某露天煤礦邊坡穩定性分析及治理措施

高煥然 呂淑然 王婉青 張博倩

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院)

在露天煤礦的日常生產當中，邊坡高度隨著采掘深度的增加不斷上升，邊坡穩定性也隨之變差，可能導致滑坡、坍塌等事故的發生，露天煤礦的安全生產受到嚴重威脅。近年來，礦山邊坡發生的滑坡、坍塌等事故造成了嚴重經濟財產損失和人員傷害。因此，對露天煤礦邊坡穩定性進行分析顯得尤為重要。針對礦山的邊坡穩定性問題，已有很多學者進行研究。張江偉、李小軍[1]分析總結了地震作用下邊坡穩定性分析的研究現狀和特征，從特點和適用性2個角度對不同理論和方法進行了分析，并對該領域研究存在的問題進行討論，對發展趨勢進行展望；姜海濤[2]通過理論分析和FLAC3D模擬軟件研究了排土場邊坡變形與破壞的相關特征和規律，得出排土場邊坡內部應力及位移分布特征和排土場邊坡變形及破壞規律；何怡等[3]利用離散元軟件3DEC對工作臺階邊坡在自然狀況及爆破下的穩定性進行了定性和定量研究；王婉青等[4]利用slide軟件對某礦山的西幫邊坡進行了穩定性分析計算，并針對邊坡穩定性影響因素提出了一些治理措施；向章波等[5]通過slide軟件模擬了川南某紅層路塹邊坡，對不同工況下的邊坡穩定性進行了分析；楊清峰、陳玉明[6]通過slide軟件對某尾礦庫進行穩定性分析，并根據分析結果提出相應整改方案。在學習總結前人研究的基礎上，本文通過slide模擬軟件構建某露天煤礦北幫邊坡的3個典型剖面模型，對其穩定性進行分析，并根據分析結果和礦山實際情況提出相應的治理意見。

1 礦山邊坡概況

某礦區位于云貴高原，南北長約7 km，東西寬2～3 km，面積約17 km2，其中含煤面積為9.03 km2。北幫邊坡位于溶蝕構造中低山區，坡高約210 m，整體坡度為15°～25°。地表溶蝕溝槽較發育，區內發育3條沖溝，溝內無常流水，屬季節性沖溝。

該礦區為新第三紀地層構成的山間向斜盆地。四周高山由二迭系和三迭系灰巖、砂巖、頁巖及始新世小花山礫巖所組成，巖溶發育。露天壩北幫新第三系地層共分為4個巖性段。泥灰巖段巖性為淺灰、灰色厚層；主煤層段是一套巨厚褐煤層，煤層中有百余層黏土巖，粉砂質黏土巖、炭質黏土巖夾矸，另有2～3層含炭生物碎屑灰巖夾矸；薄煤層段上部由層數較多的薄層褐煤與含薄層炭質黏土巖及黏土巖組成，下部多為黏土巖、炭質黏土巖、薄層炭質頁巖及較少薄層褐煤。

本區屬于亞熱帶氣候，氣溫較高，雨量充沛。暫時氣溫的極限值為-2.4～39℃。夏季酷熱，局部地區氣溫可高出40 ℃。據降雨量統計資料，最小年降雨量為542 mm，最大年降雨量為1 140 mm，雨季匯集地表水流大部分沿截洪溝排泄入江。

井田內褶皺有2處向斜，東部有近南北走向的F2斷層和東北走向的F3斷層，西部有走向北西的F4斷層，西北有走向南北的F7斷層和走向北東的F8斷層。從總的情況來看井田內地質構造不復雜，地震烈度為7度。

根據礦山相關資料顯示，北幫邊坡地質災害為特大型地質災害，危害性大，是該礦山生產過程中的薄弱環節。近年來,由于開采強度加大和雨季的強降雨等原因，北幫邊坡開始發生變形，曾發生過局部滑坡事故，盡管經過治理，情況有所見好，但該礦北幫邊坡仍存在一定的安全隱患,需要對其進行穩定性分析。

2 邊坡穩定性分析

根據該露天煤礦北幫邊坡a-a′、b-b′和c-c′地質剖面圖和相關尺寸數據，在slide軟件中建立3個典型剖面的模型，見圖1。

圖1 典型剖面slide模型

根據該礦提供的勘探資料，列出各巖層巖石力學參數指標見表1。

表1 各巖層巖石力學參數

在已經建好的3個典型模型上賦予巖層物理力學參數值，地震烈度為7度，使用瑞典法(Ordinary/Fellenius)、簡化的Bishop法、簡化的Janbu法對a-a′、b-b′和c-c′3個剖面進行穩定性分析計算。a-a′剖面穩定性分析計算結果見圖2。各剖面邊坡穩定性系數匯總見表2。

