內蒙古西部某礦層狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全影響研究

封海洋 韓 猛 楊 駿

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室）

露天煤礦邊坡的穩定與露天煤礦人員、設備、生產的安全以及采煤剝離的進度息息相關，是保障露天煤礦開采工作正常有序進行的關鍵［1-3］。邊坡的變形失穩伴隨著露天礦生產時常發生，是露天煤礦常見的安全問題之一，邊坡一旦出現變形失穩情況，不僅威脅露天礦人員、設備安全以及露天礦的正常開采，而且當其地表存在建筑物等設施時，亦會造成建筑物等設施損壞［4-6］。

為了研究內蒙古西部某礦層狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全的影響，展開層狀邊坡穩定性研究，并根據研究結果提出合理的采剝安全控制距離，以確保層狀邊坡的穩定及周邊建筑物的安全［7］。

1 工程概況

研究區域為低山丘陵高原地貌，地形起伏較大，多為溝谷小山崖，小溝谷縱橫；最高點位于研究區西南部，海拔標高為1 318 m，最低點位于東部，海拔標高為1 240 m，海拔相對高差為78 m；地形總體地勢西高東低，南高北低，礦區地表境界南北長0.94 km，地表東西寬1.021 km，面積為0.96 km2。開采標高為1 250～1 000 m，平均開采深度為190 m。該礦地層由老至新分別為石炭系上統太原組（C2t）、二疊系下統山西組（P1s）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、第四系全新統（Q4），其中含煤地層為石炭系上統太原組（C2t）及二疊系下統山西組（P1s）。可采煤層分別為8、9、10、12、13上2、13、15、16、17 號煤層。南幫為該礦工作幫，其邊坡為層狀邊坡，主要地層為風積沙層、沖積層、粉砂質泥巖、泥巖、砂巖、泥質灰巖和煤層等，其中部分巖層為軟巖，易發生邊坡安全問題。南幫上部建成有某井工礦的風井主扇及瓦斯電站，為井工礦的重點保護建筑，最近點距現狀邊坡邊界僅30 m，露天礦工作幫的采煤及剝離作業引起邊坡的緩慢變形，導致井工礦的風井主扇及瓦斯電站出現裂縫，現狀邊坡與風井主扇及瓦斯電站位置關系圖如圖1所示，該露天礦南幫層狀邊坡工程地質模型如圖2所示。

2 巖土物理力學參數

巖土體物理力學參數是進行本次層狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全影響研究的基礎及重要資料，要獲取準確的巖土體物理力學參數需要進行大量的鉆探及試驗。該礦自建礦至今，通過鉆探及實驗已積累了豐富的巖土體物理力學參數研究成果，本次研究將使用巖土體工程地質性質類比的方法，收集、歸納、分析以往得巖土體試驗研究成果，得到本次研究所推薦的巖土體物理力學指標。本次研究推薦的巖土體物理力學指標見表1。

3 層狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全影響

為了研究層狀邊坡對周邊建筑物安全的影響，在南幫正對風井主扇及瓦斯電站位置選取剖面1 及剖面2（圖1），展開層狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全影響的研究。本次研究方法選用Morgensternprice 法，該方法具有計算模型簡單化、計算參數相對固定化、計算結果物理意義明確化等特點，并且考慮了全部平衡與邊界條件來消除計算方法的誤差，使得計算結果更加精確。

本次研究中南幫邊坡安全儲備系數的確定主要依據《煤炭工業露天礦設計規范》（GB 50197—2015）。規范中規定，當邊坡上有特別重要建筑物或邊坡滑落會造成生命財產重大損失，且服務年限大于20 a 者，邊坡穩定系數Fs＞1.5。因風井主扇及瓦斯電站相對于該井工礦為重點保護建筑，其穩定與井下人員、設備的安全息息相關，而南幫邊坡的穩定性與風井主扇及瓦斯電站的安全又緊密相連，鑒于該情況，本次研究中南幫邊坡的安全儲備系數確定為1.5。

3.1 現狀邊坡穩定性對周邊建筑物安全影響

為研究層狀邊坡對周邊建筑物安全的影響，根據剖面1 及剖面2 建立邊坡剖面模型。該研究分為現狀邊坡滑動的風險研究以及現狀邊坡從建筑物位置剪入對建筑物安全影響的研究，研究結果如圖3～圖6所示。

