露天煤礦外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性研究

關(guān) 偉

（山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

礦產(chǎn)資源是大自然給予人類的寶貴財(cái)富，我國(guó)各礦石資源儲(chǔ)量巨大，其開采關(guān)乎到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)家安全，是國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)保障[1-2]。我國(guó)露天礦數(shù)量約占全礦礦山總數(shù)的87%，礦產(chǎn)儲(chǔ)量約占全國(guó)資源總量的50%。隨著我國(guó)露天礦開采的持續(xù)進(jìn)行，其邊坡高度超過400 m，最高超過600 m，滑坡等邊坡災(zāi)害逐年遞增。近十年內(nèi)，我國(guó)露天礦事故占安全事故的15%，位居事故首位[3]，事故統(tǒng)計(jì)表見表1?？梢?，露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要。有眾多因素制約著露天礦工程地質(zhì)特征，對(duì)中軟巖露天礦首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，提出合理的邊坡治理措施，對(duì)不穩(wěn)定的、潛在滑坡問題的邊坡，進(jìn)行綜合控制，從而改善邊坡的穩(wěn)定性。

露天礦邊坡的邊坡查清邊坡重點(diǎn)部位煤巖產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造等賦存特征，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域邊坡穩(wěn)定性作出科學(xué)評(píng)價(jià)。隨著露天礦開采的不斷深入，隨時(shí)會(huì)有邊坡問題的發(fā)生，特別是中軟巖邊坡。針對(duì)不同露天礦的工程地質(zhì)特征，對(duì)露天礦開采范圍內(nèi)的邊坡進(jìn)行有針對(duì)性工程地質(zhì)分析，進(jìn)一步明確各層巖性、厚度，與邊坡穩(wěn)定性有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造的賦存狀態(tài)、分布規(guī)律、接觸關(guān)系及接觸面的特征，分析影響邊坡的工程地質(zhì)因素，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，常見的邊坡防治措施方法有：①削邊坡、壓邊坡腳；②加強(qiáng)或維持邊坡巖體的強(qiáng)度；③人工進(jìn)行邊坡加固。本文對(duì)朝凱煤業(yè)露天礦外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)現(xiàn)有邊坡參數(shù)，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性提出合理化建議。

1 概況

山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司礦區(qū)位于山西省寧武縣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，為露天開采方式。礦區(qū)北部位于薛家洼鄉(xiāng)西溝村，常駐人口約246人，南部位于陽(yáng)方口鎮(zhèn)薛家洼村、薛家洼鄉(xiāng)麻地溝、鳳凰鎮(zhèn)馮家山村、郭家窯一帶。整合后的礦田地理坐標(biāo)為東經(jīng)：112°22′10″-112°27′03″，北緯：39°01′49″-39°04′37″。整合后礦田以長(zhǎng)城為界分為南、北2個(gè)區(qū)。首采區(qū)生產(chǎn)原煤120萬(wàn)t，剝離土石方量1 136.37萬(wàn)m3，推進(jìn)寬度725 m，平均工作線長(zhǎng)度350 m，最大降深110 m，年度平均剝采比為6.5 m3/t，首采區(qū)內(nèi)、外排土場(chǎng)排土區(qū)域內(nèi)計(jì)劃排棄容量1 477.28萬(wàn)m3。采用露天開采方式，單斗-卡車開采工藝，礦區(qū)位于礦田東南側(cè),正在進(jìn)行開采，采場(chǎng)邊坡巖性主要為煤層、砂巖、泥巖和第四系沖洪積物等，屬于典型中軟巖邊坡,首采區(qū)西部南側(cè)、北側(cè)區(qū)域最上部到界臺(tái)階地表有滑坡區(qū)域,高度約20 m左右。礦田位于云中山脈北端與恒山山脈西南端的交匯部分，為典型的黃土、基巖切割型中山區(qū)地形地貌特征，礦田內(nèi)沖溝發(fā)育，按其排土區(qū)域形態(tài)類型分為侵蝕型地形及堆積型地形，侵蝕型地形占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。侵蝕地貌地形表現(xiàn)為強(qiáng)烈切割的黃土山地，侵蝕形態(tài)為呈“V”形。堆積地形主要發(fā)育在較大的沖溝底，為沖、洪積物。

