露天煤礦外排土場邊坡穩(wěn)定性研究

關(guān) 偉

（山西忻州神達朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

礦產(chǎn)資源是大自然給予人類的寶貴財富，我國各礦石資源儲量巨大，其開采關(guān)乎到國民經(jīng)濟的發(fā)展以及國家安全，是國家發(fā)展的基礎(chǔ)保障[1-2]。我國露天礦數(shù)量約占全礦礦山總數(shù)的87%，礦產(chǎn)儲量約占全國資源總量的50%。隨著我國露天礦開采的持續(xù)進行，其邊坡高度超過400 m，最高超過600 m，滑坡等邊坡災(zāi)害逐年遞增。近十年內(nèi)，我國露天礦事故占安全事故的15%，位居事故首位[3]，事故統(tǒng)計表見表1?？梢?，露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究至關(guān)重要。有眾多因素制約著露天礦工程地質(zhì)特征，對中軟巖露天礦首采區(qū)采掘場及排土場邊坡穩(wěn)定性進行科學(xué)的評價，提出合理的邊坡治理措施，對不穩(wěn)定的、潛在滑坡問題的邊坡，進行綜合控制，從而改善邊坡的穩(wěn)定性。

露天礦邊坡的邊坡查清邊坡重點部位煤巖產(chǎn)狀、巖性、構(gòu)造等賦存特征，對重點區(qū)域邊坡穩(wěn)定性作出科學(xué)評價。隨著露天礦開采的不斷深入，隨時會有邊坡問題的發(fā)生，特別是中軟巖邊坡。針對不同露天礦的工程地質(zhì)特征，對露天礦開采范圍內(nèi)的邊坡進行有針對性工程地質(zhì)分析，進一步明確各層巖性、厚度，與邊坡穩(wěn)定性有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造的賦存狀態(tài)、分布規(guī)律、接觸關(guān)系及接觸面的特征，分析影響邊坡的工程地質(zhì)因素，評價邊坡穩(wěn)定性，常見的邊坡防治措施方法有：①削邊坡、壓邊坡腳；②加強或維持邊坡巖體的強度；③人工進行邊坡加固。本文對朝凱煤業(yè)露天礦外排土場邊坡穩(wěn)定性進行研究，評價現(xiàn)有邊坡參數(shù)，并對邊坡穩(wěn)定性提出合理化建議。

1 概況

山西忻州神達朝凱煤業(yè)有限公司礦區(qū)位于山西省寧武縣，設(shè)計生產(chǎn)能力為120萬t/a，為露天開采方式。礦區(qū)北部位于薛家洼鄉(xiāng)西溝村，常駐人口約246人，南部位于陽方口鎮(zhèn)薛家洼村、薛家洼鄉(xiāng)麻地溝、鳳凰鎮(zhèn)馮家山村、郭家窯一帶。整合后的礦田地理坐標(biāo)為東經(jīng)：112°22′10″-112°27′03″，北緯：39°01′49″-39°04′37″。整合后礦田以長城為界分為南、北2個區(qū)。首采區(qū)生產(chǎn)原煤120萬t，剝離土石方量1 136.37萬m3，推進寬度725 m，平均工作線長度350 m，最大降深110 m，年度平均剝采比為6.5 m3/t，首采區(qū)內(nèi)、外排土場排土區(qū)域內(nèi)計劃排棄容量1 477.28萬m3。采用露天開采方式，單斗-卡車開采工藝，礦區(qū)位于礦田東南側(cè),正在進行開采，采場邊坡巖性主要為煤層、砂巖、泥巖和第四系沖洪積物等，屬于典型中軟巖邊坡,首采區(qū)西部南側(cè)、北側(cè)區(qū)域最上部到界臺階地表有滑坡區(qū)域,高度約20 m左右。礦田位于云中山脈北端與恒山山脈西南端的交匯部分，為典型的黃土、基巖切割型中山區(qū)地形地貌特征，礦田內(nèi)沖溝發(fā)育，按其排土區(qū)域形態(tài)類型分為侵蝕型地形及堆積型地形，侵蝕型地形占絕對優(yōu)勢。侵蝕地貌地形表現(xiàn)為強烈切割的黃土山地，侵蝕形態(tài)為呈“V”形。堆積地形主要發(fā)育在較大的沖溝底，為沖、洪積物。

