之一，邊坡一旦出現(xiàn)變形失穩(wěn)情況，不僅威脅露天礦人員、設(shè)備安全以及露天礦的正常開(kāi)采，而且當(dāng)其地表存在建筑物等設(shè)施時(shí)，亦會(huì)造成建筑物等設(shè)施損壞［4-6］。

為了研究?jī)?nèi)蒙古西部某礦層狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全的影響，展開(kāi)層狀邊坡穩(wěn)定性研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出合理的采剝安全控制距離，以確保層狀邊坡的穩(wěn)定及周邊建筑物的安全［7］。

1 工程概況

研究區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆旮咴孛玻匦纹鸱^大，多為溝谷小山崖，小溝谷縱橫；最高點(diǎn)位于研究區(qū)西南部，海拔標(biāo)高為1 318 m，最低點(diǎn)位于東部，海拔標(biāo)高為1 240 m，海拔相對(duì)高差為78 m；地形總體地勢(shì)西高東低，南高北低，礦區(qū)地表境界南北長(zhǎng)0.94 km，地表東西寬1.021 km，面積為0.96 km2。開(kāi)采標(biāo)高為1 250～1 000 m，平均開(kāi)采深度為190 m。該礦地層由老至新分別為石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、第四系全新統(tǒng)（Q4），其中含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）及二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）。可采煤層分別為8、9、10、12、13上2、13、15、16、17 號(hào)煤層。南幫為該礦工作幫，其邊坡為層狀邊坡，主要地層為風(fēng)積沙層、沖積層、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤層等，其中部分巖層為軟巖，易發(fā)生邊坡安全問(wèn)題。南幫上部建成有某井工礦的風(fēng)井主扇及瓦斯電站，為井工礦的重點(diǎn)保護(hù)建筑，最近點(diǎn)距現(xiàn)狀邊坡邊界僅30 m，露天礦工作幫的采煤及剝離作業(yè)引起邊坡的緩慢變形，導(dǎo)致井工礦的風(fēng)井主扇及瓦斯電站出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)狀邊坡與風(fēng)井主扇及瓦斯電站位置關(guān)系圖如圖1所示，該露天礦南幫層狀邊坡工程地質(zhì)模型如圖2所示。

2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖土體物理力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行本次層狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響研究的基礎(chǔ)及重要資料，要獲取準(zhǔn)確的巖土體物理力學(xué)參數(shù)需要進(jìn)行大量的鉆探及試驗(yàn)。該礦自建礦至今，通過(guò)鉆探及實(shí)驗(yàn)已積累了豐富的巖土體物理力學(xué)參數(shù)研究成果，本次研究將使用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比的方法，收集、歸納、分析以往得巖土體試驗(yàn)研究成果，得到本次研究所推薦的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)。本次研究推薦的巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3 層狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響

為了研究層狀邊坡對(duì)周邊建筑物安全的影響，在南幫正對(duì)風(fēng)井主扇及瓦斯電站位置選取剖面1 及剖面2（圖1），展開(kāi)層狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響的研究。本次研究方法選用Morgensternprice 法，該方法具有計(jì)算模型簡(jiǎn)單化、計(jì)算參數(shù)相對(duì)固定化、計(jì)算結(jié)果物理意義明確化等特點(diǎn)，并且考慮了全部平衡與邊界條件來(lái)消除計(jì)算方法的誤差，使得計(jì)算結(jié)果更加精確。

本次研究中南幫邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)的確定主要依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50197—2015）。規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)邊坡上有特別重要建筑物或邊坡滑落會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)重大損失，且服務(wù)年限大于20 a 者，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs＞1.5。因風(fēng)井主扇及瓦斯電站相對(duì)于該井工礦為重點(diǎn)保護(hù)建筑，其穩(wěn)定與井下人員、設(shè)備的安全息息相關(guān)，而南幫邊坡的穩(wěn)定性與風(fēng)井主扇及瓦斯電站的安全又緊密相連，鑒于該情況，本次研究中南幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)確定為1.5。

3.1 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響

為研究層狀邊坡對(duì)周邊建筑物安全的影響，根據(jù)剖面1 及剖面2 建立邊坡剖面模型。該研究分為現(xiàn)狀邊坡滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)研究以及現(xiàn)狀邊坡從建筑物位置剪入對(duì)建筑物安全影響的研究，研究結(jié)果如圖3～圖6所示。

