伊犁盆地南緣阿爾瑪勒露天礦工程地質(zhì)特征及邊坡穩(wěn)定性分析

曹小紅，許 濤，常治國，尚善宇

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000）

邊坡穩(wěn)定性是露天煤礦安全開采工作的重中之重[1]，露天礦邊坡的穩(wěn)定性受邊坡內(nèi)部、外部各種復(fù)雜、不確定因素的影響[2]，由于影響因素的不同，導(dǎo)致邊坡變形、位移、滑動(dòng)、破壞的形式也不同，因此，露天開采中邊坡穩(wěn)定和邊坡防治是值得深入研究的課題?；诖?，本次研究以伊犁盆地南緣阿爾瑪勒露天礦為研究對(duì)象，新疆伊南煤田資源量巨大，煤層穩(wěn)定，靠近盆地邊緣埋藏淺、易開采、煤質(zhì)優(yōu)良[3]，阿爾瑪勒露天礦為該煤田的露天開采礦之一，位于察布查爾錫伯自治縣東南137°方向60km處，礦區(qū)南北長約4.84km，東西寬約3.73km，面積9.70km2。為進(jìn)一步開采礦產(chǎn)資源提供合理開采設(shè)計(jì)提供參數(shù)，本次研究對(duì)阿爾瑪勒露天礦邊坡的工程地質(zhì)特征進(jìn)行總結(jié)，并開展邊坡巖石力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出開全開采的邊坡角度。

1 工程地質(zhì)巖組特征

研究區(qū)內(nèi)巖層由上至下劃分為第四系松散巖組（A）、侏羅系中統(tǒng)西山窯組粗粒相含煤巖組（B）、侏羅系下統(tǒng)三工河組細(xì)粒相含煤巖組（C）、侏羅系下統(tǒng)八道灣組粗粒相含煤巖組（D），對(duì)以上各巖組特征分析如下[4]。

1.1 第四系松散巖組（A）

該巖組位于B 巖組之上，厚度為0～71m 左右，平均厚度約30m。上部為0.5～5m 厚的風(fēng)成黃土，中、下部由砂礫石組成，局部夾有透鏡狀粘土層和砂土層，礫石成分以火成巖和變質(zhì)巖為主，粒徑一般在5～20cm之間，最大可達(dá)50cm，次圓狀—次棱角狀，分選性差。巖體結(jié)構(gòu)疏松，未膠結(jié)，呈松散狀，穩(wěn)定性差。

1.2 侏羅系西山窯組粗粒相含煤巖組（B）

該巖組位于侏羅系中統(tǒng)西山窯組由中砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖、粉砂巖及薄層煤組成。巖性總體上以粗粒相占優(yōu)勢(shì)，該巖組以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部為泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度極差，巖石完整性屬極劣—中等。屬軟弱巖層，其穩(wěn)定性差。

1.3 侏羅系下統(tǒng)三工河組細(xì)粒相含煤巖組（C）

巖性厚度一般在64.28～93.35m 之間，平均厚度79.82m。巖性總體上以細(xì)粒相占優(yōu)勢(shì)，該巖組以泥質(zhì)膠結(jié)為主，其穩(wěn)固性較差。

1.4 侏羅系下統(tǒng)八道灣組粗粒相含煤巖組（D）

該巖組由粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖及礫巖組成，分布面積大，厚度一般在117.23～255.25m之間，平均厚度190.08m，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，次為泥質(zhì)鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體穩(wěn)固性差。

2 邊坡巖石力學(xué)特征及評(píng)價(jià)

此次邊坡評(píng)價(jià)共取邊坡工程巖樣81 組，以泥巖和細(xì)砂巖為主，巖石力學(xué)測試結(jié)果見表1、表2。

表1 邊坡巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果表

表2 邊坡巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果表

泥巖在飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度1.47～13.20MPa，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度4.65～27.79MPa，軟化系數(shù)0.18～0.62，抗拉強(qiáng)度0.26～1.29MPa。

細(xì)砂巖在飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度0.91～12.71MPa，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度3.40～30.37MPa，軟化系數(shù)0.24～0.53，抗拉強(qiáng)度0.18～1.52MPa。

中砂巖在飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度2.27～3.63MPa，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度6.57～14.50MPa，軟化系數(shù)0.22～0.36，抗拉強(qiáng)度0.36～0.74MPa。