2 外排土場特征

該露天礦外排土數(shù)量6個，最高標(biāo)高為180 m，松散度比較低為1.1，整體外排邊坡角度為18°。采區(qū)設(shè)計單臺階高度為20 m，平盤寬度40 m。外排土排棄物料由多種成分組成，其中以第四土系、粉砂巖、中砂巖和泥巖為主，還有少量的廢煤。外排土場位于首采區(qū)采場東北側(cè),排棄物為土巖混合物，采用前裝機進行排棄，排棄時分層排棄，分層壓實，排土排棄最高標(biāo)高為+1 870 m，排土場目前還在進行外排工作，形成排土臺階4個排土工作面向坡頂線方向有反坡，并且坡頂線直線形或弧形。在采掘場東南側(cè)，外排土場南側(cè)修筑了簡易的防洪提及排水溝；在外排土場東側(cè)外砌筑漿砌石擋土墻、道路兩側(cè)修筑了排水渠。通過工程地質(zhì)等工作，為防止基底水進入排棄物內(nèi)部影響邊坡強度，影響邊坡穩(wěn)定性，由排土場基底賦水，人工鋪設(shè)了1.75 m厚的泥巖散料，加強了基底強度以保證邊坡穩(wěn)定性。

3 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

礦區(qū)內(nèi)，巖體呈層狀分布且節(jié)理不發(fā)育，故巖塊的強度參數(shù)是決定巖體強度的主要因素。通過與以往該地區(qū)礦區(qū)的巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)值類比，得出了用于本露天礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析計算的巖土物理力學(xué)的指標(biāo)值，見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)值

4 外排土場邊坡穩(wěn)定影響因素分析

外排土場邊坡穩(wěn)定性影響因素主要由：

1）地下水、大氣降水等導(dǎo)致了排棄物水量增加，使排棄物強度降低，增加了邊坡下滑力[4,5]。

2）堆棄物堆放的高度是影響外排土場邊坡穩(wěn)定性的主要因素。較高的排棄物堆放高度會對基底產(chǎn)生巨大的載荷，使基底容易產(chǎn)生低鼓，與此同時，在地下水的滲透作用下，極易產(chǎn)生地基軟弱滑坡。

3）通過地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)在該排土場內(nèi)，有人工堆砌的泥巖散料，厚度較薄，通過分析可知其抗剪指標(biāo)較小，故位于其上部的巖土層有可能發(fā)生順層滑動[6-8]。

針對礦區(qū)實際條件，綜合分析得出影響首采區(qū)采掘場及排土場邊坡穩(wěn)定性的影響因素：①煤層頂板及底板層；②地下水的用處；③邊坡的坡高角和邊坡角；④巖土體物理力學(xué)的性質(zhì)；⑤排棄場地基底巖土體的物理力學(xué)特性；⑥分析自然因素、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響；⑦對各影響因素進行邊坡穩(wěn)定性評價，確定導(dǎo)致滑坡的形成條件及誘發(fā)原因并分析可能造成的危害；⑧結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造及影響因素分析結(jié)果，判定首采區(qū)采掘場及排土場邊坡的潛在滑坡模式。

5 排棄高度對邊坡穩(wěn)定性的影響

5.1 排棄高度變化對排棄物料的物理性質(zhì)的影響

排棄高度是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素，是因為其對排棄物的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，該影響分為兩部分：①排棄高度的變化改變了固結(jié)特征；②排棄物高度的變化改變了物理力學(xué)性質(zhì)[9，10]。該礦外排場的物料成分包括泥巖、粉砂巖、廢煤、泥質(zhì)粉砂巖等，這些物料形成的散狀物料按不同比例混合排出，具有不同的固結(jié)度，特點是外排土場沉降，且這種沉降不均勻，導(dǎo)致外排土場內(nèi)出現(xiàn)許多沉降裂縫，裂縫的規(guī)模和寬度也不同[11-14]。排棄高度的增加導(dǎo)致了外排土場急速不均勻沉降。進而增加沉降裂縫的寬度和數(shù)量，加速地下水的側(cè)向補給和地表水下滲，邊坡穩(wěn)定性隨之下降[15]。

