多年凍土區(qū)木里露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析★

張宏剛 張衛(wèi)東

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

木里煤田地處青海省西北部，祁連山南麓，屬于青藏高原多年凍土區(qū)一部分，海拔4 000 m～4 200 m之間，年平均氣溫-5.1℃，是青海省最大的煤炭資源分區(qū)之一。高原高寒以及強(qiáng)風(fēng)化等形成了該區(qū)域特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，給木里煤炭資源開發(fā)帶來了極大的困難，尤其對(duì)露天礦邊坡安全運(yùn)營(yíng)有很大影響。為保證露天安全、高效開采，分析研究木里地區(qū)露天礦邊坡穩(wěn)定性對(duì)生產(chǎn)而言具有重要意義。

1 工程概況

木里聚乎更四井田首采區(qū)于2011年正式開始采剝，根據(jù)露天開采設(shè)計(jì)，首采區(qū)服務(wù)年限為12.12年，以下2煤底板為開采深部境界，露天礦非工作幫邊坡設(shè)計(jì)高度為280 m，綜合坡角為31°。針對(duì)如此露天礦高邊坡，僅通過常規(guī)分析給出設(shè)計(jì)，還無法滿足安全生產(chǎn)的需要，因此有必要對(duì)該露天礦邊坡穩(wěn)定性做進(jìn)一步分析研究。

1.1 工程地質(zhì)條件

四井田位于聚乎更礦區(qū)南向斜的西段，東側(cè)以F3斷層為界與一井田相接，西側(cè)以F7斷層與哆嗦公馬井田為界。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向南西的單斜構(gòu)造，淺部較陡25°～40°向深部逐漸變緩5°～20°。首采區(qū)揭露的地層由上至下為:

1)第四系(Q)。

a.第四系土、草甸覆蓋層該層處于地面表層，厚度在0 m～5.22 m左右，全區(qū)分布，0 m～0.5 m被草甸覆蓋且其受季節(jié)性影響較大，冬季會(huì)夾雜大量的冰澤，0.5 m～5.22 m為黑褐色腐殖粘土，稍濕、軟塑，含少量粗砂顆粒，夾有大量草根;

b.第四系砂礫石層顏色為灰白～白灰色，該層厚度在1.5 m～30 m左右。

2)侏羅系(J2)。

a.含煤段。本區(qū)煤巖主要分布中侏羅統(tǒng)木里組(J2m)，木里組有上下兩含煤段。上含煤段存在14層煤，最大深度41.08 m，大部分為不可采煤層，僅上14煤局部可采，煤層厚度0.8 m左右。下含煤段分布3層煤，最大深度156.19 m，分別是下1、下中、下2煤層，均為主可采煤層且較穩(wěn)定。下1煤厚1.06 m～8.17 m、下2煤厚2.63 m～14.77 m，相對(duì)較厚，下中煤厚1.60 m～3.56 m，相對(duì)較薄;

b.砂巖段。巖層為灰白～白灰色砂巖，分布于煤層頂?shù)装澹穸容^大，且全區(qū)分布。下1煤頂?shù)装宸謩e是泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，下中煤頂?shù)装宸謩e是細(xì)砂巖和粉砂巖，下2煤頂?shù)装宸謩e為粉砂質(zhì)泥巖和粗砂巖，巨厚層狀，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)，新鮮巖石完整性一般，局部較破碎。

1.2 凍土分布特征

采用蘭州凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)120 m深孔實(shí)施長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。經(jīng)近2年多長(zhǎng)期觀測(cè)，該地區(qū)季節(jié)性凍土層厚度約5 m～6 m，多年凍土層厚約58 m～60 m。

2 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探取出的巖樣，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)表

2.2 凍土物理力學(xué)性質(zhì)

室內(nèi)凍巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 凍巖室內(nèi)試驗(yàn)成果表

2.3 邊坡計(jì)算所選參數(shù)

根據(jù)巖體力學(xué)計(jì)算相關(guān)理論和以往研究成果［1-4］，結(jié)合本次凍巖室內(nèi)試驗(yàn)，邊坡計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)選用見表3。

表3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)選用表

3 建立邊坡工程地質(zhì)計(jì)算模型

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪成果，分別以下1、下中、下2煤為最弱標(biāo)志地層建立非工作幫邊坡工程地質(zhì)計(jì)算模型。建立的模型如圖1，圖2所示。

圖1 非工作幫穩(wěn)定性計(jì)算模型（FB1剖面）

圖2 非工作幫穩(wěn)定性計(jì)算模型（FB2剖面）

4 計(jì)算分析

在非工作幫邊坡體選取2條典型計(jì)算斷面(FB1，F(xiàn)B2剖面)，邊坡角分別按 26°，28°，30°，32°，33°，34°，35°，36°，8 種工況并按采至下1煤底板、下中煤底板和下2煤底板時(shí)分析。本次邊坡穩(wěn)定性分析采用理正巖質(zhì)邊坡模塊計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4，表5所示。

表4 非工作幫FB1斷面邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

表5 非工作幫FB2斷面邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算成果表

非工作幫第1斷面開挖至下2煤底板158.70 m時(shí)的飽和工況下，穩(wěn)定系數(shù)取1.215，坡角取34°;非工作幫第2斷面開挖至下2煤底板197.27 m時(shí)的飽和工況下，穩(wěn)定系數(shù)取1.255，坡角取34°。

綜合計(jì)算結(jié)果以及該勘查區(qū)的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等特點(diǎn)，對(duì)于非工作幫的綜合邊坡角取34°，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為1.215～1.255，滿足GB 50197-2005煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范6.0.8條的要求。

分析研究認(rèn)為原露天礦邊坡設(shè)計(jì)坡角31°偏保守，本文提出的34°可以滿足露天安全生產(chǎn)，能給礦方帶來一定經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

通過對(duì)木里四井田工程地質(zhì)以及凍土特征初步分析，結(jié)合室內(nèi)巖土力學(xué)試驗(yàn)，選取2條典型計(jì)算斷面分別從8種工況條件對(duì)首采區(qū)露天礦非工作幫邊坡穩(wěn)定性做了分析，結(jié)果表明:認(rèn)為露天礦原邊坡設(shè)計(jì)坡角31°偏保守，本文提出的34°可以滿足露天安全生產(chǎn)，且有利于提高煤炭資源開采量，可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］孫玉科.中國露天礦邊坡穩(wěn)定性分析［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

［3］GB 50218-1994，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］蘭恒星，伍法權(quán).巖土力學(xué)數(shù)值模擬中力學(xué)參數(shù)的確定方法［J］.世界地質(zhì)，2001，20(1):66-71.