河曲舊縣露天煤礦增產后邊坡設計

劉志強

（山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 況

露天煤礦產能的釋放對促進當地經濟社會發展及國民經濟健康穩定發展都具有重要意義，在保證安全生產的前提下，不影響礦山正常生產，對露天礦進行擴建十分重要。河曲露天煤礦原設計8 Mt/a，為了符合當前的需求，需要將產能增加2 Mt/a，達到10 Mt/a。為了保證安全，需要對增產后的采掘場邊坡和內排土場的穩定性進行重新計算。

2 采掘場邊坡穩定計算

2.1 計算方法

河曲露天煤礦采掘場幫坡地層的構成主要為馬蘭組黃土、第三系砂土、砂質泥巖、砂巖、泥巖和煤等的混合型邊坡，邊坡上部大部分為第四系覆蓋，井田東北部發育2 條正斷層，傾角均大于70°，2 個背斜和2 個向斜，傾角均小于8°，通過分析可知，其對礦山邊坡穩定性影響較小，但隨著礦山的開采，在斷層處不排除發生小的片幫滑落可能。總的來說，河曲露天煤礦邊坡屬于中—軟巖類邊坡，認為該礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡或圓弧直線型滑坡。根據地質報告，該礦地層內含水量較小、富水性弱，雖具微承壓性，但可采取水平放水孔，放水降壓解除地下水對邊坡的作用力。

根據上述分析，采用摩根斯坦—普瑞斯法(Morgenstern-Price)對采掘場邊坡進行穩定性分析。摩根斯坦—普瑞斯法是對Janbu 法的更精確表達，主要是考慮了全部平衡和邊界條件，使計算誤差更小。在利用該方法進行計算時，將邊坡劃分為n 個條塊，取第i 條塊為隔離體，如圖1 所示。

圖1 條塊受力分析

式中：Fs為邊坡的穩定系數；Wi為自重，kN；KC為地震影響系數；li為滑塊底部的長度，m；Ti為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的滑力，kN；Ri為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的剪力，kN；Ui為孔隙壓力，MPa；αi為方位角，°。

2.2 計算數據選取

目前河曲露天礦首采區采掘場深度為908～1 028 m，形成了完整的11 個采剝臺階，其中主采煤臺階1 個，煤巖組合臺階4 個，土、巖剝離臺階6 個，臺階高度12 m，整體坂坡角9.6°；東側端幫形成944～1 064 m 共11 個臺階，臺階高度12 m，幫坡角33°，工作幫及東側端幫均未發生過滑坡。

采場邊坡穩定取決于巖體強度，巖體強度與巖塊強度和節理密度有關。根據以上分析情況可知，地質報告中的巖石物理力學性質參數不足，需要根據現有的《山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司煤礦生產地質報告》 《工程巖體分級標準》 及設計經驗[4-6]選取巖石力學參數，具體見表1。

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters

在計算時，巖塊的抗剪強度要大于巖體的抗剪強度，需要進行折減。折減大小取決于折減系數。折減系數與巖體中的結構面有關，結構面從大到小依次為斷層、節理、裂隙。需要折減的參數主要是黏聚力和內摩擦角。巖層和煤層的黏聚力折剪系數的取值為：對于長期暴露的巖體，且經歷了3 a 以上的劣化效應，折減系數取為0.045；對于剛剛揭露的工作幫臺階，裸露時間小于半年，折減系數取為0.2。

2.3 邊坡穩定系數

河曲露天礦開采境界劃分為5 個采區，其中首采區、二采區、五采區邊界相連，形成一個連續大范圍開采境界；三采區、四采區受煤層賦存影響，為獨立采區。結合露天礦開采現狀及采區劃分，選取了9 個邊坡剖面進行穩定性分析。剖面位置如圖2 所示。

圖2 邊坡剖面位置示意Fig.2 Position of slope section

原設計露天礦采掘場各終幫邊坡角34°，露天礦現狀揭露邊坡工程地質無重大變化，此次設計擬按原設計執行，并結合新的開采境界圈定結果，對設計的終幫邊坡進行穩定性分析，按上述研究，計算各個邊坡的穩定系數。

