露天開采下邊坡的穩定性研究

摘要：弱膠結地層廣泛分布于西北地區，對露天邊坡穩定性造成嚴重的影響。邊坡穩定性的影響因素復雜多樣，需要對其進行科學合理的分析和評價，重點研究影響邊坡穩定性的關鍵所在，然后針對性的提出有效對的防治措施。通過對皮里青露天邊坡傾角的研究，結果表明：弱膠結邊坡安全系數隨著傾角的增大而減小。

關鍵詞：露天煤礦;邊坡穩定性;數值模擬

0 引言

新疆地處我國西北部，其煤礦資源具有種類豐富、煤層厚、儲量大等優勢，其中不少種礦產資源的儲量位居全國首位。經證實，目前新疆境內發現的礦產資源種類達70多種，是國家重要的能源儲備基地[1]。西北地區煤炭資源儲量雖然十分豐富，但煤層大多處于生態環境脆弱區且均以弱膠結地層為主[2]。由于弱膠結巖石力學性質較低[3，4]，在開采擾動的環境條件下，極易導致邊坡發生失穩破壞。因為弱膠結地層、氣象環境及礦區水文地質條件等的存在，使得弱膠結地層的變形破壞特征趨于復雜化，對礦區生產及工作人員的安全造成嚴重的影響。為了推進西北地區礦山的生產建設，弱膠結地層邊坡穩定性問題將成為露天開采重點的研究對象。

1 研究區概況

1.1地理位置

皮里青露天煤礦位于伊寧市北15km，伊寧縣城北4km，皮里青河東岸。中心地理坐標：東經81°28′05″，北緯44°02′35″。行政區屬伊寧縣管轄，南部排土場位于伊寧市境內。

1.2地層結構特征

露天煤礦位于皮里青背斜軸部及其南翼，沿背斜軸部有皮里青走向逆掩斷層存在，總體構造簡單，其地質構造主要包括：（1）皮里青背斜。該背斜被第四系地層掩蓋，其基本輪廓主要由鉆孔控制。背斜軸向近東西。軸部平緩開闊，脊線平直。北翼傾角較緩，一般6°～8°;南翼稍陡，一般9°～22°。背斜南翼受F9逆掩斷層破壞，在靠近斷層通過處產生次級牽引褶曲，地層傾角在小范圍內發生小角度反向變化，離開斷層影響范圍后迅速恢復原傾斜角度。（2）皮里青斷裂。該斷層走向近東西，沿走向呈舒緩波狀。傾向南，傾角15°～25°，具有西緩東陡、上緩下陡特點。斷層上盤上升，下盤下降，屬逆掩斷層，水平斷距100～190m，傾向斷距120～200m，垂直斷距44～65m，均由西向東變小。C4及其以下煤層遭到該斷層破壞，并在+760m標高附近發生最大重復，重復帶寬約300m，具體到某一煤層，則寬約100～150m。

1.3 地層巖性

露天煤礦地表基本沒有基巖出露，第四系堆積物廣泛分布，其下依次埋藏有侏羅系中統頭屯河組與西山窯組地層。

1.侏羅系中統西山窯組（J2x）。該組地層為區內含煤地層，可劃分為下、中、上三個巖性段。下段（J2x1）：底部為雜色細礫巖，下部由中粒砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖等組成正序粒層理，屬河床及河漫相沉積;上部為淺灰色粗粒砂巖、中-細粒砂巖、粉砂巖、泥巖等，具波狀層理與水平層理，屬河流相沉積。該段厚度125.54m，深埋于露天開采煤層之下。中段（J2x2）：下部由粗砂巖或砂礫巖、中-細粒砂巖、粉砂巖及炭質泥巖等組成多個向上變細的小旋回，屬河流及濱湖三角洲沉積;中至上部為含煤沉積，即C煤組所在層位，由粗砂巖、中粒砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、炭質泥巖及煤層組成。該段厚度170.11m，目前已經受到不同程度的人工揭露。上段（J2x3）：灰棕-灰白色砂礫巖與粗砂巖互層，底部見有少量煤屑或煤包體，具交錯層理、透鏡狀層理，屬河流相沉積，厚56.34m，多被上覆頭屯河組沖刷而保存不全。

2.侏羅系中統頭屯河組（J2t）。該組地層地表僅有零星出露，可細分為上下兩個巖性段：下段（J2t1）：姜黃色砂礫巖夾粗砂巖，頂部偶見泥巖薄層，具交錯層理，偶含硅化木，屬河流沉積，與下伏地層沖刷接觸。該段厚度49.91m。上段（J2t2）：底部為鈣質含礫粗砂巖;中部為淺灰色塊狀砂礫巖及灰白色粗砂巖，成分以石英為主，磨圓及分選均差，屬河流相沉積;頂部為黃灰色塊狀泥巖，局部夾細砂巖條帶，為河漫相沉積。該段厚度91.93m。

3.第四系（Q）。廣泛分布在河床、沖溝及山脊上，按其成因可細分為：上更新統至全新統洪積與風積層（Q3-4pl+eol）：黃土質亞砂土夾礫石透鏡體，多分布在山脊上，厚9.71m;上更新統至全新統坡積殘積層（Q3-4dl+el）：黃土質亞砂土、亞粘土及碎礫等，主要分布在山坡上，厚22.86m;全新統洪積層與沖積層（Q4pl）、（Q4al）：卵礫石松散堆積物，主要分布在沖溝及河床中，厚22.08m

2 露天開采下邊坡的力學響應特征

2.1邊坡模型構建

結合礦山實際情況，皮里青露天礦最終開采境界為：110m-240m，根據礦區

北幫邊坡的高度，通過FLAC3D數值模擬軟件，采用強度折減法進行邊坡模型的建立，建立高為：135m、寬5m，傾角分別為：20°、40°的邊坡模型。

2.2不同傾角下邊坡的力學響應特征

2.2.1應力響應特征

通過研究不同傾角條件下邊坡的力學響應特征，對比圖2（a-b）可以看出，當傾角由20°增加到 40°時，剪力增量不斷增加，剪力增量由20°的3.6 x10-3Pa增加到40°的1.65 x 10-2Pa，并在坡腳處出現最大值。

2.2.2塑性區變化特征

不同傾角下塑性區的變化特征，傾角由20°增加到 40°時，邊坡位移由原來的2.31 x 10-1m增加到3.28 x 10-1m，且隨著傾角的增加位移增量不斷向坡腳處增大，使坡腳處的位移增加最大，極易導致邊坡失穩破壞。

3 結論

針對不同傾角條件下邊坡力學響應特征的研究，分析傾角的大小對邊坡穩定性的影響，得出以下結論：

（1）通過不同傾角的計算結果，認為傾角與剪力增量成正相關，剪力增量隨著傾角的增大而增加。

（2）隨著傾角的增大，邊坡塑性區逐漸向坡面移動，塑性區位移隨著傾角的增大而增加，且在坡腳處位移增量達到最大值。

參考文獻：

[1]王佟，張博，王慶偉，等，中國綠色煤炭資源概念和內涵及評價[J].煤田地質與勘探2017，45（01）：1-8.

作者簡介：陳運財（1995-），男，碩士，從事采動巖層變形規律及控制的研究工作