將軍戈壁一號(hào)露天煤礦北幫邊坡角優(yōu)化研究

楊國成，孫進(jìn)步，胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

露天礦邊坡角的設(shè)計(jì)，對(duì)露天礦的生產(chǎn)安全與經(jīng)濟(jì)效益有著極大的影響。設(shè)計(jì)的邊坡角過小，將增加剝離工程量，增加生產(chǎn)成本，降低礦山的經(jīng)濟(jì)效益；而設(shè)計(jì)的邊坡角過大，不能保障邊坡的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致片幫和滑坡事故的發(fā)生，會(huì)給人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅，嚴(yán)重地影響礦山的安全生產(chǎn)[1]，因此露天礦邊坡角的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，既能保證邊坡的穩(wěn)定性，又能提升礦山的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

在邊坡角優(yōu)化及邊坡穩(wěn)定性分析方面，眾多學(xué)者開展了相應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)方面的研究工作，并取得了大量的研究成果。李巧玲等[3]以白礪灘露天煤礦東幫順層邊坡為研究對(duì)象，選取典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)最終邊坡角進(jìn)行優(yōu)化；高富強(qiáng)等[4]為探究邊坡角對(duì)哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡穩(wěn)定性的影響程度，采用FLAC/SLOPE 軟件對(duì)不同傾角的端幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析；馮錦艷等[5]將數(shù)學(xué)中的二分法理念引入用于邊坡角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了邊坡角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程；李云等[6]為保證露天邊坡的安全穩(wěn)定，提出用有限元與極限平衡綜合分析法分析其穩(wěn)定性并優(yōu)化邊坡角。

將軍戈壁一號(hào)露天煤礦是新建礦山，為確保邊坡安全，實(shí)現(xiàn)滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，避免滑坡災(zāi)害對(duì)礦山生產(chǎn)建設(shè)造成損失，維護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需對(duì)將一礦北幫邊坡角進(jìn)行研究與優(yōu)化，尤其是局部邊坡角的確定。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件和分析方法

將軍戈壁一號(hào)露天煤礦礦田地層主要有第四系松散巖類、侏羅系碎屑巖類。礦田大面積被第四系覆蓋，西部侏羅系石樹溝群地層大面積出露，礦田的北部西山窯組出露區(qū)地層遭受不同程度的火燒。第四系松散層為戈壁平原堆積，先期開采地段厚度1.0～19.14 m，平均厚度9.26 m。結(jié)構(gòu)松散、干燥，孔隙度大，屬典型的散體結(jié)構(gòu)；侏羅系淺部風(fēng)化層，風(fēng)化深度一般25～30 m，巖石風(fēng)化后完整程度遭受破壞，成碎塊狀、薄餅狀及短柱狀，近散體結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，一般巖石結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，經(jīng)風(fēng)化后巖石力學(xué)性質(zhì)有所降低，略低于新鮮巖石；火燒區(qū)集中在礦田的北部，煤層頂?shù)装寮皣鷰r經(jīng)火燒烘烤，改變了原巖的性質(zhì)，成為堅(jiān)硬、破碎、裂隙及孔隙發(fā)育的燒變巖。結(jié)合工程地質(zhì)剖面以及鉆孔揭露的地層情況綜合分析，確定本礦區(qū)弱層分布情況特征，各煤層頂?shù)装澹瑤r性以泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，煤層透水性好，節(jié)理裂隙較發(fā)育，水滲至頂?shù)装迥噘|(zhì)結(jié)構(gòu)易崩解的泥巖中，使其遇水弱化，形成相對(duì)薄弱層位。B5 和B3 煤頂?shù)装逯械娜鯇佣嘁蕴假|(zhì)泥巖為主、取出的巖芯為灰褐色，手捏易碎，厚度2.46～5.07 m，B1 煤頂?shù)装迦鯇樱嘁阅鄮r為主，遇水易軟化呈散體狀，厚度3.52～5.39 m。

采用極限平衡分析方法對(duì)邊坡進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析，根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.8 條確定邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍。

根據(jù)目前將一礦建設(shè)規(guī)劃、地質(zhì)條件及采礦設(shè)計(jì)方面掌握的情況分析，將一礦北幫邊坡為非工作幫邊坡，邊坡暴露時(shí)間最長不超過10 年，邊坡計(jì)算過程中考慮的火燒、富水等情況，安全儲(chǔ)備系數(shù)選取時(shí)不小于1.20。

2 北幫邊坡整體邊坡角的確定

本次首采區(qū)北幫邊坡角度的確定以首采區(qū)北幫1－2 剖面作為研究剖面，該剖面上有實(shí)際勘探的2個(gè)鉆孔，地質(zhì)資料可靠、準(zhǔn)確。該剖面位置地層從上至下主要涉及第四系覆蓋層、砂巖、泥巖、B1 煤、B5煤、炭質(zhì)泥巖，將B1 煤的底板出露邊界作為坑底界，不斷調(diào)整整體邊坡角，進(jìn)行整體邊坡穩(wěn)定性分析。利用Morgenstern－Price 法和Bishop 法對(duì)整體邊坡角進(jìn)行試算，整體邊坡角計(jì)算從25°逐步加大至35°，增大幅度為1°，對(duì)其試算。安全系數(shù)與整體邊坡角關(guān)系圖如圖1。

