大煤溝露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析及防治

趙海峰

（義煤集團(tuán)青海義海能源有限責(zé)任公司大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

0 引 言

露天礦山開采過程中，由于采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡容易受巖土性質(zhì)、氣候變化、地形、水文地質(zhì)及礦山開采等多種因素的綜合影響[1]，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)滑坡造成安全事故，嚴(yán)重影響礦山安全高效開采，特別是對(duì)深凹露天礦山安全生產(chǎn)影響最為突出[2]。如何提高礦山邊坡穩(wěn)定性，避免滑坡等安全事故發(fā)生，是露天礦山開采必須提前考慮的問題。基于此，結(jié)合青海義海能源有限責(zé)任公司大煤溝煤礦實(shí)際情況，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果提出邊坡防治措施和合理化建議，為礦山邊坡治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

青海義海能源有限責(zé)任公司大煤溝煤礦位于青海省海西州柴達(dá)木盆地北緣東部，開采方式采用的為露天-井工聯(lián)合開采方式，露天開采對(duì)象為以往淺部斜井開采形成的采空區(qū)中的殘煤，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30 萬t/a。露天采場(chǎng)位于井田東部，地勢(shì)整體呈東北高西南低，東北部為高山區(qū)，海拔在3 800 m 以上，原始地形坡度25°～40°；西南部地勢(shì)相對(duì)較緩，屬山前沖洪積地貌，海拔約3 510 m，原始地形坡度18°～24°。露天采場(chǎng)現(xiàn)已開采至3 465 m，到界幫坡角24°～30°，未到界幫坡角15°～23°，最大邊坡高度約240 m，該礦山露天采場(chǎng)具有典型的深凹露天礦山特征。礦山露天開采過程中揭露的邊坡地層巖性主要有：第四系沖洪積層；古近系砂巖及礫巖；侏羅系砂巖、泥巖及煤巖，其坡體巖石強(qiáng)度較低，局部裂隙發(fā)育，隨著開采深度及到界臺(tái)階數(shù)量的增加，露天采場(chǎng)邊坡變陡，其穩(wěn)定性也隨之降低。

2 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法及依據(jù)

2.1 穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法

為便于對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析提供所需的基本參數(shù)及評(píng)價(jià)依據(jù)，根據(jù)大煤溝煤礦礦山地質(zhì)特征及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將工程地質(zhì)條件與特性大體相同的地段歸類區(qū)劃為一些獨(dú)立的場(chǎng)地單元或系統(tǒng)，將采場(chǎng)邊坡工程地質(zhì)分區(qū)劃分為I 區(qū)、II 區(qū)和III 區(qū)，共計(jì)3個(gè)分區(qū)。

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法可分為極限平衡法、有限元及邊界元法以及可靠性分析方法[3]。極限平衡法因其計(jì)算模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方法簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果能滿足工程需要等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是邊坡工程分析與設(shè)計(jì)中最主要的且最有效的實(shí)用分析方法[4]。根據(jù)《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)以剛體極限平衡方法為基本方法，并應(yīng)根據(jù)可能發(fā)生的滑坡破壞模式選擇合適的方法，對(duì)邊坡同一位置穩(wěn)定性系數(shù)至少采用2 種以上方法計(jì)算獲得，并進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。對(duì)于土質(zhì)邊坡和強(qiáng)度極地的巖層、散體結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡，當(dāng)滑動(dòng)面為圓弧時(shí)，宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法和摩根斯頓-普賴斯法；對(duì)于可能巖基巖面、原地面、層面、裂隙面、斷層面或軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)的邊坡，當(dāng)滑動(dòng)面為平面或折線型時(shí)，宜采用摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法[5-7]。

此次穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，通過對(duì)采場(chǎng)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)邊坡各分區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面間距0.24～0.32 m，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，且坡體無滑坡楔形體。Ⅰ區(qū)巖層傾向與坡向相同，其可能的滑動(dòng)面形式為沿巖層面的折線滑動(dòng)，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法；Ⅱ區(qū)巖層傾向與邊坡相反，其可能的滑動(dòng)面形式為圓弧，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇簡(jiǎn)化畢肖普法及摩根斯頓-普賴斯法；Ⅲ區(qū)為外排土場(chǎng)邊坡，剝離物內(nèi)摩擦角接近零，其可能的滑動(dòng)面形式為直線滑動(dòng)，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法。

