安家?guī)X露天礦東邊界開采區(qū)域邊坡穩(wěn)定性研究

孫志鳴

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000）

目前安家?guī)X露天礦工作面向東不斷推進，在推進過程中邊坡處于斷層、陷落柱等不良地質條件發(fā)育地帶。該區(qū)域地質情況復雜，邊坡穩(wěn)定性受地質條件影響存在重要的安全隱患[1]，且在東幫影響區(qū)域內存在公路、民居、煤場等重要設施，而且目前首采區(qū)進入開采末期，上部臺階已經逐漸靠界，隨后工作面將逐漸向南轉向進入二采區(qū)，形成永久端幫[2]。因此對東邊界的邊坡安全要求進一步提高。隨著采礦活動的開展，不穩(wěn)定區(qū)域將逐漸被揭露出來，形成露天礦的工作幫、邊坡存在重大的安全隱患。根據安家?guī)X礦確定的東部最終開采境界，對礦坑靠界區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性進行分析來確定最終的幫坡角[3-4]，在保證周圍建筑物安全的前提下確保礦山安全生產的持續(xù)進行，實現經濟效益最大化。

1 工程概況

1.1 地質概況

安家?guī)X露天礦地處山西省朔州市境內，屬寧武煤田北部區(qū)域，是我國自行設計、自主建設的平朔礦區(qū)第二座大型露天煤礦，礦區(qū)主要開采4#煤、9#煤、11#煤3 個煤層。該區(qū)域內地層主要由黃土、淺紅色亞黏土、黃色亞砂土、砂巖、泥巖、砂質泥巖、石灰?guī)r和煤組成，上覆松散地層多具濕陷性，承載力低。石炭、二迭系地層巖石膠結致密，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，富水性弱，寒武、奧陶系灰?guī)r、巖溶裂隙發(fā)育一般，含水性相對較弱，礦區(qū)灰?guī)r水位標高1 069～1 065 m，11#煤底板突水系數0.02～0.04 MPa/m，奧灰水在正常情況下不易進入采礦場，水文地質條件簡單。本區(qū)巖石大多數屬半堅硬巖石夾有一定量的弱層和堅硬層，地下水較少，巖石強度較高，且強度差別不大，巖層的完整性也比較好，從可靠性上講，邊坡穩(wěn)定的可靠程度較高。

1.2 礦坑開采現狀

安家?guī)X露天煤礦目前開采工作面主要位于東部工作幫，向東推進，目前首采區(qū)已經進入開采末期。根據安家?guī)X露天礦重新劃定的安家?guī)X東部境界作為地表境界，并以35°幫坡角下推至11#煤層底板作為深部境界，確定安家?guī)X礦采用“直推+北部超前”方案完成過背斜期間的開采接續(xù)，即采剝工作面沿當前開采方向逐漸靠幫，同時從北部重新拉溝向下延深向南推進。基于確定的露天礦東部境界及開采程序，北部超前區(qū)域已經開始剝離，但剝離量較小，尚未剝離到東部邊界。預計露天礦北部重新拉溝可于2021 年延深至11#煤層底板，之后采掘場由北向南推進。

安家?guī)X露天煤礦目前主要開采區(qū)域仍在蘆子溝背斜上部，主要工作面南北布置向東推進，北部超前區(qū)域只剝挖了較小部分區(qū)域，尚未到達東部端幫。根據現場調查資料，東幫礦權界附近，有馬關河、平陶公路、后安礦、白蘆煤礦、部分房屋及部分煤場等重要設施。

通過對安家?guī)X露天煤礦的開采現狀、東幫區(qū)域現狀以及端幫邊坡影響因素分析，對東部開采境界進行了優(yōu)化，確定最終的東部開采境界。在原開采境界的基礎上拆遷平陶路以西的民房和儲煤場，并局部取直改移平陶路以后，以安家?guī)X礦東幫礦權界附近改移后的平陶路、工業(yè)大道、后安工業(yè)場地和白蘆工業(yè)廣場的西側邊界，向采掘場內部回收50 m，形成最終東幫開采境界[5]。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 東邊幫構成和指標