5.2 排棄高度對邊坡穩(wěn)定性的影響

使用Morgenstern-Price方法、通過GEO-slop軟件，定量計算不同排棄高度對邊坡穩(wěn)定性的影響，計算結(jié)果見圖1。在現(xiàn)有條件下，根據(jù)現(xiàn)有措施可知外排土場的坡面角為18°，單臺階高度為20 m，平盤寬度為40 m，分析不同排棄高度（150～210 m）對整個排土場穩(wěn)定性的影響。

據(jù)圖1可知，在其他影響因素不變的情況下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著處置高度的增加而減小，幅度不大。由于整體坡角影響較小，削弱了高度對邊坡穩(wěn)定性的影響[16]。安全系數(shù)達1.2時的排棄高度為180 m，滿足施工需求，隨著排棄高度的后移，潛在滑動面也后移，增大了滑動體，使滑坡風(fēng)險增加。

圖1 不同排棄高度對邊坡穩(wěn)定性的影響

6 外排土場排棄參數(shù)優(yōu)化

6.1 排土臺階高度

由資料可知，該礦外排土場臺階坡面角度約為22°，通過上述方法計算不同高度（14～32 m）對排土臺階Fs值的影響，計算過程中固定坡度角度。分析圖2可知，當(dāng)排土臺階Fs值滿足1.2時極限排土高度為21 m，有現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，排土場設(shè)計臺階高度為20 m，小于計算極限排土高度，證明設(shè)計滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，故保持原有排土高度20 m不變。采場和排土場邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧型直線型滑面，數(shù)值的模擬和驗算結(jié)果均表明首采區(qū)采掘場及排土場現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的，這對本礦區(qū)的開采生產(chǎn)施工提供了有利條件。但采場東幫邊坡驗算剖面、采場北幫邊坡驗算的剖面和采場南幫邊坡驗算剖面邊坡處于極限平衡狀態(tài)，后期本礦生產(chǎn)時應(yīng)加強具體的邊坡監(jiān)測和做出防護措施等對應(yīng)性方案。

圖2 不同高度對排土臺階Fs值的影響

6.2 極限邊坡角度

邊坡穩(wěn)定性的影響因素可以概括為巖體強度特性的影響因素和巖體應(yīng)力分布的影響因素兩大方面。改變邊坡或影響邊坡巖體應(yīng)力情況和強度特性的因素很多，其中主要有本礦區(qū)的巖性因素、賦存巖體結(jié)構(gòu)、和本地區(qū)的自然因素作用、地震、地下水應(yīng)力、地形地貌特征及人為因素等?？偟膩碚f，露天礦邊坡穩(wěn)定性影響因素可分為自然因素、工程因素及時間效應(yīng)。這對我們本礦區(qū)內(nèi)的開采生產(chǎn)、施工帶來了一系列需要攻克及處理的問題挑戰(zhàn)。針對以上問題并結(jié)合我們礦內(nèi)部所能提供的設(shè)施條件、人工物力等，經(jīng)過研究分析和實踐，采用極限平衡法與有限元對朝凱露天煤礦首采區(qū)采掘場及排土場現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性進行了分析評價，得出了排土場基底基本穩(wěn)定，采場和排土場邊坡潛在的滑坡模式為圓弧型滑面和圓弧型直線型滑面，數(shù)值的模擬和驗算結(jié)果均表明首采區(qū)采掘場及排土場現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的，但采場東幫邊坡驗算剖面、采場北幫邊坡驗算的剖面（和采場南幫邊坡驗算剖面邊坡處于極限平衡狀態(tài)，后期煤礦生產(chǎn)時應(yīng)加強邊坡監(jiān)測和做出防護措施。