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)依據(jù)

邊坡穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)主要依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）、《露天煤礦邊坡穩(wěn)定性年度評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（GB/T37573-2019）及《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51289-2018），規(guī)范根據(jù)邊坡及地質(zhì)條件復(fù)雜程度對(duì)邊坡工程安全等級(jí)進(jìn)行了劃分，并對(duì)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)做了規(guī)定，詳見表1-表 3。

表1 采掘場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)劃分

表2 排土場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)劃分

表3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)限值

大煤溝煤礦采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)最終邊坡最大高度240 m，邊坡工程地質(zhì)條件中等復(fù)雜，采掘場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)；外排土場(chǎng)最終邊坡高度約100 m，基底地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等，外排土場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 自重+ 地下水組合條件（工況Ⅰ）邊坡穩(wěn)定性分析

3.1.1 Ⅰ區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

由于Ⅰ區(qū)巖層傾向與邊坡傾向相同，可能的滑動(dòng)面形式為沿巖層面的折線滑動(dòng)，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法，現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖1，年度計(jì)劃邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖2。

圖1 工況I 條件下1-1 剖面（現(xiàn)狀）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

圖2 工況I 條件下1-1 剖面（年度計(jì)劃）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

3.1.2 II 區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

由于Ⅱ區(qū)巖層傾向與邊坡傾向相反，可能的滑動(dòng)面形式為圓弧，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇簡(jiǎn)化畢肖普法和摩根斯頓-普賴斯法，現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖3，年度計(jì)劃邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖4。

圖3 工況I 條件下2-1 剖面（現(xiàn)狀）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

圖4 工況I 條件下2-1 剖面（年度計(jì)劃）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

3.1.3 Ⅲ區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

由于Ⅲ區(qū)為外排土場(chǎng)邊坡，剝離物內(nèi)摩擦角接近零，其可能的滑動(dòng)面形式為直線滑動(dòng)，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法?，F(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖5，年度計(jì)劃邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖6。

圖5 工況I 條件下3-1 剖面（現(xiàn)狀）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

圖6 工況I 條件下3-1 剖面（年度計(jì)劃）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

綜上經(jīng)計(jì)算，Ⅰ-Ⅲ區(qū)各剖面穩(wěn)定性系數(shù)見表4。從計(jì)算結(jié)果可知Ⅰ區(qū)摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法所得穩(wěn)定系數(shù)最大差值為0.010，結(jié)果相近，本次評(píng)價(jià)取斯賓塞法計(jì)算結(jié)果；II 區(qū)摩根斯頓- 普賴斯法及斯賓塞法所得穩(wěn)定系數(shù)最大差值為0.025，結(jié)果相近，本次評(píng)價(jià)取簡(jiǎn)化畢紹普計(jì)算結(jié)果;Ⅲ區(qū)摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法系數(shù)最大差值為0.015，結(jié)果相近，本次評(píng)價(jià)取斯賓塞法計(jì)算結(jié)果。

表4 Ⅰ～Ⅲ區(qū)各剖面穩(wěn)定性表（工況Ⅰ）

3.2 自重+ 地下水+ 爆破作用力組合條件（工況Ⅱ）邊坡穩(wěn)定性分析

3.2.1 Ⅰ區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

Ⅰ區(qū)1-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力組合條件下（工況Ⅱ）現(xiàn)狀穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算見圖7，年度計(jì)劃邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖8。

圖7 工況Ⅱ條件下1-1 剖面（現(xiàn)狀）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

圖8 工況Ⅱ條件下1-1 剖面（年度計(jì)劃）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

3.2.2 II 區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

Ⅱ區(qū)2-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力組合條件下（工況Ⅱ）現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖9，年度計(jì)劃邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算見圖10。

圖9 工況Ⅱ條件下2-1 剖面（現(xiàn)狀）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

圖10 工況Ⅱ條件下2-1 剖面（年度計(jì)劃）穩(wěn)定性分析計(jì)算圖

3.2.3 Ⅲ區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

由于Ⅲ區(qū)為外排土場(chǎng)，距采場(chǎng)爆破點(diǎn)最小距離約120 m，爆破振動(dòng)力破壞半徑約80 m，爆破振動(dòng)力對(duì)外排土場(chǎng)影響較小，本次分析不考慮外排土場(chǎng)在自重+地下水+爆破振動(dòng)力下的穩(wěn)定性。

