撫順西露天礦現狀邊坡穩定性分析

張東旭

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

撫順西露天礦經過百年的開采，已形成了近450 m 高，6 km 長的高大邊坡。隨著開采深度不斷增加，礦坑范圍也不斷擴大，邊坡穩定性分析及治理難度隨之增加[1]。國內外學者對露天礦邊坡穩定性分析做了大量研究，白潤才等[2]針對露天開采所形成的復合邊坡的穩定性問題，創造性地采用分段局部控制反向驗算復合邊坡穩定性的方法；喬琛[3]基于影響邊坡穩定性的因素提出了現行露天礦在開采過程中針對邊坡滑坡問題的防治措施；曹蘭柱等[4]針對順傾煤層軟巖邊坡滑動現狀，結合GPS 監測數據，研究了其滑動機理與工程治理措施。楊天鴻[5]等提出“邊坡巖體漸進損傷破壞是邊坡巖體失穩前兆本質特征”這一學術思路，以微震前兆信息和邊坡巖體強度儲備系數為失穩判據，實現露天礦邊坡穩定性動態分析預測。

1 礦山概況

撫順西露天礦位于撫順市望花區東南部，行政隸屬撫順市望花區，礦坑位于渾河南岸，千臺山北麓，地面標高214 m，礦坑為人工地形，東西最長6.6 km，南北最寬2.2 km，礦坑面積10.865 8 km2，礦坑最低標高為-360.05 m，西部已進行內部排土形成排土臺階，南幫整體邊坡角20°～27°，北幫整體邊坡角17°～31°左右。礦區地理坐標為東經：123°49′11″～123°55′23″；北緯：41°49′40″～41°51′23″。礦坑北側地形較緩，地勢較低，地面標高在+70～+80 m，總趨勢是東北略高，西南略低，地形坡度為2‰左右[6]。

2 巖土體力學指標參數

隨著撫順西露天礦逐漸到達境界，邊坡加陡，最終邊坡角的確定和邊坡的穩定已成為生產和安全的決定因素。這樣巖體強度的評價就非常敏感，尤顯重要。因為它的微小變動直接關系到幾百萬噸煤炭資源的開采，影響到露天礦的工藝和生產年限，也影響到地面的安全、邊坡的穩定與地質災害的發生。同時巖石物理力學性質的研究，是邊坡穩定性分析中的重要內容。只有正確掌握巖土體的強度特征，才能對邊坡的穩定性作出正確的評價。

撫順西露天礦自20 世紀50 年代以來進行過大量的范圍廣泛的實驗室常規物理力學試驗，其試驗內容和成果是極其豐富的。考慮到巖體的強度確定是一個復雜且極具挑戰性的課題，涉及的因素較多，既有內在的，也有外來的，是隨著開采和外界條件（如水）的改變而變化的。因此本次巖體強度的評價工作主要結合項目實際，重點有針對性地進行，達到相互對比和驗證的目的，避免脫離地質條件的單純力學分析的片面性缺點，以綜合確定巖體強度指標。

為了正確的評價巖體強度，需要提供可靠的實驗依據，為此要進行一系列巖石力學試驗，最有效的是巖體原位抗剪強度試驗和密集節理巖體粗粒散樣大三軸試驗，它是評價巖體強度上限和下限范圍的主要依據。

通過試驗得到的本階段推薦的巖土體學指標見表1。

3 邊坡穩定性

3.1 分析方法

根據地質災害發育程度（穩定性）、危害程度，按災種進行地質災害危險性現狀評估，采用極限平衡定量分析法對撫順西露天礦邊坡進行研究，構建了數值模型，探究西露天礦的邊坡穩定性。

極限平衡法是邊坡穩定性定量計算的主要方法，許多派生的邊坡穩定性計算方法都是建立在極限平衡法的基礎之上。極限平衡法是以Mohr-Coulomb強度理論為基礎，依據邊坡分塊滑體的力學平衡原理，通過分析條塊滑體的抗滑力與滑動力之間的關系來研究邊坡的穩定性。雖然極限平衡法不能準確地反映邊坡變形直至破壞完整過程，但由于計算方法簡單明了、計算結果清晰直觀，且經過不斷的發展和完善，逐漸積累了豐富的計算經驗和較為精確的計算模型，對邊坡的穩定性評價往往能夠達到較高的計算精度。瑞典條分法，是極限平衡分析中最基本的方法。在瑞典條分法的基礎上，引入條塊間相互作用力，發展出Bishop 法、Janbu 法和Sarma 法等一系列極限平衡分析方法[7]。

表1 本階段推薦的巖土力學指標

3.2 安全系數的

露天煤礦的邊坡工程實踐表明，露天煤礦邊坡具有以下特點：

1）工程的時效性。邊坡大多屬于臨時性邊坡，服務年限長短不一，只要能保證相應期間的生產與安全即可。邊坡工程的時效性決定了其穩定性也具有時效性。

2）邊坡的可變形性。可以允許產生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產即可，確保露天采礦能取得最大技術經濟效益的。