剖面1 位于首采區東幫邊坡最高處，邊坡高110.3 m，設計邊坡角34°，經計算，邊坡穩定性系數1.248。剖面2 位于二采區北幫邊坡最高處，邊坡高84 m，設計邊坡角34°，經計算，邊坡穩定性系數1.213。剖面3 位于五采區西幫邊坡最高處，邊坡高92.6 m，設計邊坡角34°，經計算，邊坡穩定性系數1.220。剖面4 位于二采區西幫邊坡最高處，邊坡高124.4m，設計邊坡角34°，經計算，邊坡穩定性系數1.110。

剖面5 位于二采區東幫，該位置與首采區排土場邊坡形成復合邊坡。下部原始土巖邊坡高40.3 m，設計邊坡角34°；上部棄土邊坡高113.3 m，邊坡角16°；剖面5 處邊坡總高153.6 m，邊坡角17°。經計算，邊坡穩定性系數1.346，滑面位于下部采剝邊坡段，復核邊坡整體穩定性系數2.076。

剖面6 位于現狀采坑南幫，邊坡高139.0 m，現狀邊坡角33°，經計算，最不利滑面穩定性系數1.011，位于邊坡下部，局部邊坡角47°，整體邊坡穩定系數1.209。

剖面7 位于三采區終幫最高處（北幫），終幫北側為既有外排土場，邊坡高142.1 m，設計采剝終幫邊坡角33°，上部排土臺階按設計排土終幫考慮。經計算，最不利滑面穩定性系數1.182，位于邊坡下部采剝邊坡，整體邊坡穩定系數1.395。

剖面8 位于四采區終幫最高處（西南），邊坡高142.1 m，設計采剝終幫邊坡角33°，經計算，邊坡穩定性系數1.279。

根據 《煤炭工業露天礦設計規范》（GB50197-2015）6.0.8 條，采掘場邊坡服務年限小于10 a，邊坡穩定系數1.1～1.2。剖面6 處現狀采掘場端幫下部較陡，邊坡穩定系數小于1.1，不滿足安全要求，應盡快內排壓幫。其他各幫安全系數均滿足規范要求，因此，此次設計露天礦終幫各邊坡角度為34°。

剖面9 位于選煤廠東部內排土場邊坡，邊坡高129 m，邊坡角19°，經計算，邊坡穩定性系數1.286。結合露天礦的工程地質條件和周邊礦區的實際情況，第四系坡面角確定為65°，巖石臺階和煤臺階坡面角確定為70°。

3 排土場邊坡穩定分析

在露天礦增產后，每年的排土量會增加，這在一定程度上會影響排土場的穩定性。為了保證生產的安全性，需要對排土場的邊坡穩定進行重新分析。根據地質報告的試驗資料、露天礦的實際經驗以及相似露天礦經驗數據，首采區邊坡穩定計算采用的排土場排棄物料參數，其內摩擦角為21°，凝聚力為20 kPa。物料容重為1.88 t/m3。

現排土場最大排棄高度209 m（剖面1），邊坡角19°，經計算，安全系數為1.234。既有選煤廠東側邊坡排棄高度128 m（剖面2），邊坡角19°，經計算安全系數1.286，剖面位置如圖3 所示。

圖3 現排土場剖面位置示意Fig.3 Section position of the current dump site

在增產后，內排土場最大排棄標高1 076 m，最大內排高度191 m，工作幫坡角19°，經計算，安全系數1.257，剖面位置如圖4 所示。

圖4 內排土場（191 m）剖面位置示意Fig.4 Location of the inner dump(191 m)profile is illustrated

根據《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》(GB51289-2018)，內排土場服務年限小于10 a，穩定系數不小于1.2，露天礦內排工作幫屬于穩定邊坡，排土場現狀邊坡及達產年內排邊坡均屬于穩定邊坡。

內排壓幫可以將剝離土巖堆積在滑體下部抗滑部分，可增大抗滑力，控制邊坡穩定性，同時減小剝離運距。因此應加快工程推進速度盡量減少邊坡暴露時間，確保采剝與排棄同步進行，提高邊坡的穩定性。

4 結語

結合河曲露天礦實際情況，對采掘場邊坡和內排土場的穩定進行重新計算。計算結果表明，露天礦終幫各邊坡角度為34°，內排土場的角度為19°，可以滿足安全生產的需要。考慮到生產過程中一些不確定因素的影響，還應該做好邊坡穩定的監，測防止滑坡。