綜上經(jīng)計(jì)算，Ⅰ～Ⅲ區(qū)各剖面穩(wěn)定性系數(shù)見表4。從計(jì)算結(jié)果可知Ⅰ區(qū)摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法所得穩(wěn)定系數(shù)最大差值為0.022，結(jié)果相近，本次評(píng)價(jià)取斯賓塞法計(jì)算結(jié)果；II 區(qū)摩根斯頓- 普賴斯法及斯賓塞法所得穩(wěn)定系數(shù)最大差值為0.011，結(jié)果相近，本次評(píng)價(jià)取簡(jiǎn)化畢紹普計(jì)算結(jié)果。

表5 Ⅰ-Ⅲ區(qū)各剖面穩(wěn)定性表（工況Ⅱ）

根據(jù)上述計(jì)算分析，在工況I 條件下，采場(chǎng)Ⅰ區(qū)上部大部為到界臺(tái)階，按永久邊坡考慮；Ⅱ區(qū)大部分臺(tái)階均為到界，按臨時(shí)邊坡考慮；Ⅲ區(qū)外排土場(chǎng)邊坡，其中3-1 剖面處為永久邊坡，3-2 處剖面為臨時(shí)邊坡。爆破震動(dòng)力為瞬時(shí)作用，根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51289-2018），工況Ⅱ條件下現(xiàn)狀及年度計(jì)劃各區(qū)邊坡均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 防治措施

1）通過計(jì)算可知，爆破振動(dòng)力對(duì)于邊坡穩(wěn)定的影響較大，后期靠幫爆破時(shí)，必須采用控制爆破方法，降低靠幫邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，使其控制在0.24 m/s 以內(nèi)。

2）隨著開采深度的增加及到界臺(tái)階的增多，邊坡穩(wěn)定的可靠程度將隨之降低，后期生產(chǎn)須嚴(yán)格按照年度計(jì)劃控制幫坡角；同時(shí)，須根據(jù)降段速度及揭露巖層工程地質(zhì)特征，對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析，確保礦山安全。

3）雨季做好地表防排水工作，對(duì)采場(chǎng)周邊容易積水地段進(jìn)行疏導(dǎo)，防止地表水聚集，引發(fā)滑坡。

4）外排土場(chǎng)及Ⅱ區(qū)范圍內(nèi)存在井工開采形成的采空區(qū)。由于采空區(qū)冒落帶高度為14 m，處于露天采坑最低標(biāo)高3 450 m 以下，故露天邊坡受冒落帶直接影響較小，邊坡整體沉陷及垮塌的可能性較低，但受裂隙帶及彎曲下沉帶巖層變形影響，外排土場(chǎng)及Ⅱ區(qū)邊坡可能存在局部失穩(wěn)的可能性，生產(chǎn)過程中須加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，防止邊坡因采空區(qū)垮塌而失穩(wěn)，引發(fā)生產(chǎn)安全事故；同時(shí)，礦山須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求留設(shè)采空區(qū)隔離煤巖柱，嚴(yán)禁降低設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高。

5）本礦砂巖及泥巖吸水軟化程度較高，其力學(xué)性質(zhì)受水的影響較大，生產(chǎn)過程中須加強(qiáng)坑內(nèi)排水，減輕坑內(nèi)積水對(duì)巖石的軟化作用。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)大煤溝煤礦現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查資料及巖石、結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)，確定邊坡巖體的工程級(jí)別，其中采掘場(chǎng)設(shè)計(jì)最終邊坡最大高度240 m，邊坡工程地質(zhì)條件中等復(fù)雜，采掘場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)；外排土場(chǎng)最終邊坡高度約100 m，基底地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等，外排土場(chǎng)邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)。

2）根據(jù)工程地質(zhì)分區(qū)，對(duì)各區(qū)段代表性剖面采用極限平衡法對(duì)現(xiàn)狀及年度計(jì)劃條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果提出邊坡防治措施及建議。