粗砂巖在飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度1.75～4.41MPa，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度5.26～12.24MPa，軟化系數(shù)0.22～0.47，抗拉強(qiáng)度0.23～0.62MPa。

巖石質(zhì)量指標(biāo)（M）和巖體質(zhì)量系數(shù)（Z）的計(jì)算公式如下：

巖石質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算公式：

式中：M——巖體質(zhì)量指標(biāo)；

Rc——巖石飽和軸軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

RQD——采用鉆孔工程地質(zhì)編錄RQD平均值巖石質(zhì)量系數(shù)，計(jì)算公式：

式中：Z——巖體質(zhì)量系數(shù)；

I——巖體完整系數(shù)（無資料可用RQD值代替）；

f——結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)；

S——巖塊堅(jiān)硬系數(shù)，Rc/10；

Rc——飽和軸軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

按巖石單軸抗壓強(qiáng)度，堅(jiān)硬的大于等于60MPa、半堅(jiān)硬的60～30MPa、軟弱的小于30MPa 可知，露天邊坡中泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖單軸抗壓強(qiáng)度均小于30MPa，巖石堅(jiān)硬程度屬于軟弱巖，且軟化系數(shù)均小于0.75，屬于軟弱軟化巖石。邊坡巖體質(zhì)量按指標(biāo)法（M）評(píng)定為中等—差，而按質(zhì)量系數(shù)法（Z）評(píng)定為極壞—壞。綜合判定邊坡巖體質(zhì)量較差，較為破碎。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

露天礦邊坡形成過程中，其內(nèi)部原始應(yīng)力狀態(tài)隨之發(fā)生變化，引起應(yīng)力重分布，邊坡為適應(yīng)這種重新分布的應(yīng)力狀態(tài)而達(dá)到新的平衡，將發(fā)生不同形式的變形破壞，如崩落、滑動(dòng)、沉降、流動(dòng)等，這是邊坡演變的內(nèi)因。而使邊坡外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及所處的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生不斷變化的各種自然或人為因素則是推動(dòng)邊坡發(fā)展變化的外因。

3.1 影響邊坡穩(wěn)定的不利因素

（1）圓弧形滑坡：易發(fā)生基巖風(fēng)化帶中；

（2）構(gòu)造裂隙及風(fēng)化卸荷裂隙：使邊坡巖土體破碎，改變邊坡的巖土體結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，即降低坡體的抗平衡能力從而影響邊坡穩(wěn)定；

（3）水（地表水、大氣降水）沖蝕坡腳，增大下滑力（靜水動(dòng)水壓力增大、浮托力增大，邊坡體重力增大引起），減少抗滑力（減少巖土體物理力學(xué)性）；

（4）開挖邊坡腳，坡體上部加載（靜載——建筑物、棄渣、動(dòng)載——車輛震動(dòng)等），邊坡下采礦等人類活動(dòng)等，改變邊坡的應(yīng)力狀態(tài)和臨空狀況，從而改變坡體形態(tài)；

（5）在露天采礦中，邊坡放線不合理造成系列新的拉張縫或使原裂隙因卸荷等原因張開度加大，延續(xù)性加強(qiáng)；

（6）人工爆破震動(dòng)，造成原有穩(wěn)定邊坡拉裂，穩(wěn)定性累積降低或直接觸發(fā)已處于危險(xiǎn)的邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

3.2 安全開采參數(shù)確定

（1）松散層邊坡角。露天礦地表均有第四系松散地層，厚度多介于0～58.40m 之間，呈西北薄、中東部厚，由砂礫巖、粉砂土組成，不含水，邊坡類型為一類一型。取樣做顆粒篩分，分析成果見表3。

表3 顆粒篩分成果表

求得近似顆粒組成指標(biāo)：

界限粒徑d60=20mm；平均粒徑d50=16mm；中間粒徑d30=6.5mm；有效粒徑d10=0.5mm。

不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=40，曲率系數(shù)Cc=d302/d10·d60=4.22通過計(jì)算該礫類土為非勻粒，級(jí)配良好，級(jí)配曲線不連續(xù)。

現(xiàn)場礫石的安息角測試成果如表4所示。

表4 安息角測試成果表

由上述成果分析，建議第四系砂礫土松散層的邊坡角為35°。

（2）巖質(zhì)邊坡角。根據(jù)該煤礦露天礦采坑的調(diào)查，巖質(zhì)作業(yè)臺(tái)面70°，臺(tái)階高20m，臺(tái)階寬50m。類比該采坑，建議該露天礦首采區(qū)永久幫最終邊坡角為23°。

