老君廟露天煤礦邊坡穩定性分析

常貴平

(遷安市凱達礦山工程有限公司)

露天礦邊坡的穩定是保證礦山安全生產的重要前提[1]。露天礦山一旦發生滑坡等地質災害，不僅造成巨大的經濟損失，還會造成大量的人員傷亡，因此，對露天礦山邊坡穩定性分析與評價，并根據分析評價結果提出切實可行的邊坡治理措施，對保證礦山安全和降低開采成本尤為重要[2]。

工程實踐表明，地下水、最終邊坡角、巖層產狀、巖體風化程度等對邊坡的穩定性影響具有決定性作用。呂粲等[3]對哈爾烏素露天煤礦南端幫的邊坡角進行了優化，大幅度提高了礦山的經濟效益；杜時貴等[4]對大型露天礦邊坡巖體穩定性分級方法進行了研究，研究結果對巖質邊坡穩定性精確計算具有重要的參考價值；李俊平等[5]采用FLAC3D數值計算軟件對某山坡露天礦邊坡的穩定性進行了分析，證明該方法可用于最終邊坡角的確定；百潤才等[6]對白音華1#露天礦北幫邊坡穩定性進行了分析，為礦山經濟效益最大化提供了依據；范剛等[7]對含軟弱夾層順層巖質邊坡傳遞函數及其應用進行了系統研究，研究成果具有重要的理論意義和實際的工程應用價值；沈華章等[8]對應變軟化邊坡漸進破壞及其穩定性進行了初步研究；曹蘭柱等[9]以勝利西二露天礦邊坡為研究對象，對煤礦端幫逆傾軟巖邊坡穩定性進行了研究，并確定了最優邊坡角；馬文成等[10]為研究雨水侵蝕對邊坡穩定的影響，采用數值模擬的方式分析降雨強度對邊坡穩定性的影響程度；祁小輝等[11]考慮了地層變異對邊坡穩定性的影響，并對此開展了系統的研究工作；張立博[12]等以三山島金礦露天邊坡為研究對象，開展了強降雨對高陡巖質邊坡穩定性影響的研究。

本文以新疆奇臺縣老君廟露天煤礦邊坡為研究對象，在礦區工程地質、水文地質資料調查研究的基礎上，結合該礦的開采條件，選取有代表性的剖面在對邊坡詳細勘察及獲取邊坡巖體力學參數的基礎上，對邊坡在自然及疏干排水作用下的穩定性進行分析，根據分析結果，確定最優邊坡角。

1 工程概況

老君廟露天煤礦位于準格爾盆地東緣，離奇臺縣城北東約100 km，東西寬約2.6 km，南北長約7.5 km，面積約19.6 km2。老君廟礦區煤田地層主要有第四系松散巖類，新進系、侏羅系碎屑巖類。煤田大面積被第四系覆蓋，中部有新近系地層出露，北部煤層被火燒而形成大面積燒變巖。

第四系松散層為戈壁平原堆積，屬典型的散體結構。在外力及放炮震動作用下容易產生滑坡。煤田中部呈條帶狀出露的新近系屬近散體結構，風化裂隙較發育，一般巖石結構未發生改變。經風化后巖石力學性質有所降低，略低于新鮮巖石。未風化的侏羅系下統三工河組地層為無煤巖組，為碎裂結構，易形成小型巖層滑動，易軟化泥化。巖石的機械強度低于同類巖石的正常范圍，屬不穩固型。含煤巖組為未風化的西山窯組賦煤地層，基本為軟質巖石，易軟化，坍塌、滑移、壓縮變形均可產生。巖體的變形破壞受軟弱結構面的規模、數量、特性及其組合特征所決定。煤田的北部煤層火燒裂隙發育，成為儲水場所或導水通道，燒變巖受到震動后可發生崩塌，應引起重視。侏羅系西山窯組地層賦煤10層，結構松散，易風化，遇水軟化并發生膨脹，降低了強度和穩定性，增加了滑坡的可能。礦區三維地質模型和邊坡高度分區分別見圖1、圖2。

圖1 礦區三維地質模型

圖2 礦區邊坡高度分區

2 計算剖面選取

根據礦區開采環境、開采順序以及各剖面的地質圖，選取典型剖面1、2、1′作為研究對象，分析各剖面邊坡穩定性情況。根據礦區地質勘察資料可得邊坡所含巖層、煤層及火燒區分布，露天礦區主要含泥巖、各類砂巖、第四系含礫黏土及火燒巖各剖面匯總結果見表1。

表1 計算剖面情況匯總

3 巖體力學參數確定

邊坡穩定性分析中涉及的巖土包括第四系礫黏土、砂巖、泥巖和煤，巖體物理力學參數主要有密度、黏聚力、內摩擦角及黏土弱層的長期抗剪強度指標，根據室內巖體力學實驗和工程類比，本次計算采用的物理力學參數見表2。

表2 巖體物理力學參數

4 邊坡穩定性分析

4.1 剖面1

剖面1位于礦區西幫，邊坡高度為103 m，含有3層煤層，屬于工作幫，初步確定邊坡角為36°。在自然狀態下，分析邊坡的穩定性，計算結果及滑坡模式見圖3。

圖3 自然狀態下剖面1邊坡角36°時的計算結果

由圖3可知，潛在的滑面為在下面的臺階上形成圓弧-順層滑弧。因該剖面處巖層和煤層數量較多，計算得到的安全系數為1.042，邊坡處于極限平衡狀態，如不采取相應的安全措施，邊坡在開采擾動或強降雨條件下，可能會發生滑坡等地質災害。根據工程實際情況，為提高邊坡的安全系數，初步選擇疏干排水措施。在疏干排水狀態下，當邊坡角為36°時，剖面1的計算結果和滑坡模式見圖4。