圖1 安全系數(shù)與整體邊坡角關(guān)系圖

采用Morgenstern－Price 法，根據(jù)以上結(jié)果，邊坡整體角度在28°時(shí)，其安全系數(shù)Fs=1.210，北幫邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs需大于1.2，所以整體邊坡角度應(yīng)小于等于28°。

3 北幫邊坡局部邊坡角確定

3.1 B1 煤臺(tái)階部分邊坡角

B1 煤層處于開采范圍內(nèi)的巖層層位的最下層，B1 煤層開采后即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，B1 煤層暴露時(shí)間短。根據(jù)相鄰的將軍戈壁二號(hào)露天煤礦的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于暴露時(shí)間短的煤層臺(tái)階，其單臺(tái)階坡面角為55°，故將軍戈壁一號(hào)露天煤礦的B1 煤層臺(tái)階坡面角從50°開始試算，逐步調(diào)整加大坡面角至75°，試算過程段高采用全煤層厚度作為段高。B1 煤臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖2。

圖2 B1 煤臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，保證B1 煤層臺(tái)階安全系數(shù)大于1.2，B1 煤層臺(tái)階坡面角不得大于65°方能滿足安全儲(chǔ)備要求。

3.2 B1 頂板至B5 底板巖層臺(tái)階邊坡角

B1 煤層頂板至B5 煤層底板間巖層包括炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖，其厚度為28 m，在試算過程中將其構(gòu)成1 個(gè)巖層臺(tái)階，巖層厚度作為巖層臺(tái)階段高。臺(tái)階坡面角從45°開始試算，逐步調(diào)整加大坡面角至50°，B1 頂板至B5 底板巖層不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖3。

圖3 B1 頂板至B5 底板巖層不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可知，為確保B1～B5 巖層臺(tái)階的穩(wěn)定性復(fù)合安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，該臺(tái)階坡面角不得大于47°。

3.3 B5 煤層臺(tái)階邊坡角

B5 煤層處于北幫邊坡中部，巖土體剝離之后，B5 煤臺(tái)階暴露時(shí)間長，其安全系數(shù)適當(dāng)取大值。B5煤層臺(tái)階坡面角從50°開始試算，逐步調(diào)整加大坡面角至75°，試算過程段高采用全煤層厚度作為段高。B5 煤層臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖4。

圖4 B5 煤層臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

根據(jù)試算結(jié)果，為保證B5 煤層臺(tái)階的穩(wěn)定，其安全系數(shù)取1.3，則B5 煤層臺(tái)階坡面角不大于60°能滿足安全儲(chǔ)備要求。

3.4 B5 煤頂板至水位線巖層臺(tái)階邊坡角

根據(jù)工程勘探成果，水位線位置位于+530 m，將B5 煤頂板至水位線位置作為劃分臺(tái)階時(shí)的工況考慮，由于B5 煤頂板至水位線高差為62 m，將其劃分為2 個(gè)臺(tái)階：B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階和+500～+530 m 水平臺(tái)階。首先進(jìn)行B5 煤頂板至水位線巖層臺(tái)階整體局部邊坡角進(jìn)行試算，試算過程從35°開始，逐步調(diào)整加大坡面角至45°；然后對(duì)劃分得到的2 個(gè)臺(tái)階分別進(jìn)行計(jì)算其坡面角，B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階坡面角試算過程從45°開始至50°結(jié)束，+500～+530 m 水平臺(tái)階坡面角試算過程從45°開始至55°結(jié)束。B5 煤頂板至水位線巖層臺(tái)階整體局部邊坡角與安全系數(shù)關(guān)系圖5，B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖6，+500～+530 m 水平臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖7。

圖5 5 煤頂板至水位線巖層臺(tái)階整體局部邊坡角與安全系數(shù)關(guān)系

圖6 B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

圖7 +500～+530 m 水平臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

由試算結(jié)果得到的安全系數(shù)在B5 煤頂板至水位線巖層臺(tái)階整體局部邊坡角為40°時(shí)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，故在土方剝離施工中該部分邊坡的局部邊坡角不可大于40°。為B5 煤頂板至+500 m水平臺(tái)階和+500～+530 m 水平臺(tái)階滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階坡面角需不得大于48°，+500～+530 m 水平臺(tái)階水平坡面角不得大于52°。

3.5 水位線至地表臺(tái)階邊坡角

由水位線至地表垂高21 m，采剝時(shí)地表至530 m 水平標(biāo)高形成1 個(gè)臺(tái)階，該臺(tái)階試算過程從48°開始至52°結(jié)束，水位線至地表臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系如圖8。

圖8 水位線至地表臺(tái)階不同坡面角與安全系數(shù)關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果得出，由水位線至地表的臺(tái)階符合安全儲(chǔ)備系數(shù)要求的坡面角最大為50°。

5 結(jié)語

1）北幫整體最終邊坡角為28°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.2，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）為保證邊坡局部都處于穩(wěn)定狀態(tài)，B1 煤層臺(tái)階坡面角不得大于65°；B1～B5 巖層臺(tái)階坡面角不得大于47°；B5 煤層臺(tái)階坡面角不得大于60°；B5 煤頂板至+500 m 水平臺(tái)階坡面角需不得大于48°；+500～+530 m 水平臺(tái)階坡面角不得大于52°；由水位線至地表的臺(tái)階坡面角不得大于50°。