大煤溝露天煤礦邊坡穩定性分析及防治

趙海峰

（義煤集團青海義海能源有限責任公司大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

0 引 言

露天礦山開采過程中，由于采場和排土場邊坡容易受巖土性質、氣候變化、地形、水文地質及礦山開采等多種因素的綜合影響[1]，極易發生邊坡失穩滑坡造成安全事故，嚴重影響礦山安全高效開采，特別是對深凹露天礦山安全生產影響最為突出[2]。如何提高礦山邊坡穩定性，避免滑坡等安全事故發生，是露天礦山開采必須提前考慮的問題?；诖耍Y合青海義海能源有限責任公司大煤溝煤礦實際情況，對邊坡穩定性進行分析并根據分析結果提出邊坡防治措施和合理化建議，為礦山邊坡治理提供科學依據。

1 工程概況

青海義海能源有限責任公司大煤溝煤礦位于青海省海西州柴達木盆地北緣東部，開采方式采用的為露天-井工聯合開采方式，露天開采對象為以往淺部斜井開采形成的采空區中的殘煤，設計生產能力30 萬t/a。露天采場位于井田東部，地勢整體呈東北高西南低，東北部為高山區，海拔在3 800 m 以上，原始地形坡度25°～40°；西南部地勢相對較緩，屬山前沖洪積地貌，海拔約3 510 m，原始地形坡度18°～24°。露天采場現已開采至3 465 m，到界幫坡角24°～30°，未到界幫坡角15°～23°，最大邊坡高度約240 m，該礦山露天采場具有典型的深凹露天礦山特征。礦山露天開采過程中揭露的邊坡地層巖性主要有：第四系沖洪積層；古近系砂巖及礫巖；侏羅系砂巖、泥巖及煤巖，其坡體巖石強度較低，局部裂隙發育，隨著開采深度及到界臺階數量的增加，露天采場邊坡變陡，其穩定性也隨之降低。

2 邊坡穩定性分析與評價方法及依據

2.1 穩定性分析與評價方法

為便于對邊坡穩定性分析提供所需的基本參數及評價依據，根據大煤溝煤礦礦山地質特征及現場實際情況，將工程地質條件與特性大體相同的地段歸類區劃為一些獨立的場地單元或系統，將采場邊坡工程地質分區劃分為I 區、II 區和III 區，共計3個分區。

邊坡穩定性計算方法可分為極限平衡法、有限元及邊界元法以及可靠性分析方法[3]。極限平衡法因其計算模型簡單、計算方法簡便，計算結果能滿足工程需要等優點，被認為是邊坡工程分析與設計中最主要的且最有效的實用分析方法[4]。根據《露天煤礦邊坡穩定性年度評價技術規范》規定，邊坡穩定性分析應以剛體極限平衡方法為基本方法，并應根據可能發生的滑坡破壞模式選擇合適的方法，對邊坡同一位置穩定性系數至少采用2 種以上方法計算獲得，并進行對比和驗證。對于土質邊坡和強度極地的巖層、散體結構或碎裂結構的巖質邊坡，當滑動面為圓弧時，宜采用簡化畢肖普法和摩根斯頓-普賴斯法；對于可能巖基巖面、原地面、層面、裂隙面、斷層面或軟弱結構面發生滑動的邊坡，當滑動面為平面或折線型時，宜采用摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法[5-7]。

此次穩定性評價，通過對采場優勢結構面統計，發現采場邊坡各分區巖體結構面間距0.24～0.32 m，巖體呈碎裂結構，且坡體無滑坡楔形體。Ⅰ區巖層傾向與坡向相同，其可能的滑動面形式為沿巖層面的折線滑動，穩定性系數計算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法；Ⅱ區巖層傾向與邊坡相反，其可能的滑動面形式為圓弧，穩定性系數計算選擇簡化畢肖普法及摩根斯頓-普賴斯法；Ⅲ區為外排土場邊坡，剝離物內摩擦角接近零，其可能的滑動面形式為直線滑動，穩定性系數計算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法。

2.2 穩定性評價依據

邊坡穩定分析評價主要依據《煤礦安全規程》（2016 版）、《露天煤礦邊坡穩定性年度評價技術規范》（GB/T37573-2019）及《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》（GB51289-2018），規范根據邊坡及地質條件復雜程度對邊坡工程安全等級進行了劃分，并對采掘場及排土場邊坡安全系數做了規定，詳見表1-表 3。

表1 采掘場邊坡工程安全等級劃分

表2 排土場邊坡工程安全等級劃分

表3 邊坡穩定安全系數限值

大煤溝煤礦采掘場設計最終邊坡最大高度240 m，邊坡工程地質條件中等復雜，采掘場邊坡工程安全等級為二級；外排土場最終邊坡高度約100 m，基底地質條件復雜程度中等，外排土場邊坡工程安全等級為二級。

3 邊坡穩定性分析

3.1 自重+ 地下水組合條件（工況Ⅰ）邊坡穩定性分析

3.1.1 Ⅰ區邊坡穩定性分析

由于Ⅰ區巖層傾向與邊坡傾向相同，可能的滑動面形式為沿巖層面的折線滑動，穩定性系數計算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法，現狀條件下邊坡穩定性分析計算見圖1，年度計劃邊坡穩定性分析計算見圖2。

圖1 工況I 條件下1-1 剖面（現狀）穩定性分析計算圖

圖2 工況I 條件下1-1 剖面（年度計劃）穩定性分析計算圖

3.1.2 II 區邊坡穩定性分析

由于Ⅱ區巖層傾向與邊坡傾向相反，可能的滑動面形式為圓弧，穩定性系數計算選擇簡化畢肖普法和摩根斯頓-普賴斯法，現狀條件下邊坡穩定性分析計算見圖3，年度計劃邊坡穩定性分析計算見圖4。

