同舟煤業露天礦邊坡穩定性分析和控制

苗永旗

0 概述

在煤層埋藏較淺時，直接移運走煤層上部覆蓋物，從而使煤體敞露于地表而進行開采煤炭的方法稱為露天煤礦，露天煤礦開采雖沒有像井工煤礦那樣有水、火、瓦斯、煤塵、頂板五大自然災害和機電、運輸事故等的威脅。但滑坡、交通運輸事故是露天煤礦開采的重大風險危害，特別是管理不到位造成邊（幫）坡角角度增大，或基底不穩定和排水不暢造成排棄物不穩定狀態時，易產生滑坡事故。

1 同舟煤業概況

1.1 地質情況

同舟煤業位于保德縣義門鎮，地處晉西北呂梁隆起北段西翼與鄂爾多斯盆地東緣的交接部，地勢為東高西低，呈單斜構造，巖層傾角3°～8°，礦田內無斷層、無陷落柱、無巖漿巖侵入。地層由上到下為黃土、紅土、砂巖（粗中細）、煤層、頁巖、石灰巖。

黃土：覆蓋厚度約60 m，分布不均，具有溫性空隙大，垂直節理發育，透水性強，壓縮快、抗剪切性差等特點。

紅土：厚0 m～61 m，被黃土層覆蓋，透水性微弱，具海綿結構，有較大壓縮性，可塑性和膨性。含水量大時處于塑態或流態，壓縮性高而抗剪強度低，透水性也小，含水量小時處于硬塑態或固態，壓縮性較低，抗剪強度高，土較堅硬，透水性增高。

砂巖(粗中細)：厚度4 m～20 m，多為煤層的直接頂板，粗中細粒結構、塊狀構造，節理發育，鈣質、硅質膠結。

煤層：14#煤，厚度3.4 m～11.5 m，煤種為弱粘煤。

頁巖：煤層底板為黑色頁巖，厚度10 m～23.6 m。

石灰巖：奧陶系峰峰組石灰巖，厚度大于200 m。

1.2 生產工藝及參數

同舟煤業露天礦采取露天方式進行煤炭開采，開采工藝為單斗—卡車工藝，2.0 m3挖掘機進行巖土剝離、采煤和裝車作業，20噸自卸式卡車進行運輸和排土作業，2.0 m3輪式前裝機進行場地平整。

1.3 工程地質

同舟礦田地層為層狀巖類，中等堅硬（見表1）。礦田內斷層不發育，巖石節理裂隙發育一般，巖體穩定性較好，地表無常年性河流，地層中只有2-3層弱含水層，無承壓水。依據工程地質條件巖石力學性質的測試進行等級劃分，工程地質分類屬中等堅硬結構類型，按《礦區水文地質工程地質勘探規范》（GB12719-91）劃分，工程地質條件為中等。

表1 巖石物理力學性質指標

2 邊坡穩定分析

采用簡化畢肖普法對采剝場和排土場進行穩定性分析。

2.1 采場邊坡穩定性分析

采掘場幫坡由原始地層構成，形成沿層理面的“圓弧—直線（層面）型滑坡”的可能性較小。在由黃土、巖層和煤層構成的幫坡體中，形成“張裂縫—圓弧型滑坡”的可能性較大。

地層內含水量較小，具微承壓性，富水性極弱，在未考慮來自此地層內潛水對滑坡體產生的推壓力和浮托力的理想狀態下建模計算。

數學模型如下：

計算公式：

式中：

必須滿足條件：

式中：F—穩定系數；Ci—瞬時粘結力；r—巖石容重；hi—條塊高度；rw—水容重；hwi—水位高；φi—瞬時內摩擦角；ΔXi—條塊寬度；αi—條塊底面傾角；Q—張裂隙水的水平作用力；σ′—有效正壓力。

根據《煤炭工業露天礦設計規范》要求，采剝場臨時邊坡安全系數Fs≥（1.0～1.2），非工作幫服務年限小于10年邊坡安全系數Fs≥（1.1～1.2）。經分析計算，邊坡角在35°時，最小安全系數，為1.251，計算剖面和結果分析見圖1。

圖1 計算剖面

采剝場深度0 m～126 m。采剝臺階高度10 m，坡面角60°，在采剝最大高度126 m時有4個寬度30 m的作業平盤，8個寬20 m的非作業平盤，這樣的臺階組合整體幫坡角為20°，遠小于35°，是穩定的。非工作幫每隔2個寬6 m的平盤留設1個寬20 m的清掃平盤，在最大高度126 m幫坡角最大32°，小于35°，是穩定的（見圖2）。

