北山露天煤礦邊坡穩定性評價及防治措施

王 剛

（信發集團新疆北山礦業有限公司，新疆昌吉 831800）

隨著露天煤礦的邊坡開采深度加深，排土場逐漸增高，同時邊坡安全問題越來越嚴峻[1]。露天煤礦邊坡穩定性易受巖土性質、風化、工程地質及水文地質等多種因素的影響，并且邊坡形態一直處于動態變化過程中，邊坡安全問題嚴重制約著露天煤礦的綠色安全高效生產[2-3]。

韓萬東[4]利用Bishop 和Spencer 2 種極限平衡法對露天煤礦邊坡進行了分析計算，并利用數值模擬對邊坡破壞機理及其滑坡模式進行研究，為邊坡穩定性評價提供了參考依據。周子涵[5]針對斷續節理巖質邊坡在自重應力作用下的失穩特性，提出了尖點突變理論力學模型，詳細分析了巖土力學參數和性質對邊坡穩定性的影響，并豐富了邊坡失穩預判及穩定性評價的理論基礎。

目前在工程中極限平衡法因簡捷方便，計算結果準確得到廣泛應用，但此方法忽略了巖土體內的應力-應變關系，最終只是計算出了假設滑移面上各條塊安全系數的平均值，并不能分析邊坡失穩的動態演化規律。

通過對北山露天煤礦邊坡實地勘察、地質條件研究、巖土物理力學參數研究、極限平衡理論分析，最終科學地給出邊坡穩定性評價結果，同時提出有針對性的邊坡變形破壞防治措施，對豐富露天煤礦邊坡穩定性分析方法及保證露天煤礦的安全高效生產有很大的意義[6]。

1 礦山概況

北山露天煤礦年產量400 萬t，隨著礦山開采及排土場增高，將形成深大露天礦坑及高大排土場，目前國防公路（省道S327）呈南北方向從礦區穿過，將整個礦區劃分成2 個采區：東部首采區和西部二采區，且國防公路緊鄰二采區東幫，且東幫為工作幫，目前該幫下部正在進行采煤作業，因此為了確保國防公路的安全，需要對該幫到界邊坡進行穩定性評價，并根據評價結果提出邊坡變形破壞綜合防治措施[7-8]。計算剖面位置如圖1。

圖1 計算剖面位置

礦區位于北山煤窯向斜北西翼，巖煤層呈向南偏東緩傾的單斜形態產出，傾角大約3°～6°。

2 工程地質條件

2.1 工程地質

全區整體巖煤層產狀穩定，未見有斷層及其它褶皺構造，屬構造條件簡單類型。

1）第四系上更新統-全新統洪沖積層（Q3-4pal）。礦區第四系主要由沖洪積的砂土、戈壁碎石等堆積物組成，結構松散、孔隙度大，同下伏地層呈角度不整合接觸，在外力以及放炮震動的作用下，容易產生滑坡。

2）中侏羅統西山窯組（J2x）。該地層為含煤地層，巖性為灰色、淺灰色泥巖，泥質粉砂巖，粉砂巖夾砂巖和煤層，底部為1 層中砂巖或粗砂巖，多為軟弱巖層-半堅硬巖層，以泥質膠結為主，出露地表層理發育，易風化，遇水軟化并發生膨脹，降低了強度和穩定性。

3）下侏羅統三工河組（J1s）。地層巖性為灰色粉砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖等，多為硬巖，強度較好。

2.2 邊坡巖土物理力學參數

通過對以往該礦區開展過工程、地質勘察項目的巖土試驗研究成果進行收集、歸納、分析，運用工程地質類比法及巖石-巖體強度折減理論，得出的適用于本次研究區域的巖體力學評價參數見表1 。

表1 巖土體物理力學指標推薦值

3 研究區域邊坡穩定性

通過對新疆北山露天煤礦實地勘察可知，東幫邊坡地層主要由第四系、粉砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖、泥巖和煤組成，且組成邊坡的巖石主要為軟弱巖層-半堅硬巖層。通過實地勘察、地質資料分析及理論分析可知東幫邊坡的潛在滑坡模式為圓弧型滑坡及小范圍的片幫[9]。