3.3 邊坡變形破壞防治

邊坡變形破壞的防治原則以防為主，及時(shí)處理。在開采過程中，可采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，錨索加固可顯著提高邊坡穩(wěn)定性；在巖體表面噴射混凝土，可抗風(fēng)化，提高巖體表層特別是不連續(xù)面強(qiáng)度，該方法可與預(yù)應(yīng)力錨栓一并使用；采取截、導(dǎo)、疏、排等綜合治理措施，在地面修筑水溝，把地面水盡最大可能攔截在上部，不讓地面水流入采場，做到淺水淺排；夯實(shí)或堵塞地表裂縫，修筑排水溝；合理安排采區(qū)、采用減震爆破等；剝離物的堆放要選擇正確地點(diǎn)及堆放方式。

4 地質(zhì)災(zāi)害防治建議

（1）煤層頂板易產(chǎn)生重力坍塌?？辈靺^(qū)內(nèi)各煤層頂板巖石主要結(jié)構(gòu)體形式為層狀，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，層間結(jié)合力較弱，巖層有一定傾角，易產(chǎn)生塊體塌落、滑落的剪切滑移和重力坍塌等工程地質(zhì)問題。必須加強(qiáng)巷道的支護(hù)，防止發(fā)生頂板坍塌事故。

（2）煤層底板軟化變形。根據(jù)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，煤層底板巖石多數(shù)為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹、軟化變形，井巷位于其上，易產(chǎn)生底鼓及側(cè)幫突出的塑性變形。對(duì)井下煤炭生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)葧?huì)造成一定的影響。

（3）地面塌陷?？辈靺^(qū)內(nèi)煤層較多，多煤層開采時(shí)，冒落帶深度互相疊加，冒落高度可達(dá)地表，引發(fā)地面塌陷。開采時(shí)，應(yīng)選擇合適的頂板管理方式，盡量減少對(duì)地表的破壞程度，對(duì)已產(chǎn)生的塌陷坑及時(shí)清理、填充，避免其成為地表水的充水通道。

（4）斷層破碎帶對(duì)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定程度的影響?？辈靺^(qū)內(nèi)部構(gòu)造簡單，勘察區(qū)處于阿爾瑪勒隆起的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，不受斷層及巖漿巖的影響，目的層展布穩(wěn)定，為北東向緩傾斜的單斜構(gòu)造，因此，勘察區(qū)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性不受斷層影響。

（5）邊坡變形破壞的防治。邊坡變形破壞的防治原則以防為主，及時(shí)處理。結(jié)合本露天煤礦具體條件分析，易發(fā)生圓弧滑坡，建議采用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，錨索加固可顯著提高邊坡穩(wěn)定性；在巖體表面噴射混凝土，可抗風(fēng)化，提高巖體表層特別是不連續(xù)面強(qiáng)度，該方法可與預(yù)應(yīng)力錨栓一并使用。

采取截、導(dǎo)、疏、排等綜合治理措施，在地面修筑沿幫固定水溝，把地表水盡最大可能攔截在上部，不讓地面水流入采場，做到淺水淺排。夯實(shí)或堵塞地表裂縫，修筑地下排水坑道?？刂坪侠淼墓ぷ鲙推陆?、合理調(diào)整采區(qū)、設(shè)置合理厚度的安全煤壁、減震煤破及統(tǒng)籌安排采區(qū)等。采礦棄渣的堆放要選擇合適地點(diǎn)及堆放方式。對(duì)開拓及開采過程中由于卸荷形成的地表裂縫應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回填、開裂段防洪溝進(jìn)行防滲處理，以盡量減少地表水的入滲。采礦棄渣的堆放要選擇正確地點(diǎn)及堆放方式，避免由于人為的加載改變邊坡應(yīng)力狀態(tài)和臨空狀態(tài)，從而改變坡體形態(tài)。

5 結(jié)論

（1）阿爾瑪勒露天礦邊坡巖體質(zhì)量按指標(biāo)法評(píng)定為中等—差，按質(zhì)量系數(shù)法（Z）評(píng)定為極壞—壞，綜合判定邊坡巖體質(zhì)量較差，較為破碎。

（2）阿爾瑪勒露天礦邊開采時(shí)建議第四系砂礫土松散層的邊坡角為35°，從而有效減少開采過程中的滑坡等災(zāi)害隱患。