3）邊坡工程的動態穩定性。露天煤礦自始至終處于復雜的動態開挖、回填過程之中，邊坡穩定是一個動態穩定的過程。

4）邊坡穩定性認識的階段性。隨著露天礦開采，對礦山工程地質條件的認識不斷的深化，邊坡穩定性評價的認知也具有階段性，是與露天煤礦的生產不同階段相適應的。同時考慮到西露天礦邊坡的穩定與否直接關系到露天礦與城區地面構筑物的安全問題，因此，在邊坡穩定分析中，安全系數是一個重要的定量參數[7]，直接關系到設計邊坡的經濟與安全問題，在設計規范中對安全系數的選值有所規定，但更重要的還是礦山生產實踐經驗與關聯項目的重要程度[8]。

綜合本次規劃設計，采用1.5 的安全系數對于本階段而言是相對適宜的。《煤炭工業露天礦設計規范》規定[9]的邊坡穩定性系數見表2。

表2 邊坡穩定系數

DZ/T0218—006“滑坡防治工程勘查規范”中，滑坡穩定狀態見表3。

表3 滑坡穩定狀態劃分

一般條件下，滑坡處于整體暫時穩定-變形狀態（Fs=1.00～1.05）；滑坡處于整體暫時變形-滑動狀態（Fs=0.95～1.00）。

3.3 西露天礦現狀邊坡穩定

根據項目總體方案、規劃定位、礦坑治理方案、資源利用與產業綜合安排，選取典型計算剖面EW0、E400、E1400、E1800、E2400、E3000 等6 個剖面。現狀邊坡計算分析示意圖如圖1。

由圖1 及相關資料可知：EW0 剖面一線內排回填已至-150 m 水平，邊坡角度24°，剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.92；E400 剖面一線內排回填已至-274 m 水平，邊坡角度34°，剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.52；E1400 剖面一線內排回填已至-361 m 水平，邊坡角度31°，剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.14；E1800 剖面一線內排回填已至-325 m 水平，邊坡角度44°，剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.16，上述邊坡區段,由于回填壓腳作用明顯，邊坡穩定性狀況良好，而目前露天采掘作業集中的東部區域，邊坡角度高達30°，局部并段邊坡角度超過38°，如E2400 剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.06，E3000 剖面局部邊坡穩定系數Fs=1.18,滿足生產安全儲備要求，相應區域建立了邊坡雷達監測監控系統，保障安全生產與北幫邊坡整體穩定[9]。

圖1 現狀邊坡計算分析示意圖

綜上，對6 個典型計算剖面進行了邊坡穩定性初步驗算，初步驗算結果表明各剖面線安全儲備系數大于1.05，境界內開采區域邊坡滿足生產安全儲備要求。北幫、南幫滑坡變形區，經過治理現狀邊坡基本穩定。經現場調查與綜合評價，同時考慮到地下水綜合影響，受不利因素綜合作用，北幫邊坡上部第四系邊坡及南幫局部區段仍存在滑塌風險。

4 邊坡治理

1）建立邊坡監測系統。在北幫安設1 臺邊坡雷達監測預警系統24 h 實時監測，并建立了14 條GPS 觀測線、78 個觀測點，每周對觀測結果進行統計分析，及時做出預警預報，保證在變形區內作業的人員、設備安全撤離。同時設置了15 個邊坡監測崗，建立了人工巡查制度，進行強制檢查，并將檢查結果上報礦調度室。邊坡監測系統的建立為地質災害的綜合防治提供了科學依據。

2）采取邊坡治理措施。①內排壓腳工程：目前回填壓腳總工程量達3 800 萬m3；②疏干排水工程：為減少千臺山體匯水進入裂縫導致礦坑南幫變形加劇，2013 年至今共計填埋裂縫7 000 m，平整土方工程量20 多萬m3，拆除了變形區內坑下-309 m 水平泵站，同年在變形區外坑下E1400，-281 m 水平建成了搗排水泵站替代原泵站，新建南幫土水溝12 000 m，恢復-44 m 水平和+30 m 水平消能池等7 座，接設疏水管路5 000 m，通過一系列工程的實施，完善了南幫變形區內分區匯水、疏導引流的截排系統，減少了地表滲透水進入變形區內；③抗滑樁、注漿加固工程：實施了裝置區局部邊坡裂縫注漿和抗滑樁加固工程鉆孔注漿676 個，注漿2 582 m3，抗滑樁加固鉆孔500 個，下鋼軌3.3 萬m，保障安全。

4 結語

1）通過實驗室測定了西露天礦的巖石力學參數，并采用滑坡反向分析的方法，確定了西露天煤礦邊坡段的巖石力學參數。

2）利用極限平衡法進行西露天煤礦邊坡穩定分析，通過計算剖面、計算模型，采用軟件計算確定了邊坡穩定系數并進行初步驗算，初步驗算結果表明各剖面線安全儲備系數大于1.05，境界內開采區域邊坡滿足生產安全儲備要求。

3）提出對西露天礦變形區域邊坡穩定性治理方案：采用建立邊坡監測系統、內排壓腳工程、疏干排水工程及抗滑樁、注漿加固工程對西露天礦北幫、南幫滑坡變形區域邊坡穩定性治理，經過治理后邊坡基本穩定。