2 外排土場(chǎng)特征

該露天礦外排土數(shù)量6個(gè)，最高標(biāo)高為180 m，松散度比較低為1.1，整體外排邊坡角度為18°。采區(qū)設(shè)計(jì)單臺(tái)階高度為20 m，平盤寬度40 m。外排土排棄物料由多種成分組成，其中以第四土系、粉砂巖、中砂巖和泥巖為主，還有少量的廢煤。外排土場(chǎng)位于首采區(qū)采場(chǎng)東北側(cè),排棄物為土巖混合物，采用前裝機(jī)進(jìn)行排棄，排棄時(shí)分層排棄，分層壓實(shí)，排土排棄最高標(biāo)高為+1 870 m，排土場(chǎng)目前還在進(jìn)行外排工作，形成排土臺(tái)階4個(gè)排土工作面向坡頂線方向有反坡，并且坡頂線直線形或弧形。在采掘場(chǎng)東南側(cè)，外排土場(chǎng)南側(cè)修筑了簡(jiǎn)易的防洪提及排水溝；在外排土場(chǎng)東側(cè)外砌筑漿砌石擋土墻、道路兩側(cè)修筑了排水渠。通過工程地質(zhì)等工作，為防止基底水進(jìn)入排棄物內(nèi)部影響邊坡強(qiáng)度，影響邊坡穩(wěn)定性，由排土場(chǎng)基底賦水，人工鋪設(shè)了1.75 m厚的泥巖散料，加強(qiáng)了基底強(qiáng)度以保證邊坡穩(wěn)定性。

3 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

礦區(qū)內(nèi)，巖體呈層狀分布且節(jié)理不發(fā)育，故巖塊的強(qiáng)度參數(shù)是決定巖體強(qiáng)度的主要因素。通過與以往該地區(qū)礦區(qū)的巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)值類比，得出了用于本露天礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算的巖土物理力學(xué)的指標(biāo)值，見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)值

4 外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定影響因素分析

外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響因素主要由：

1）地下水、大氣降水等導(dǎo)致了排棄物水量增加，使排棄物強(qiáng)度降低，增加了邊坡下滑力[4,5]。

2）堆棄物堆放的高度是影響外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的主要因素。較高的排棄物堆放高度會(huì)對(duì)基底產(chǎn)生巨大的載荷，使基底容易產(chǎn)生低鼓，與此同時(shí)，在地下水的滲透作用下，極易產(chǎn)生地基軟弱滑坡。

3）通過地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)在該排土場(chǎng)內(nèi)，有人工堆砌的泥巖散料，厚度較薄，通過分析可知其抗剪指標(biāo)較小，故位于其上部的巖土層有可能發(fā)生順層滑動(dòng)[6-8]。

針對(duì)礦區(qū)實(shí)際條件，綜合分析得出影響首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響因素：①煤層頂板及底板層；②地下水的用處；③邊坡的坡高角和邊坡角；④巖土體物理力學(xué)的性質(zhì)；⑤排棄場(chǎng)地基底巖土體的物理力學(xué)特性；⑥分析自然因素、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；⑦對(duì)各影響因素進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，確定導(dǎo)致滑坡的形成條件及誘發(fā)原因并分析可能造成的危害；⑧結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造及影響因素分析結(jié)果，判定首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)邊坡的潛在滑坡模式。

5 排棄高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

5.1 排棄高度變化對(duì)排棄物料的物理性質(zhì)的影響

排棄高度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，是因?yàn)槠鋵?duì)排棄物的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，該影響分為兩部分：①排棄高度的變化改變了固結(jié)特征；②排棄物高度的變化改變了物理力學(xué)性質(zhì)[9，10]。該礦外排場(chǎng)的物料成分包括泥巖、粉砂巖、廢煤、泥質(zhì)粉砂巖等，這些物料形成的散狀物料按不同比例混合排出，具有不同的固結(jié)度，特點(diǎn)是外排土場(chǎng)沉降，且這種沉降不均勻，導(dǎo)致外排土場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)許多沉降裂縫，裂縫的規(guī)模和寬度也不同[11-14]。排棄高度的增加導(dǎo)致了外排土場(chǎng)急速不均勻沉降。進(jìn)而增加沉降裂縫的寬度和數(shù)量，加速地下水的側(cè)向補(bǔ)給和地表水下滲，邊坡穩(wěn)定性隨之下降[15]。