根據(jù)現(xiàn)場情況，固定排棄總高度為180 m進行分析計算，獲得不同邊坡角（8°～18°）對排棄邊坡的Fs值的影響結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同邊坡角度對Fs值的影響

由圖可知，邊坡角度越大，排土邊坡Fs越小，在邊坡角度為15°時，滿足排土邊坡Fs值，結(jié)合施工現(xiàn)場具體情況和相關(guān)地質(zhì)條件可得總體邊坡角極限值為15°。

6.3 最終平盤寬度

綜上所述，確定了該礦區(qū)的最佳排土場單臺階高度、臺階坡面角、總體邊坡的極限角度，分別為20 m、22°、15°。通過以上數(shù)據(jù)進行計算，得出最終平盤寬度值，確定該露天礦排土場最終平盤寬度最小約為48 m。

6.4 外排土場排土參數(shù)確定

邊坡設(shè)計參數(shù)也是其穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，邊坡形狀與幾何尺寸大小即邊坡施工斷面的形狀、邊坡的高度、坡角度等均會對邊坡穩(wěn)定性作用起到巨大的影響。邊坡坡角度越大越易失穩(wěn)，邊坡坡角度小則越穩(wěn)定；邊坡高度越大越容易失去穩(wěn)定，邊坡高度越小邊坡越穩(wěn)定。通過計算分析，結(jié)合排土場的水文地質(zhì)情況、氣候條件、排棄物物理力學(xué)性質(zhì)以及采礦條件和排土場運輸及排棄方式等諸多因素，參考集團公司為該礦區(qū)進行的初步設(shè)計和排土規(guī)劃等文件，確定了最終的該礦區(qū)外排土場技術(shù)參數(shù)，見表3。

表3 外排土場技術(shù)參數(shù)

7 結(jié)論

滑坡是影響露天礦邊坡安全生產(chǎn)的重要因素，解決邊坡穩(wěn)定問題迫在眉睫，因此，露天礦邊坡穩(wěn)定性研究與治理是煤礦技術(shù)工作中不可缺少的組成部分。通過上述分析可以得出：通過GEO-slop軟件和Morgenstern-Price方法，評價了該礦區(qū)現(xiàn)有的邊坡參數(shù)。該露天礦區(qū)保持原有排土場單臺階高度20 m，臺階坡面角度保持22°，總邊坡角度需要略微調(diào)整，具體數(shù)值為15°，平盤寬度最小為48 m。對邊坡治理提出了以下建議：

1）提前開展水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)工作，了解制約該礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的各種因素，并且需要每年更新，每年針對邊坡問題提出合理的整治方案，做好施工過程中的各治理工作。

2）滑坡的主要原因是水，包括地表水和地下水。對于地表水，要聯(lián)系礦區(qū)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，在雨季前進行全方位的養(yǎng)護；對于地下水，當(dāng)它有可能破壞穩(wěn)定時，需要進行排水工作，并在內(nèi)外排土和采場建立較為完善的防水排水系統(tǒng)。

3）降低排土場工程推進速度，保證其有足夠的時間固結(jié)，從而增強抗壓強度。具體方法可以采用交替傾倒或多點傾倒來緩解這一矛盾。

4）排土場高度逐漸增加，安全性相應(yīng)降低。高堆砌邊坡更容易發(fā)生山體滑坡等邊坡事故。建議改進坡度檢測系統(tǒng)。目前使用的邊坡檢測系統(tǒng)是GPS邊坡變形自動監(jiān)測系統(tǒng)。雖然利用率高，經(jīng)濟性好，但檢測范圍太窄，利用率比較低，監(jiān)測點少。建議完善現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)，增加監(jiān)測點數(shù)，擴大監(jiān)測范圍，使工程技術(shù)人員及時掌握邊坡變形情況，對可能出現(xiàn)的邊坡失穩(wěn)進行預(yù)警和及時處理，并在最大程度上保障員工生命安全。