由圖3 及圖5 可知，現狀邊坡的穩定性驗算結果分別為1.346 和1.342，均小于南幫安全儲備系數1.5的要求，現狀邊坡處于基本穩定狀態，存在滑動的風險。由圖4 及圖6 可知，沿建筑物位置剪入的驗算結果分別為1.521 和1.512，大于南幫安全儲備系數1.5的要求，由此可知，現狀邊坡雖然存在滑動的可能，但不存在沿建筑物位置剪入的風險，因此現狀條件下南幫邊坡對其上部建筑的影響較小，上部建筑物損壞的風險較小。

3.2 邊坡二次滑動穩定性對周邊建筑物安全影響

通過對現狀邊坡的穩定性驗算結果可知，現狀邊坡的穩定性系數均小于南幫邊坡的安全儲備系數1.5，邊坡存在滑動的風險，如若現狀邊坡發生滑動后，南幫邊坡發生二次滑動對建筑物安全的影響未可知，現選擇剖面1 及剖面2 現狀邊坡滑坡后的工況，展開層狀邊坡二次滑動穩定性對周邊建筑物安全影響的研究，研究結果如圖7～圖10所示。

通過對研究結果分析可知，層狀邊坡二次滑動沿建筑物邊緣剪入的邊坡穩定性分別為1.034 和1.294，沿建筑物內部剪入的邊坡穩定性系數分別為1.088 和1.333，驗算結果均小于南幫邊坡的安全儲備系數1.5 的要求，且部分邊坡穩定性系數趨近于臨界值，邊坡滑坡的風險加大。由此可知，現狀邊坡發生滑坡后，層狀邊坡二次滑動從建筑物邊緣及內部剪入的風險較大，一旦滑坡，會對其上部建筑物造成損壞，對人員、設備以及生產造成威脅。

3.3 采剝安全距離控制

通過對露天礦南幫剖面1 和剖面2 的分析可知，現狀邊坡穩定性系數均低于安全儲備系數，層狀邊坡有滑動的風險，而且在現狀邊坡滑坡后，層狀邊坡二次滑坡的穩定性系數均小于安全儲備系數，且部分趨近于臨界值，邊坡滑動的風險加劇。在剖面1中，滑面最遠點距風井250 m，剖面2中滑面最遠點距風井237 m，根據《煤炭工業露天礦設計規范》（GB 50197—2015），機修車間、選煤廠或其他重要建（構）筑物與采掘場地表境界的安全距離，應經采掘場邊坡穩定驗算后確定。當開采深度小于200 m 時，安全距離不宜小于最大開采深度；當開采深度大于200 m時，安全距離不宜小于200 m。目前風井主扇距露天礦南幫僅70 m 左右，因此，綜合邊坡穩定性分析計算結果，露天礦在潛在滑坡影響范圍內應禁止作業。鑒于此，建議露天礦采剝安全距離分別以風井主扇及瓦斯電站北側以及回風井地下巷道北邊界為起算點，采剝安全控制距離為250 m（圖11）。

3.4 意見與建議

（1）鑒于風井主扇及瓦斯電站對井工礦的重要程度，建議對該建筑物周邊以及露天礦南幫布置若干GNSS 監測點，對建筑物周邊以及露天礦南幫的整體變形情況進行監測。

（2）做好露天礦南幫的防排水工作，防止雨水的滲入降低邊坡的穩定性，對主扇及瓦斯電站的安全產生進一步影響。

4 結論

（1）通過對現狀邊坡穩定性驗算結果可知，現狀邊坡的穩定性系數小于南幫邊坡的安全儲備系數，但從建筑物位置剪入的邊坡穩定性系數大于南幫安全儲備系數，現狀條件下南幫上部建筑物損壞的風險較小。

（2）通過對層狀邊坡二次滑動的穩定性驗算結果可知，從建筑物邊緣及內部剪入的邊坡穩定性系數小于南幫的安全儲備系數，且部分趨近于臨界值，層狀邊坡有滑動風險，將對建筑物造成損壞。

（3）根據研究結果確定了露天礦的采剝安全控制距離，分別以風井主扇及瓦斯電站北側以及回風井地下巷道北邊界為起算點，采剝安全控制距離為250 m。