5.2 排棄高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

使用Morgenstern-Price方法、通過GEO-slop軟件，定量計(jì)算不同排棄高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算結(jié)果見圖1。在現(xiàn)有條件下，根據(jù)現(xiàn)有措施可知外排土場(chǎng)的坡面角為18°，單臺(tái)階高度為20 m，平盤寬度為40 m，分析不同排棄高度（150～210 m）對(duì)整個(gè)排土場(chǎng)穩(wěn)定性的影響。

據(jù)圖1可知，在其他影響因素不變的情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著處置高度的增加而減小，幅度不大。由于整體坡角影響較小，削弱了高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響[16]。安全系數(shù)達(dá)1.2時(shí)的排棄高度為180 m，滿足施工需求，隨著排棄高度的后移，潛在滑動(dòng)面也后移，增大了滑動(dòng)體，使滑坡風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖1 不同排棄高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

6 外排土場(chǎng)排棄參數(shù)優(yōu)化

6.1 排土臺(tái)階高度

由資料可知，該礦外排土場(chǎng)臺(tái)階坡面角度約為22°，通過上述方法計(jì)算不同高度（14～32 m）對(duì)排土臺(tái)階Fs值的影響，計(jì)算過程中固定坡度角度。分析圖2可知，當(dāng)排土臺(tái)階Fs值滿足1.2時(shí)極限排土高度為21 m，有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，排土場(chǎng)設(shè)計(jì)臺(tái)階高度為20 m，小于計(jì)算極限排土高度，證明設(shè)計(jì)滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，故保持原有排土高度20 m不變。采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧型直線型滑面，數(shù)值的模擬和驗(yàn)算結(jié)果均表明首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的，這對(duì)本礦區(qū)的開采生產(chǎn)施工提供了有利條件。但采場(chǎng)東幫邊坡驗(yàn)算剖面、采場(chǎng)北幫邊坡驗(yàn)算的剖面和采場(chǎng)南幫邊坡驗(yàn)算剖面邊坡處于極限平衡狀態(tài)，后期本礦生產(chǎn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)具體的邊坡監(jiān)測(cè)和做出防護(hù)措施等對(duì)應(yīng)性方案。

圖2 不同高度對(duì)排土臺(tái)階Fs值的影響

6.2 極限邊坡角度

邊坡穩(wěn)定性的影響因素可以概括為巖體強(qiáng)度特性的影響因素和巖體應(yīng)力分布的影響因素兩大方面。改變邊坡或影響邊坡巖體應(yīng)力情況和強(qiáng)度特性的因素很多，其中主要有本礦區(qū)的巖性因素、賦存巖體結(jié)構(gòu)、和本地區(qū)的自然因素作用、地震、地下水應(yīng)力、地形地貌特征及人為因素等。總的來說，露天礦邊坡穩(wěn)定性影響因素可分為自然因素、工程因素及時(shí)間效應(yīng)。這對(duì)我們本礦區(qū)內(nèi)的開采生產(chǎn)、施工帶來了一系列需要攻克及處理的問題挑戰(zhàn)。針對(duì)以上問題并結(jié)合我們礦內(nèi)部所能提供的設(shè)施條件、人工物力等，經(jīng)過研究分析和實(shí)踐，采用極限平衡法與有限元對(duì)朝凱露天煤礦首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，得出了排土場(chǎng)基底基本穩(wěn)定，采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧型直線型滑面，數(shù)值的模擬和驗(yàn)算結(jié)果均表明首采區(qū)采掘場(chǎng)及排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的，但采場(chǎng)東幫邊坡驗(yàn)算剖面、采場(chǎng)北幫邊坡驗(yàn)算的剖面（和采場(chǎng)南幫邊坡驗(yàn)算剖面邊坡處于極限平衡狀態(tài)，后期煤礦生產(chǎn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)和做出防護(hù)措施。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，固定排棄總高度為180 m進(jìn)行分析計(jì)算，獲得不同邊坡角（8°～18°）對(duì)排棄邊坡的Fs值的影響結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同邊坡角度對(duì)Fs值的影響

