白礪灘露天礦二采區燒變巖邊坡穩定性研究

吳 楊 ，梁 冰 ，夏 冬 ，賈淯斐 ，郝 碩

（1.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210）

在露天礦山開采過程中，邊坡穩定是保證礦山安全生產的前提，最終邊坡角選取的合理與否直接關系到礦山的安全和經濟效益[1]。在邊坡穩定性分析與最終邊坡角確定方面，國內外學者做了大量的研究工作[2-11]，為此以白礪灘煤礦二采區北幫和東幫燒變巖邊坡為研究對象，在礦區地質、采礦條件、火燒區分布等信息的基礎上，結合前期獲取的巖體物理力學參數，選取典型剖面，對邊坡的穩定性進行分析，分析結果為最終邊坡角的優化設計提供依據。

1 研究區概況及剖面選取和巖石力學參數

白礪灘煤礦火燒區主要集中在東北部、東南部以及北部地區。礦田內西山窯組火燒基本沒有露出地表，幾乎被第四系覆蓋，主要集中在東北部、北部和東南部，面積約3 km2，并通過鉆探工程進行了驗證。鉆孔中燒變巖多呈磚紅色、紫紅色、紫黑色等，巖石裂隙極發育，質地堅硬。鉆孔中燒變巖構造特征有氣孔構造、燒流構造、層狀構造和角礫狀構造4種，其中層狀構造發育普遍。代表值剖面線主要技術參數見表1。邊坡穩定性分析中所用的巖體物理力學指標見表2。

表1 代表性剖面主要技術參數

2 固定邊坡角時邊坡穩定性分析與評價

根據GB 50197—2005《煤炭工業露天礦設計規范》的要求，非工作幫邊坡安全系數在1.2～1.3之間，矮小邊坡取1.2，高大邊坡取1.3，由于白礫灘邊坡較高，應有較大的安全儲備。根據設計邊坡角36°，對研究區3個邊坡剖面穩定性進行分析，分別計算天然水位和疏干排水時邊坡穩定性。

表2 邊坡巖體物理力學參數

2.1 Ⅰ剖面邊坡穩定性分析

當設計邊坡角為36°時，Ⅰ剖面天然水位下計算模型與計算結果如圖1，由于邊坡高度為249.57 m，邊坡較高，火燒區范圍大，且呈順傾分布，潛在的滑坡面在坡面下形成圓弧-順層滑弧。

圖1 36°邊坡角時Ⅰ剖面天然水位下計算模型與結果

由圖1可見，在天然水位情況下，Ⅰ剖面的最小安全系數為1.043，小于1.1，不滿足規范要求。采用疏干排水措施后，Ⅰ剖面疏干排水措施后的計算模型與計算結果如圖2。

圖2 36°邊坡角時Ⅰ剖面疏干排水后計算模型與結果

由圖2可見，采取疏干排水措施后，Ⅰ剖面的最小安全系數為1.147，基本能滿足規范要求，但因該處邊坡高度較高，為保證邊坡的安全穩定，需采取降低邊坡角的措施來提高邊坡的安全系數，當邊坡角降低到34°時，Ⅰ剖面天然水位下計算模型與計算結果如圖3。

圖3 34°邊坡角時Ⅰ剖面天然水位下計算模型與結果

由圖3可見，邊坡的安全系數為1.129，此時邊坡的安全系數仍較低，當采用疏干排水后，計算得到邊坡的安全系數為1.22，此時，邊坡可保持安全穩定。

2.2 Ⅱ剖面邊坡穩定性分析

設計邊坡角為36°時，Ⅱ剖面天然水位下計算模型與結果如圖4，此處邊坡高度為276.94 m，邊坡順傾，火燒區面積較大，滑坡面與Ⅱ剖面類似。

圖4 36°邊坡角時Ⅱ剖面天然水位下計算模型與結果

由圖4可見，天然水位狀態下，邊坡角為36°時，邊坡的安全系數為1.369，此時邊坡安全穩定，當邊坡角不變，對邊坡進行疏干排水，Ⅱ剖面疏干排水措施后計算模型和計算結果如圖5。