通常把邊坡的穩定性等級分為四類[7]，見表3。

由圖2、表2、表3可知，為了安全起見，選取3種計算方法所得結果的最小值作為北幫邊坡某一剖面的安全系數，a-a′ 剖面為1.04，處于欠穩定狀態;b-b′剖面為1.16，c-c′剖面為1.20，均處于基本穩定狀態。該礦北幫邊坡a-a′剖面的安全系數很接近安全系數臨界值1，北幫邊坡為非工作幫，為永久性邊坡，服務年限大于20 a。《煤炭工業露天礦設計規范》[8]中要求非工作幫服務年限大于20 a的，安全穩定性系數要求大于1.3。從得到的結果來看，邊坡已經處于臨界狀態，存在較大風險，如果遇到雨季或者其他破壞條件，邊坡容易發生滑坡等地質災害，所以要對北幫邊坡采取一定的治理措施以防止地質災害的發生。

3 治理措施

(1)完善疏干排水系統。疏干排水可以降低該礦山北幫邊坡巖體受到的雨水侵蝕，阻礙雨水侵入北幫邊坡軟弱結構面中，進而提高巖體的強度，減少巖體受地下水壓力的影響。

(2)減載及加固。通過挖去邊坡上部的巖體并回填至邊坡腳部來減小位移滑力。采用護坡措施或者局部加固措施，防止滑坡。由于北幫邊坡的總體坡度已經很緩，局部失穩時可以采用錨固點為堅硬巖石的錨桿加固，還可以將滑體分為上下兩部分，采用分級支撐，樁墻聯合加固。此外，在礦山開采過程中應定期或不定期地清掃邊坡，同時加強治理，定期維護，避免出現局部滾石或者局部滑坡。

圖2 不同方法的a-a′剖面穩定性計算結果

剖面瑞典法簡化的Bishop簡化的Janbu法a?a′1．041．131．04b?b′1．171．271．16c?c′1．231．351．20

表3 穩定性等級劃分[7]

(3)處理拉伸裂縫與破碎帶。邊坡在發生破壞前，往往會在其頂部出現拉伸裂縫，這些拉伸裂縫也通常是坡體破壞面的開始。因此，采用強力錨桿加固的方法預防拉伸裂縫的出現，此外還可以通過預注漿對斷層、軟弱夾層和破碎帶進行加固。

(4)注意露天礦山邊坡的復雜性、時效性和動態性等特性，堅持動態治理的原則。該露天煤礦具有邊坡位移監測系統，當發現異常情況時，在異常點附近建立3條邊坡傾向方向的監測線以確定滑坡范圍，必要時設置地下位移監測孔，確定滑動面位置，為治理滑坡提供依據。此外，應健全巡查制度，對邊坡進行定期巡視，特別是雨季和出現破面裂縫時，應及時采取措施，防止事故發生。

4 結 語

(1)通過對某露天煤礦北幫邊坡的3個典型剖面進行建模計算，得出北幫邊坡的安全系數為1.04，說明北幫邊坡處于欠穩定狀態，存在較大風險，如果遇到雨季或者其他破壞條件，邊坡容易發生滑坡等事故。

(2)根據該露天煤礦北幫邊坡的欠穩定狀態和礦山實際情況，建議采取完善疏干排水系統、挖去邊坡上部的巖體并回填至邊坡腳部、采用強力錨桿加固的方法預防拉伸裂縫等治理措施，以保證邊坡安全穩定。

(3)邊坡的治理工作中應堅持動態治理、長期治理的原則，加強邊坡地表和地下位移監測，建立蠕動邊坡加速變形的中長期預測和臨滑預報，更好地掌握邊坡變形破壞規律，采取有力措施控制邊坡的變形破壞過程，及時預防邊坡災害。

[1] 張江偉,李小軍.地震作用下邊坡穩定性分析方法[J].地震學報，2015，37(1)：180-191,205.

[2] 姜海濤.基于FLAC3D復合排土場邊坡動態破壞過程研究[J].露天采礦技術,2017,32(5):16-18.

[3] 何 怡,郭麗芳.爆破影響下露天礦邊坡的穩定性分析[J].礦業安全與環保,2017(6):1-4.

[4] 王婉青,陳 印,楊 溢.某露天煤礦采場邊坡穩定性分析[J].煤礦機械，2016，37(12):63-65.

[5] 向章波,張家銘,周曉宇,等.基于Slide的某紅層路塹邊坡穩定性分析[J].水文地質工程地質,2015,42(4):90-95.

[6] 楊清峰,陳玉明.基于Slide的尾礦庫壩體穩定性分析[J].煤礦機械,2017,38(6):164-167.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2013.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2015.