多年凍土區木里露天煤礦邊坡穩定性分析★

張宏剛 張衛東

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

木里煤田地處青海省西北部，祁連山南麓，屬于青藏高原多年凍土區一部分，海拔4 000 m～4 200 m之間，年平均氣溫-5.1℃，是青海省最大的煤炭資源分區之一。高原高寒以及強風化等形成了該區域特殊的地質環境條件，給木里煤炭資源開發帶來了極大的困難，尤其對露天礦邊坡安全運營有很大影響。為保證露天安全、高效開采，分析研究木里地區露天礦邊坡穩定性對生產而言具有重要意義。

1 工程概況

木里聚乎更四井田首采區于2011年正式開始采剝，根據露天開采設計，首采區服務年限為12.12年，以下2煤底板為開采深部境界，露天礦非工作幫邊坡設計高度為280 m，綜合坡角為31°。針對如此露天礦高邊坡，僅通過常規分析給出設計，還無法滿足安全生產的需要，因此有必要對該露天礦邊坡穩定性做進一步分析研究。

1.1 工程地質條件

四井田位于聚乎更礦區南向斜的西段，東側以F3斷層為界與一井田相接，西側以F7斷層與哆嗦公馬井田為界。井田總體構造形態為一傾向南西的單斜構造，淺部較陡25°～40°向深部逐漸變緩5°～20°。首采區揭露的地層由上至下為:

1)第四系(Q)。

a.第四系土、草甸覆蓋層該層處于地面表層，厚度在0 m～5.22 m左右，全區分布，0 m～0.5 m被草甸覆蓋且其受季節性影響較大，冬季會夾雜大量的冰澤，0.5 m～5.22 m為黑褐色腐殖粘土，稍濕、軟塑，含少量粗砂顆粒，夾有大量草根;

b.第四系砂礫石層顏色為灰白～白灰色，該層厚度在1.5 m～30 m左右。

2)侏羅系(J2)。

a.含煤段。本區煤巖主要分布中侏羅統木里組(J2m)，木里組有上下兩含煤段。上含煤段存在14層煤，最大深度41.08 m，大部分為不可采煤層，僅上14煤局部可采，煤層厚度0.8 m左右。下含煤段分布3層煤，最大深度156.19 m，分別是下1、下中、下2煤層，均為主可采煤層且較穩定。下1煤厚1.06 m～8.17 m、下2煤厚2.63 m～14.77 m，相對較厚，下中煤厚1.60 m～3.56 m，相對較薄;

b.砂巖段。巖層為灰白～白灰色砂巖，分布于煤層頂底板，厚度較大，且全區分布。下1煤頂底板分別是泥質粉砂巖和粉砂質泥巖，下中煤頂底板分別是細砂巖和粉砂巖，下2煤頂底板分別為粉砂質泥巖和粗砂巖，巨厚層狀，節理、裂隙較發育，泥質膠結，新鮮巖石完整性一般，局部較破碎。

1.2 凍土分布特征

采用蘭州凍土工程國家重點實驗室研發的地溫監測系統，對120 m深孔實施長期動態監測。經近2年多長期觀測，該地區季節性凍土層厚度約5 m～6 m，多年凍土層厚約58 m～60 m。

2 巖土體物理力學性質

2.1 常規物理力學性質

根據現場鉆探取出的巖樣，對其進行室內物理力學性質試驗，試驗結果見表1。

表1 巖石基本物理力學性質表

2.2 凍土物理力學性質

室內凍巖力學試驗結果如表2所示。

表2 凍巖室內試驗成果表

2.3 邊坡計算所選參數

根據巖體力學計算相關理論和以往研究成果［1-4］，結合本次凍巖室內試驗，邊坡計算物理力學參數選用見表3。

表3 邊坡穩定計算參數選用表

3 建立邊坡工程地質計算模型

根據工程地質、水文地質條件以及現場地質調繪成果，分別以下1、下中、下2煤為最弱標志地層建立非工作幫邊坡工程地質計算模型。建立的模型如圖1，圖2所示。

圖1 非工作幫穩定性計算模型（FB1剖面）

圖2 非工作幫穩定性計算模型（FB2剖面）

4 計算分析

在非工作幫邊坡體選取2條典型計算斷面(FB1，FB2剖面)，邊坡角分別按 26°，28°，30°，32°，33°，34°，35°，36°，8 種工況并按采至下1煤底板、下中煤底板和下2煤底板時分析。本次邊坡穩定性分析采用理正巖質邊坡模塊計算，計算結果如表4，表5所示。

表4 非工作幫FB1斷面邊坡穩定系數計算成果表

表5 非工作幫FB2斷面邊坡穩定系數計算成果表

非工作幫第1斷面開挖至下2煤底板158.70 m時的飽和工況下，穩定系數取1.215，坡角取34°;非工作幫第2斷面開挖至下2煤底板197.27 m時的飽和工況下，穩定系數取1.255，坡角取34°。

綜合計算結果以及該勘查區的工程地質、環境地質等特點，對于非工作幫的綜合邊坡角取34°，對應穩定系數為1.215～1.255，滿足GB 50197-2005煤炭工業露天礦設計規范6.0.8條的要求。

分析研究認為原露天礦邊坡設計坡角31°偏保守，本文提出的34°可以滿足露天安全生產，能給礦方帶來一定經濟效益。

5 結語

通過對木里四井田工程地質以及凍土特征初步分析，結合室內巖土力學試驗，選取2條典型計算斷面分別從8種工況條件對首采區露天礦非工作幫邊坡穩定性做了分析，結果表明:認為露天礦原邊坡設計坡角31°偏保守，本文提出的34°可以滿足露天安全生產，且有利于提高煤炭資源開采量，可以帶來可觀的經濟效益。

［1］蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京:科學出版社，2010.

［2］孫玉科.中國露天礦邊坡穩定性分析［M］.北京:中國科學技術出版社，2012.

［3］GB 50218-1994，工程巖體分級標準［S］.

［4］蘭恒星，伍法權.巖土力學數值模擬中力學參數的確定方法［J］.世界地質，2001，20(1):66-71.