圖3 工況I 條件下2-1 剖面（現狀）穩定性分析計算圖

圖4 工況I 條件下2-1 剖面（年度計劃）穩定性分析計算圖

3.1.3 Ⅲ區邊坡穩定性分析

由于Ⅲ區為外排土場邊坡，剝離物內摩擦角接近零，其可能的滑動面形式為直線滑動，穩定性系數計算選擇摩根斯頓-普賴斯法和斯賓塞法。現狀條件下邊坡穩定性分析計算見圖5，年度計劃邊坡穩定性分析計算見圖6。

圖5 工況I 條件下3-1 剖面（現狀）穩定性分析計算圖

圖6 工況I 條件下3-1 剖面（年度計劃）穩定性分析計算圖

綜上經計算，Ⅰ-Ⅲ區各剖面穩定性系數見表4。從計算結果可知Ⅰ區摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法所得穩定系數最大差值為0.010，結果相近，本次評價取斯賓塞法計算結果；II 區摩根斯頓- 普賴斯法及斯賓塞法所得穩定系數最大差值為0.025，結果相近，本次評價取簡化畢紹普計算結果;Ⅲ區摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法系數最大差值為0.015，結果相近，本次評價取斯賓塞法計算結果。

表4 Ⅰ～Ⅲ區各剖面穩定性表（工況Ⅰ）

3.2 自重+ 地下水+ 爆破作用力組合條件（工況Ⅱ）邊坡穩定性分析

3.2.1 Ⅰ區邊坡穩定性分析

Ⅰ區1-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力組合條件下（工況Ⅱ）現狀穩定性系數計算見圖7，年度計劃邊坡穩定性分析計算見圖8。

圖7 工況Ⅱ條件下1-1 剖面（現狀）穩定性分析計算圖

圖8 工況Ⅱ條件下1-1 剖面（年度計劃）穩定性分析計算圖

3.2.2 II 區邊坡穩定性分析

Ⅱ區2-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力組合條件下（工況Ⅱ）現狀條件下邊坡穩定性分析計算見圖9，年度計劃邊坡穩定性分析計算見圖10。

圖9 工況Ⅱ條件下2-1 剖面（現狀）穩定性分析計算圖

圖10 工況Ⅱ條件下2-1 剖面（年度計劃）穩定性分析計算圖

3.2.3 Ⅲ區邊坡穩定性分析

由于Ⅲ區為外排土場，距采場爆破點最小距離約120 m，爆破振動力破壞半徑約80 m，爆破振動力對外排土場影響較小，本次分析不考慮外排土場在自重+地下水+爆破振動力下的穩定性。

綜上經計算，Ⅰ～Ⅲ區各剖面穩定性系數見表4。從計算結果可知Ⅰ區摩根斯頓-普賴斯法及斯賓塞法所得穩定系數最大差值為0.022，結果相近，本次評價取斯賓塞法計算結果；II 區摩根斯頓- 普賴斯法及斯賓塞法所得穩定系數最大差值為0.011，結果相近，本次評價取簡化畢紹普計算結果。

表5 Ⅰ-Ⅲ區各剖面穩定性表（工況Ⅱ）

根據上述計算分析，在工況I 條件下，采場Ⅰ區上部大部為到界臺階，按永久邊坡考慮；Ⅱ區大部分臺階均為到界，按臨時邊坡考慮；Ⅲ區外排土場邊坡，其中3-1 剖面處為永久邊坡，3-2 處剖面為臨時邊坡。爆破震動力為瞬時作用，根據《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》（GB51289-2018），工況Ⅱ條件下現狀及年度計劃各區邊坡均處于基本穩定狀態。

4 防治措施

1）通過計算可知，爆破振動力對于邊坡穩定的影響較大，后期靠幫爆破時，必須采用控制爆破方法，降低靠幫邊坡質點振動速度，使其控制在0.24 m/s 以內。

2）隨著開采深度的增加及到界臺階的增多，邊坡穩定的可靠程度將隨之降低，后期生產須嚴格按照年度計劃控制幫坡角；同時，須根據降段速度及揭露巖層工程地質特征，對邊坡進行動態監測及分析，確保礦山安全。

3）雨季做好地表防排水工作，對采場周邊容易積水地段進行疏導，防止地表水聚集，引發滑坡。

4）外排土場及Ⅱ區范圍內存在井工開采形成的采空區。由于采空區冒落帶高度為14 m，處于露天采坑最低標高3 450 m 以下，故露天邊坡受冒落帶直接影響較小，邊坡整體沉陷及垮塌的可能性較低，但受裂隙帶及彎曲下沉帶巖層變形影響，外排土場及Ⅱ區邊坡可能存在局部失穩的可能性，生產過程中須加強變形監測，防止邊坡因采空區垮塌而失穩，引發生產安全事故；同時，礦山須嚴格按設計要求留設采空區隔離煤巖柱，嚴禁降低設計坑底標高。

5）本礦砂巖及泥巖吸水軟化程度較高，其力學性質受水的影響較大，生產過程中須加強坑內排水，減輕坑內積水對巖石的軟化作用。

5 結 論

1）根據大煤溝煤礦現場工程地質調查資料及巖石、結構面物理力學參數，確定邊坡巖體的工程級別，其中采掘場設計最終邊坡最大高度240 m，邊坡工程地質條件中等復雜，采掘場邊坡工程安全等級為二級；外排土場最終邊坡高度約100 m，基底地質條件復雜程度中等，外排土場邊坡工程安全等級為二級。

2）根據工程地質分區，對各區段代表性剖面采用極限平衡法對現狀及年度計劃條件下的邊坡進行穩定性分析，得出邊坡穩定系數，并根據穩定性分析結果提出邊坡防治措施及建議。