圖5 36°邊坡角時Ⅱ剖面疏干排水后計算模型與結果

由圖5可見，疏干排水狀態下，邊坡的安全系數為1.417，說明邊坡角為36°時，在疏干排水狀態下，邊坡能保持穩定。

2.3 Ⅲ剖面邊坡穩定性分析

設計邊坡角為36°時，Ⅲ剖面天然水位下計算模型與結果如圖6，Ⅲ剖面處邊坡高度為286.62 m，邊坡順傾，火燒區面積較大，滑坡面與Ⅰ剖面類似。

圖6 36°邊坡角時Ⅲ剖面天然水位下計算模型與結果

由圖6可見，天然水位狀態下，邊坡角為36°時，邊坡的安全系數為0.995，安全系數小于1，說明此時邊坡不能保持穩定，存在滑坡風險。當邊坡角不變，采取疏干排水措施，Ⅲ剖面疏干排水措施后計算模型和計算結果如圖7。

圖7 36°邊坡角時Ⅲ剖面疏干排水后計算模型與結果

如圖7，疏干排水后，邊坡的安全系數為1.113，此時安全系數雖大于1，但小于相關規范的要求。通過降低邊坡角的方式可增加邊坡的安全系數，當邊坡角降低到32°時，Ⅲ剖面天然水位下計算模型與計算結果如圖8。

圖8 32°邊坡角時Ⅲ剖面天然水位下計算模型與結果

由圖8可見，天然水位狀態下，邊坡角為32°時，邊坡的安全系數為1.024，達不到相關規范的要求，此時，采取疏干排水措施，32°邊坡角時Ⅲ剖面疏干排水后計算模型與計算結果如圖9。

圖9 32°邊坡角時Ⅲ剖面疏干排水后計算模型與結果

由圖9可見，疏干排水狀態下，邊坡角為32°時，邊坡的安全系數為1.249，此時，邊坡可保持安全穩定。

綜合上述分析可知，疏干排水和放緩邊坡角是提高邊坡安全系數的2種基本措施，邊坡角為36°時，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面、Ⅲ剖面在天然水位狀態下的安全系數分別為1.043、1.369、0.995，在疏干排水狀態下，安全系數分別為1.147、1.417、1.113，在此條件下，Ⅱ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態下均可保持穩定；邊坡角為34°時，Ⅰ剖面在天然水位和疏干排水狀態下的安全系數分別為1.129和1.22，此時邊坡在疏干排水狀態下可保持穩定；邊坡角為32°時，Ⅲ剖面在天然水位和疏干排水狀態下的安全系數分別為1.024和1.249，此時邊坡在疏干排水狀態下可保持穩定。

3 安全系數為1.15時極限邊坡角計算

3.1 安全系數為1.15狀態下邊坡穩定性分析

通過分析礦區的工程地質、水文地質及礦區的氣候條件可知，巖質邊坡為二類一型，屬于易于疏干的簡單邊坡，參照相鄰礦區的設計參數，并結合相關的規范，以安全系數1.15為標準確定邊坡角。在上述計算結果的基礎上，對安全系數在1.2以上的剖面進行了38°邊坡角的計算分析。為了得到安全系數隨邊坡角的變化趨勢曲線，個別剖面進行了數據補充，分別考慮邊坡天然水位狀態下和疏干排水后2種情況進行計算分析，得到邊坡安全系數隨邊坡角變化趨勢（表3）。

表3 不同邊坡角情況邊坡安全系數統計

為了更直觀分析邊坡安全系數變化，繪制了邊坡安全系數Fs隨邊坡角變化趨勢曲線（圖10）。依此可以從理論上判斷安全系數判斷標準為1.15時的最終邊坡角。

3.2 安全系數為1.15狀態下境界邊坡角計算

以邊坡安全系數1.15作為邊坡分析安全標準，分別統計天然水位狀態下和疏干排水之后對應的邊坡角（表4）。

表4 安全系數1.15下的邊坡角

通過以上分析，以邊坡安全系數1.15為安全標準，在疏干排水工程配套到位的情況下，Ⅲ剖面（>280 m）邊坡的邊坡角為 33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面為36°，但要承擔一定的安全風險，只有在疏干排水及其他采礦工藝如內排、工作面推進方式合理布置的情況有可能達到。

4 結語

1）疏干排水和放緩邊坡角是提高邊坡穩定性的2種重要措施，邊坡角為36°時，Ⅱ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態下均可保持穩定；邊坡角為34°時，Ⅰ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態下可保持穩定；邊坡角為32°時，Ⅲ剖面僅在疏干排水狀態下保持穩定。

2）以邊坡安全系數1.15為安全標準，在疏干排水工程配套到位的情況下，Ⅲ剖面的邊坡角為33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面為36°，但要承擔一定的安全風險，只有在疏干排水及其他采礦工藝如內排、工作面推進方式合理布置的情況有可能達到。