圖4 疏干排水狀態下剖面1邊坡角36°時的計算結果

由圖4可知，在疏干排水狀態下，剖面1的破壞模式與自然狀態下的類似，但其安全系數達到了1.253，安全系數較自然狀態提高了20.2%。由上述計算可知，通過疏干排水措施，可以確保該處邊坡的整體穩定性。

通過放緩最終邊坡角同樣可以提高邊坡的安全系數，當邊坡的最終邊坡角放緩到34°時，在自然狀態下，計算結果見圖5。

圖5 自然狀態下剖面1邊坡角34°時的計算結果

由圖5可知，潛在的滑面為在下面的臺階上形成圓弧-順層滑弧，計算得到的安全系數為1.18，因該剖面所處的位置為工作幫，該安全系數基本能保證該處邊坡的安全穩定。為進一步增加該處邊坡的穩定性，同樣可采用疏干排水的方式增加邊坡的安全系數。采用疏干排水措施后，該處邊坡的計算結果和滑坡模式見圖6。

圖6 疏干排水狀態下剖面1邊坡角34°時的計算結果

由圖6可知，在疏干排水狀態下，當邊坡角為34°時，安全系數為1.31，疏干排水狀態下的安全系數較自然狀態下的安全系數提高了11%。

4.2 剖面2

剖面2位于礦區南幫，屬于非工作幫，該處邊坡高度為154 m，煤層為9層，開采過程中該幫有運輸線路。在自然狀態下，初步設計的最終邊坡角為36°，邊坡穩定性計算結果見圖7。

圖7 自然狀態下剖面2邊坡角36°時的計算結果

由圖7可知，在自然狀態下，當邊坡角為36°時，邊坡的安全系數為1.18，邊坡處于極限平衡狀態，為確保邊坡在礦山生產過程中的安全穩定，初步采取的工程措施是在最終邊坡角不變的情況下進行疏干排水。疏干排水后邊坡穩定性計算結果見圖8。

圖8 疏干排水狀態下剖面2邊坡角36°時的計算結果

由圖8可知，在疏干排水狀態下，當邊坡角為36°時，邊坡的安全系數為1.37，基本可以滿足邊坡穩定性的要求。

如不采取疏干排水而采用放緩邊坡角的方式，同樣可以達到提高邊坡安全系數的目的。當邊坡角由36°放緩到34°時，自然狀態下邊坡穩定性計算結果見圖9。

圖9自然狀態下剖面2邊坡角34°時的計算結果

由圖9可知，在自然狀態下，當邊坡角由36°放緩到34°時，邊坡的安全系數為1.31，邊坡處于極限穩定狀態。在此情況下，如采取疏干排水措施，可進一步提高邊坡的安全系數。采用疏干排水工程措施后，邊坡穩定性計算結果見圖10。

圖10 疏干排水狀態下剖面2邊坡角34°時的計算結果

由圖10可知，在疏干排水狀態下，剖面2在邊坡角為34°時的安全系數為1.48，可以確保邊坡的安全穩定。

4.3 剖面1′邊坡穩定性分析

剖面1′位于礦區北幫，有大范圍的火燒區，該處邊坡的高度為124 m，初步確定的邊坡角為36°，自然狀態下邊坡穩定性計算結果見圖11。

圖11 自然狀態下剖面1′邊坡角36°時的計算結果

由圖11可知，邊坡的安全系數為1.62，此時，即便不采取疏干排水等工程措施，邊坡也可保持安全穩定。

5 最大邊坡角的確定

以1.15邊坡穩定性安全系數作為標準，分別對剖面1、2和1′進一步分析，分別考慮自然和疏干排水狀態下，對邊坡角為34°～38°進行計算分析，得到邊坡安全系數與邊坡角的對應關系，見圖12。

圖12 不同剖面安全系數與邊坡角關系曲線

由圖12 (a)可知，在自然狀態下，剖面1邊坡角為34°時的安全系數為1.18，36°時的安全系數為1.042，38°時的安全系數為0.912；在疏干排水狀態下，剖面1邊坡角為34°時的安全系數為1.31，36°時的安全系數為1.253，38°時的安全系數為1.111。以1.15為邊坡安全系數標準，由此確定自然狀態下剖面1的最終邊坡角為34°，疏干排水狀態下最終邊坡角為36°，必須保證疏干排水系統的施工質量。

由圖12 (b)可知，在自然狀態下，剖面2邊坡角為34°時的安全系數為1.31，36°時的安全系數為1.18，38°時的安全系數為1.057；在疏干排水狀態下，邊坡角為34°時的安全系數為1.48，36°時的安全系數為1.37，38°時的安全系數為1.162。綜合上述分析，在疏干排水狀態下，剖面2的邊坡角可提高到38°。

由圖12 (c)可知，在自然狀態下，剖面1′邊坡角為34°時的安全系數為2.038，36°時的安全系數為1.62，38°時的安全系數為1.572；在疏干排水狀態下，坡角為34°時的安全系數為2.17，36°時的安全系數為1.94，38°時的安全系數為1.85。綜合上述分析，剖面1′的邊坡角可以確定為38°。

6 結 論

(1)自然狀態下，剖面1、2、1′邊坡在邊坡角為36°時的安全系數分別為1.042、1.18和1.62；疏干排水狀態下，剖面1、2邊坡的安全系數分別為1.253和1.37。將邊坡放緩到34°時，自然狀態下剖面1、2邊坡的安全系數分別為1.18和1.31；疏干排水狀態下剖面1、2邊坡的安全系數分別為1.31和1.48。

(2)以1.15邊坡穩定性安全系數作為標準，在疏干排水狀態下，剖面1最終邊坡角可確定為36°，剖面2、1′最終邊坡角可確定為38°。

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