由圖3 及圖5 可知，現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果分別為1.346 和1.342，均小于南幫安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5的要求，現(xiàn)狀邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，存在滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。由圖4 及圖6 可知，沿建筑物位置剪入的驗(yàn)算結(jié)果分別為1.521 和1.512，大于南幫安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5的要求，由此可知，現(xiàn)狀邊坡雖然存在滑動(dòng)的可能，但不存在沿建筑物位置剪入的風(fēng)險(xiǎn)，因此現(xiàn)狀條件下南幫邊坡對(duì)其上部建筑的影響較小，上部建筑物損壞的風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.2 邊坡二次滑動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響

通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均小于南幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5，邊坡存在滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，如若現(xiàn)狀邊坡發(fā)生滑動(dòng)后，南幫邊坡發(fā)生二次滑動(dòng)對(duì)建筑物安全的影響未可知，現(xiàn)選擇剖面1 及剖面2 現(xiàn)狀邊坡滑坡后的工況，展開(kāi)層狀邊坡二次滑動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物安全影響的研究，研究結(jié)果如圖7～圖10所示。

通過(guò)對(duì)研究結(jié)果分析可知，層狀邊坡二次滑動(dòng)沿建筑物邊緣剪入的邊坡穩(wěn)定性分別為1.034 和1.294，沿建筑物內(nèi)部剪入的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.088 和1.333，驗(yàn)算結(jié)果均小于南幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)1.5 的要求，且部分邊坡穩(wěn)定性系數(shù)趨近于臨界值，邊坡滑坡的風(fēng)險(xiǎn)加大。由此可知，現(xiàn)狀邊坡發(fā)生滑坡后，層狀邊坡二次滑動(dòng)從建筑物邊緣及內(nèi)部剪入的風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦滑坡，會(huì)對(duì)其上部建筑物造成損壞，對(duì)人員、設(shè)備以及生產(chǎn)造成威脅。

3.3 采剝安全距離控制

通過(guò)對(duì)露天礦南幫剖面1 和剖面2 的分析可知，現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均低于安全儲(chǔ)備系數(shù)，層狀邊坡有滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，而且在現(xiàn)狀邊坡滑坡后，層狀邊坡二次滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)均小于安全儲(chǔ)備系數(shù)，且部分趨近于臨界值，邊坡滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)加劇。在剖面1中，滑面最遠(yuǎn)點(diǎn)距風(fēng)井250 m，剖面2中滑面最遠(yuǎn)點(diǎn)距風(fēng)井237 m，根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50197—2015），機(jī)修車(chē)間、選煤廠或其他重要建（構(gòu)）筑物與采掘場(chǎng)地表境界的安全距離，應(yīng)經(jīng)采掘場(chǎng)邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算后確定。當(dāng)開(kāi)采深度小于200 m 時(shí)，安全距離不宜小于最大開(kāi)采深度；當(dāng)開(kāi)采深度大于200 m時(shí)，安全距離不宜小于200 m。目前風(fēng)井主扇距露天礦南幫僅70 m 左右，因此，綜合邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果，露天礦在潛在滑坡影響范圍內(nèi)應(yīng)禁止作業(yè)。鑒于此，建議露天礦采剝安全距離分別以風(fēng)井主扇及瓦斯電站北側(cè)以及回風(fēng)井地下巷道北邊界為起算點(diǎn)，采剝安全控制距離為250 m（圖11）。

3.4 意見(jiàn)與建議

（1）鑒于風(fēng)井主扇及瓦斯電站對(duì)井工礦的重要程度，建議對(duì)該建筑物周邊以及露天礦南幫布置若干GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)建筑物周邊以及露天礦南幫的整體變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）做好露天礦南幫的防排水工作，防止雨水的滲入降低邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)主扇及瓦斯電站的安全產(chǎn)生進(jìn)一步影響。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果可知，現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)小于南幫邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)，但從建筑物位置剪入的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于南幫安全儲(chǔ)備系數(shù)，現(xiàn)狀條件下南幫上部建筑物損壞的風(fēng)險(xiǎn)較小。

（2）通過(guò)對(duì)層狀邊坡二次滑動(dòng)的穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果可知，從建筑物邊緣及內(nèi)部剪入的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于南幫的安全儲(chǔ)備系數(shù)，且部分趨近于臨界值，層狀邊坡有滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，將對(duì)建筑物造成損壞。

（3）根據(jù)研究結(jié)果確定了露天礦的采剝安全控制距離，分別以風(fēng)井主扇及瓦斯電站北側(cè)以及回風(fēng)井地下巷道北邊界為起算點(diǎn)，采剝安全控制距離為250 m。