由圖可知，邊坡角度越大，排土邊坡Fs越小，在邊坡角度為15°時(shí)，滿足排土邊坡Fs值，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況和相關(guān)地質(zhì)條件可得總體邊坡角極限值為15°。

6.3 最終平盤寬度

綜上所述，確定了該礦區(qū)的最佳排土場(chǎng)單臺(tái)階高度、臺(tái)階坡面角、總體邊坡的極限角度，分別為20 m、22°、15°。通過以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出最終平盤寬度值，確定該露天礦排土場(chǎng)最終平盤寬度最小約為48 m。

6.4 外排土場(chǎng)排土參數(shù)確定

邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)也是其穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，邊坡形狀與幾何尺寸大小即邊坡施工斷面的形狀、邊坡的高度、坡角度等均會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性作用起到巨大的影響。邊坡坡角度越大越易失穩(wěn)，邊坡坡角度小則越穩(wěn)定；邊坡高度越大越容易失去穩(wěn)定，邊坡高度越小邊坡越穩(wěn)定。通過計(jì)算分析，結(jié)合排土場(chǎng)的水文地質(zhì)情況、氣候條件、排棄物物理力學(xué)性質(zhì)以及采礦條件和排土場(chǎng)運(yùn)輸及排棄方式等諸多因素，參考集團(tuán)公司為該礦區(qū)進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)和排土規(guī)劃等文件，確定了最終的該礦區(qū)外排土場(chǎng)技術(shù)參數(shù)，見表3。

表3 外排土場(chǎng)技術(shù)參數(shù)

7 結(jié)論

滑坡是影響露天礦邊坡安全生產(chǎn)的重要因素，解決邊坡穩(wěn)定問題迫在眉睫，因此，露天礦邊坡穩(wěn)定性研究與治理是煤礦技術(shù)工作中不可缺少的組成部分。通過上述分析可以得出：通過GEO-slop軟件和Morgenstern-Price方法，評(píng)價(jià)了該礦區(qū)現(xiàn)有的邊坡參數(shù)。該露天礦區(qū)保持原有排土場(chǎng)單臺(tái)階高度20 m，臺(tái)階坡面角度保持22°，總邊坡角度需要略微調(diào)整，具體數(shù)值為15°，平盤寬度最小為48 m。對(duì)邊坡治理提出了以下建議：

1）提前開展水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)工作，了解制約該礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的各種因素，并且需要每年更新，每年針對(duì)邊坡問題提出合理的整治方案，做好施工過程中的各治理工作。

2）滑坡的主要原因是水，包括地表水和地下水。對(duì)于地表水，要聯(lián)系礦區(qū)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，在雨季前進(jìn)行全方位的養(yǎng)護(hù)；對(duì)于地下水，當(dāng)它有可能破壞穩(wěn)定時(shí)，需要進(jìn)行排水工作，并在內(nèi)外排土和采場(chǎng)建立較為完善的防水排水系統(tǒng)。

3）降低排土場(chǎng)工程推進(jìn)速度，保證其有足夠的時(shí)間固結(jié)，從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。具體方法可以采用交替傾倒或多點(diǎn)傾倒來緩解這一矛盾。

4）排土場(chǎng)高度逐漸增加，安全性相應(yīng)降低。高堆砌邊坡更容易發(fā)生山體滑坡等邊坡事故。建議改進(jìn)坡度檢測(cè)系統(tǒng)。目前使用的邊坡檢測(cè)系統(tǒng)是GPS邊坡變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖然利用率高，經(jīng)濟(jì)性好，但檢測(cè)范圍太窄，利用率比較低，監(jiān)測(cè)點(diǎn)少。建議完善現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，使工程技術(shù)人員及時(shí)掌握邊坡變形情況，對(duì)可能出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警和及時(shí)處理，并在最大程度上保障員工生命安全。