3.1 極限平衡法

該方法基本原理是假定邊坡體中存在潛在滑面，并對滑面之上的滑體進行有限條分最終形成若干個相互作用的條塊，首先對每個單獨條塊建立靜力平衡方程，接著利用各條塊之間的相互作用關系并聯立各條塊靜力平衡方程，來創建整個宏觀滑體的靜力平衡方程，最終將滑面上抗剪力與剪切力的比值定義為潛在滑體的穩定系數。由于極限平衡理論體系的不斷豐富，衍生出很多更為簡便的方法，例如Morgenstern -price 法、Ordinary 法、Bishop 法、Janbu 法等[10]。本次運用Morgenstern-price 法來計算東幫邊坡的穩定系數，該方法采納了全部邊界條件及平衡條件來彌補計算方法的缺陷，因此計算結果更具真實性[11-12]。

3.2 計算剖面位置及安全儲備系數

根據礦區以往地質資料及二采區地表國防公路的實際位置情況，此次為了確保國防公路的安全，因此在二采區東幫及北幫共布置2 個剖面。

本次安全儲備系數主要按照GB 50197—2015《煤炭工業露天礦設計規范》規定的邊坡穩定系數，并在現有的邊坡資料基礎上，結合礦區邊坡工程地質及水文地質條件來最終確定。由于東幫地表緊鄰國防公路，考慮到國防公路的安全問題，最終確定研究區域東幫邊坡及北幫邊坡的安全儲備系數均為1.5。邊坡穩定系數K 見表2。

表2 邊坡穩定系數K

3.3 穩定性計算

剖面1 整體邊坡穩定性計算結果如圖2。由圖2可知，整體邊坡的穩定性系數為1.630，剖面1 中部邊坡穩定性驗算結果如圖3，中部邊坡的穩定性系數為1.536，二者均大于安全儲備系數1.5，滿足安全儲備要求，邊坡穩定性較好。

圖2 剖面1 整體邊坡穩定性驗算結果

圖3 剖面1 中部邊坡穩定性驗算結果

剖面2 穩定性驗算結果如圖4，整體邊坡的穩定性系數為1.657，大于安全儲備系數1.5，滿足安全儲備要求。剖面2 局部邊坡穩定性驗算結果如圖5。局部臺階的穩定性系數為1.433，小于安全儲備系數1.5，不能滿足安全儲備要求，所以在日常生產過程中應注意局部臺階片幫的發生，防止滑落石塊傷及人身及設備安全。

圖4 剖面2 整體邊坡穩定性驗算結果

圖5 剖面2 局部邊坡穩定性驗算結果

綜上所述，研究區域邊坡整體處于穩定狀態，但有局部臺階片幫的風險，但這種局部臺階滑坡不會威脅到地表國防公路安全，所以研究區域國防公路不會受到邊坡失穩帶來的威脅。

4 邊坡變形破壞綜合防治建議

為了提高邊坡整體的穩定性，同時避免大規模、突發性的滑坡災害發生，有必要采取一定的措施，保證礦山安全生產的進行。

1）邊坡變形監測預警。邊坡變形監測包括地上位移監測和地下位移監測，從該礦實際情況促發，本著安全可靠、經濟合理、技術可行的原則，地上位移監測推薦采用邊坡雷達監測技術或GNSS 邊坡監測技術，地下位移監測推薦采用地下測斜儀技術[13]。

2）加強邊坡巡查和維護。在巡查中注意觀察已揭露巖層向臨空面的移動及錯位情況，若發現明顯的巖層移動現象，應立即上報，并采取避讓、撤離等安全措施；當地表發生沉陷與裂縫時，要及時回填壓實，避免大氣降水及地表水通過裂縫大量滲入邊坡體中，同時盡量保證邊坡坡面平整。

3）加強疏干排水。在地表修筑截水溝，盡可能將地面水在地表實施攔截，同時避免截排水的回流；在東幫邊坡不同水平應修筑水溝、蓄水池等，使水流有序，排放合理；加強觀測并掌握暫時性地表洪流周期與徑流途徑，合理設置擋水墻和排水溝，以防止洪流灌入采場。

5 結語

1）通過對以往巖土物理力學性質試驗數據、資料的歸納、分析、整理，對各項參數指標進行可靠性分析，結合類比分析結果，獲得適用于本次研究的巖土物理力學性質指標。

2）通過實地勘察、地質資料分析及理論分析可知研究區域邊坡的潛在滑坡模式為圓弧型滑坡及小范圍的片幫。

3）通過穩定性分析計算，得出研究區域國防公路緊鄰的邊坡處于穩定狀態。

4）根據邊坡的實際情況提出了邊坡變形監測預警、加強邊坡巡查和維護、加強疏干排水等綜合防治措施。