露天煤礦終了邊坡穩定性分析

馬育紅

（山西煤炭運銷集團陽泉有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

據資料統計顯示，我國露天煤礦數量較多，開采過程中交通條件便利，且具有開采安全系數高、大型機械作業化程度高、輔助設備利用率高等眾多優點。但隨著煤層的開采，煤礦的深度逐漸加深，破會了周邊巖石的力學平衡性，形成地裂縫、局部塌陷等情況，邊坡也越來越高，同時，礦區植被破壞，巖石裸露，地表蓄水能力差，水土流失嚴重，導致泥石流、巖體崩塌、滑坡等地質災害頻發，邊坡的安全隱患也越來越多，影響了礦區正常的生產。故為了安全的生產，研究邊坡的穩定性具有重大的意義[1-2]。

1 大峰礦區概況

大峰煤礦位于石嘴山市賀蘭山腹地，地勢皺褶，平均海拔+1823.8 m～+2118.4 m，南北寬為2.94 km，東西長為1.59 km，總可采面子為4.68 km，距離市區僅30 km，附近有高速、國道、鐵路和民航，交通較為便利。礦區動、植物較少，小灌木居多。

因大峰礦海波較高，坡度大，地勢皺褶且溝谷較多，故年降雨量僅有少量滲透到地下，地表下含水量較低。礦井為東緩西陡南端抬起的盆地結構，在向礦區西翼發現有次生褶曲發育，其構造為次級褶皺和斷層[3-4]，礦區地貌如圖1 所示。

圖1 礦區地貌狀況圖

1.1 礦區地質情況

根據大峰礦區內的勘探資料顯示，礦區內巖體的工程地質可分為三大巖類、六大巖體，如表1 所示。

表1 礦質分類表

1.2 可采煤層的巖石的物理力學特征

1）巖石的化學特性，為了了解可采層的巖石的地質情況，對區域采集巖石樣品，對樣品進行物理、力學性質的分析，由試驗結果得知了巖石真密度的平均值為2.78g/cm3、巖石含水量為0.14%～1.59%、巖石孔隙率5.31%～9.31%、巖石軟化系數0.29～0.49。

2）巖石的力學特性，依據實驗結果，巖石的變形模量、彈性模量、泊松比如表2 所示，由表2 可知，各力學特性的平均值分別為2.314×104MPa、2.53×104MPa、0.152，力學特性值均偏低，表明巖石層易于變形，開采的過程中應加強防護[5]。

表2 巖石力學性能

1.3 區域水文地質條件

礦區地勢較高，皺褶發育，雨水大多數沿溝壑匯總于大峰溝，僅有少量雨水滲漏到井田。根據礦區鉆孔勘探結果表明，平均最深水位為136.99m，附近3#、5#、7# 煤組的底板深度分別為 173.75m、193.58m、237.56m，故在開采過后成中，井田的涌水量較低，據近年來統計資料顯示，最大涌水量為11.7m3/h，平均涌水量為8.3m3/h。

隨著煤礦的開采，礦區將會形成凹陷的露天狀態，降雨后雨水不易排出會聚集在礦區，故為減少聚水量，需增設防洪堤和排水管道，排出多余的積水。

2 大峰邊坡穩定性分析

邊坡的穩定性的主要衡量制指標為安全系數、經濟效益、剝采比等，綜合眾多影響因素得出邊坡穩定的允許安全系數，當理論安全系數小于允許安全系數時，邊坡存在安全隱患，當理論安全系數大于允許系數時，邊坡理論比較安全。

依據《巖土工程勘察規劃》手冊，大峰礦屬于重要工程，允許安全系數為1.3～1.5，本文結合大峰礦實際情況，取安全系數為k0=1.3。根據大峰礦實際生產情況，建立邊坡的受力簡圖，如圖2 所示。

圖2 邊坡受力分析圖

根據平面滑動性理論，邊坡穩定系數k 為抗滑力R 與下滑力 S 之比，如式（1）：

式中：c 為巖體的內聚力，MPa；φ 為巖體的內摩擦角，°；θ 為坡面傾角，°；L 為滑面長度，m；G 為巖體的質量，kg；

其中巖體的質量G 為：

式中：γ 為巖體的容重，kg；h 為邊坡切層高度，m；α 為開挖坡角，°。

將巖體的質量G 帶入安全系數k 的公式中化簡得：

由公式（3）可知，除了巖體本身的內聚力c、內摩擦角φ、巖體的容重γ 等外，影響非工作幫終了邊穩定性系數的人為因素只有臺階高度h 和坡面傾角θ。

圖3 安全系數—高度的變化情況

當坡面角θ 一定，安全系數隨臺階面高度的變化曲線如圖3 所示，安全系數隨著臺階面高度逐漸減小，當臺階面高度為15m時，安全系數為1.31 大于允許安全系數1.3；當臺階面高度不變，安全系數隨著坡面傾角θ 的變化情況如圖4 所示，安全系數隨著坡面角的增大而減小，當坡面傾角為71.3°時，k=k0=1.3。

圖4 安全系數—臺階面傾角變化情況

3 大峰礦終了邊坡穩定性數值模擬分析

3.1 大峰煤礦終了邊坡特征

大峰礦邊坡主要分為工作幫邊坡、端幫邊坡和非工作幫邊坡，因工作幫和端幫邊坡角較小且邊坡穩定性較好，故本文主要以非工作幫邊坡為研究對象，其終了邊臺階面坡面角為70°，煤層傾角24°，巖砂傾角為45°，簡圖如圖5 所示。

圖5 非工作幫邊坡簡圖

3.2 邊坡三維模型的建立

圖6 邊坡巖層鉆孔柱狀圖

根據地質資料和現場實況勘測，邊坡主要由粉砂巖、煤、粗粒砂巖等組成，如圖6 所示，利用Midas- Gts 建立相應的邊坡三維模型，以邊坡位移和應力作為研究參數，來評價邊坡的穩定性。非工作幫邊坡高約96m，雖然沒有結構斷層，但有兩個煤層夾在其中且傾角一致，煤層的平均厚度為3m，上層為粉砂巖，下層為粗粒砂巖，以煤層橫截面做網格劃分，如圖7 所示。

圖7 非工作幫邊坡模型

3.3 邊坡模型的模擬分析

設置各參數值，通過軟件模型分析，得到了非工作幫邊坡的主應力圖，如圖8 所示，得到X 向最大下滑力為 0.43MPa，Y 向最大下滑力為 0.35MPa，Z 向下滑力為0.35MPa，由8 圖可知，因兩層傾斜煤層的存在，在煤層傾斜方向上，相對于層理面，終了面呈明顯下滑趨勢。

圖8 非工作邊坡總應力云圖

4 結 論

本文通過建立非工作邊坡的受力模型、三維模型，忽略其他次要因素，得出了影響邊坡穩定性系數的人為因素為臺階高度h 和坡面傾角θ，為了提高露天煤礦的更安全的開采，提出以下幾點建議：

1）在煤礦的開采過程中，盡量減小邊坡負載和邊坡角。

2）當開采過程中，若發現有裂隙發育或出現裂隙時，因盡快削坡，減小邊坡角，降低邊坡下滑力。

3）為了保護邊坡周邊巖體的強度，盡量采用預爆破。

4）針對坡面傾角較大的區域，適當布置錨桿或錨索，增大巖體間的摩擦力和抗滑力，提高邊坡的安全系數。