圖2 非工作幫邊坡斷面

2.2 內、外排土場穩定性分析

外排土場邊坡位于我礦首采區西北溝谷，縱深較大，溝谷兩側基巖出露，谷底有少量殘積土層覆蓋，厚度0.7 m～1.0 m，下伏石炭系砂巖、泥巖，場地穩定性較好，不會產生基底滑坡，排棄高度94 m。

依據《煤炭工業露天礦設計規范》安全系數Fs≥1.20。外排土場臺階高度20 m，平盤寬度60 m，坡面角33°，由5個臺階組成，高度94 m，整體幫坡角為20°，經分析計算在距坡頂5.8 m左右地表產生張裂縫時，排土場穩定系數最小為1.257，滿足穩定要求（圖3）。

圖3 外排場計算剖面

內排土場臺階高度10 m，平盤寬度30 m，坡面角33°，由8個排土臺階組成，排土高度82 m，幫坡角為20°。滑坡模式是排棄物料的“張裂縫-圓弧型滑坡”類型。經分析計算在距坡頂4.3 m左右地表產生張裂縫時，排土場穩定系數最小，為1.278，安全系數Fs≥1.20。屬穩定邊坡（圖4）。

圖4 內排場計算剖面

3 邊坡穩定控制

同舟煤業露天礦在邊坡穩定性控制、預防滑坡事故發生是生產建設中的頭等大事，始終堅持“預防為主、防治結合”的原則，針對自燃因素和人為因素，采取以下控制方法。

（1）嚴格要求作業人員按設計及作業規程規定的臺階高度和平臺寬度施工作業。嚴格按設計及作業規程規定留設臺階坡面角和最終邊坡角。在排土場形成過程中，力求使排土場頂面形成順暢的排水通道，并盡量維持原地面所形成的排水體系，使地下水、地表水按原有的路徑排泄，不改變其固有的排泄路徑，達到排泄順暢，不積水。

（2）局部消減載荷，在梁家村新農村北部由于該村村民要求在原址上建設新村，該村原址南部是黃石崖溝和朱廟公路，西部和北部是原始第三系紅土和第四系黃土組成土山，東部是溝渠填土。在新農村建成之時，北部靠山腳太近，最后一排房后墻離山根只有16 m，后山高度36 m，自然坡度63°，曾一度被村民和當地政府列為地質災害危險區。礦方針對此情況，從后山的山頂開始削土降破。每9 m一個臺階，每個臺階坡面角60°，每個臺階寬度6 m，最后達到總體邊坡角43°。通過畢肖普法驗算，穩定系數為1.211，大于1.2標準安全值。該邊坡5年來形態穩定。

（3）修筑截、排水溝，保持坡角及坡體干燥性，從而保證坡體巖土的機械強度和內部粘合力，以達到坡體的穩定性。

首采區在剝離過程中，由于施工人員追求利益的最大化，少剝離巖土，多采挖煤炭。在采剝場的北幫產生高83 m，總體邊坡角42°的高陡邊坡。此邊坡一直被本礦和上級主管部門列為重點隱患，本礦組織有關部門召開技術會議，制定安全措施，在高陡邊坡的坡角挖筑集水坑、安設排水設施，如有積水隨時抽排，確保坡角的干燥性，在坡頂修筑截排水溝，將雨水引流排入北部自然溝渠，同時加強巡查，直到在高陡邊坡進行壓幫排土處理完畢。

（4）排土場坡面和平臺及時綠化，本礦排土場能恢復耕地的盡量平整，上覆黃土、有機土恢復為耕種地。對于不能恢復為耕種地的平臺、坡面，一旦不在進行排土，及時種沙打旺、紫花苜蓿等牧草和栽種側柏、油松、槐樹等喬木立即恢復植被，從建礦到現在4年間，投資8 000多萬元，綠化礦區570多畝，土地復墾2 655多畝，植被恢復1 300多畝以達到穩定表面巖土，減少雨水的滲入。

（5）加強位移監測和人工巡查，到目前為止，同舟煤業露天礦在外排土場布置有3條檢測線12個監測點，內排土場南部南峁、賈家峁新農村一帶布置有2條檢測線6個監測點，在內排土場采剝場方向布置有3條檢測線12個監測點，在采剝場布置有3條檢測線9個監測點，另外在采剝場北幫高陡邊坡頂部布置有2個監測點。此11條檢測線41個監測點采用RTK靜態2小時測量，每旬進行1次，每季進行一次穩定性分析。安排專門人員每天進行邊坡巡查，發現問題及時匯報，采取措施進行處理。

（6）及時收聽天氣預報，了解當地未來的天氣狀況、雨雪情況，及時獲取并傳達關于山體滑坡和泥石流災害的預報和警報。

同舟煤業通過采取以上方法進行邊坡穩定性控制和管理，確保了從開始建設露天礦到目前正常生產四年多來，沒有發生過任何滑坡事故。