端幫臺階高度一般為15 m，每隔1 個平臺設有1 個運輸通道，運輸平盤寬30 m，保安平盤寬6 m。東部邊幫是一個由不同巖層構成，最大高度約210 m 的高邊坡，巖層傾角較小，上部是強度較低的黃土，下部有強度較高的砂巖、泥巖構成，對邊坡穩(wěn)定較為有利。

東部邊幫高度為170～205 m，依據邊坡巖性統(tǒng)計，邊坡計算中采用的計算指標見表1。

表1 邊坡計算中采用的計算指標

2.2 滑動模式和東幫邊坡穩(wěn)定性計算

露天礦邊坡煤巖互雜，依據該礦煤巖的賦存規(guī)律，未來滑坡應以圓弧滑坡和順層滑坡模式為主[6]。①圓弧滑坡模式：破裂面貫通所有地層，形成圓弧狀的滑坡模式；②順層滑坡模式[7]：滑坡體沿地層的結構面滑出；不同部位的邊坡破壞模式與組成邊坡的巖性、強度和產狀有關，可能的破壞模式只能通過具體的計算分析來說明。邊坡的穩(wěn)定性為上述滑坡模式中穩(wěn)定系數最小的一種。設計中計算采用相對保守的極限平衡法中的瑞典條分法[8]。

東部邊幫由北向南選取3 處典型位置，采用瑞典條分法對東部邊幫進行穩(wěn)定性計算，確定東部開采境界的最終幫坡角，最大程度的回收煤炭資源。3處典型剖面示意圖如圖1～圖3。

圖1 1-1 剖面示意圖

圖2 2-2 剖面示意圖

圖3 3-3 剖面示意圖

1-1 剖面高度201.5 m，2-2 剖面高度171.9 m，3-3 剖面高度177.8 m，3 個剖面利用瑞典條分法進行邊坡穩(wěn)定性計算，其中剖面1-1’、2-2’、3-3’條分法的圓心和半徑分別為（72.963，251.875）、（51.547，218.842）、（51.695，218.452），R1-1=266.528、R2-2=232.190、R3-3=232.984，3 個剖面在不同幫坡角下的安全系數見表2。

表2 各剖面邊坡安全系數表

2.3 模擬結果

利用瑞典條分法分別對東部最終境界由南到北的3 個典型剖面進行不同幫坡角的安全系數計算，將計算結果繪制成折線圖，剖面安全系數折線圖如圖4。

圖4 剖面安全系數折線圖

分析3 個典型剖面的邊坡穩(wěn)定性系數可知，在東部最終境界確定情況下，東部邊坡各剖面安全系數隨著幫坡角的逐漸增大均有不同程度的減小，穩(wěn)定性也逐漸變差，但在幫坡角最大的39°時，安全系數趨于臨界值1，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察剖面安全系數折線圖可知，北部剖面1-1、中部剖面2-2 和南部剖面3-3 隨著幫坡角的逐漸增大，安全系數都逐漸減小，但剖面2-2 和剖面3-3的變化趨勢相近，剖面1-1 在幫坡角34°～35°時發(fā)生驟變，隨后趨于緩和。

3 結語

安家?guī)X礦自生產以來，實踐證明采掘場最終幫坡角取35°是穩(wěn)定的，能夠保證露天礦的安全生產。結合計算結果可知，當東部邊幫角度小于34°時，其穩(wěn)定系數均大于1.3。由于北部1-1 剖面在幫坡角為35°時安全系數發(fā)生突變，而且安全系數小于1.3。所以在保證東部境界周圍各種設施安全的前提下，為盡可能的多回收煤炭資源，確定東部境界的最終幫坡角為34°。