露天礦端幫邊坡形態優化

黃浩軒

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

邊坡穩定性與露天礦的安全生產息息相關。近年來，隨著露天礦產量和規模的不斷擴大，露天礦端幫不斷加高加陡，隨之而來的邊坡穩定性問題也日漸凸顯[1]。露天礦端幫邊坡穩定性問題及防治措施逐漸成為眾多學者關注的焦點，如曹蘭柱[2]等對勝利西二露天煤礦西端幫逆傾軟巖邊坡工程，采用剛體極限平衡軟件和數值模擬軟件FLAC3D相結合的方法，通過不斷調整邊坡參數，研究分析了不同留設煤柱長度到界邊坡滑移模式及穩定性變化規律，優化設計了勝利西二露天煤礦西端幫最終邊坡形態；王東[3]等針對黑山露天煤礦底幫上賦存大量穩定性極差的燒變巖且含Y 字形弱層的邊坡失穩與破壞問題，采用剛體極限平衡法從二維角度確定了底幫邊坡的形態參數，研究了含Y 字形弱層順傾層狀邊坡留煤柱和不留煤柱的2 種設計方案；劉震[4]以河曲露天礦為工程背景，采用Geo-studio 邊坡穩定性計算軟件對其2018—2020 年端幫邊坡穩定性進行了計算，并根據計算結果對其端幫運輸道路進行了優化設計，并提出相應加固措施；王東[5]等為解決三道嶺露天礦西采區南幫逆傾軟巖邊坡滑坡規模大、治理困難的問題，基于已有監測數據，明確了最危險滑坡區域范圍，通過滑坡變形反分析，確定了巖土體物理力學參數，基于極限平衡法及數值模擬方法，研究了不同壓幫高度條件下邊坡穩定性變化規律，提出了逆傾軟巖邊坡變形治理措施，根據壓幫后監測數據，對南幫邊坡治理效果進行了評價；陳爽[6]等以順興露天礦西幫為工程背景，研究分析了拉裂縫發育程度對邊坡穩定性的影響規律，提出了錨索加固結合掛網噴漿防護的治理措施建議，防止裂隙繼續向下部巖層延伸擴展，并建議在端幫上裂隙的控制區域進行GPS 監測；陳亞飛[7]等以國內某露天煤礦為依托進行邊坡穩定性研究，通過現場測試與室內巖土物理力學性質試驗，獲得某露天礦南端幫巖土物理力學性質參數，結合滑坡反分析方法，確定邊坡穩定性評價指標，通過建立工程地質模型，利用極限平衡法分析南端幫邊坡穩定情況，并提出邊坡變形破壞綜合治理措施。

1 礦山概況

寶日希勒露天礦位于海拉爾河以北，莫勒格爾河東南的楔型地帶。礦區內無河流湖泊等水資源組聚積的區域存在，區外僅有少量濕地。露天礦開采境界南部以南7 km 處有海拉爾河，開采境界西北處3 km 有莫勒格爾河。該區地層第四系廣泛覆蓋，區內發育地層由老至新為顏家溝群、龍江組、甘河組、南屯組、大磨拐河組、第四系。主要可采煤層3 層，平均厚度22.11 m，資源儲量39 188 萬t。

露天礦現場人員在巡視過程中，發現東幫地表有長約400 m 的裂縫。整體走向為東北-西南走向，裂隙長度約400 m，裂隙寬度約0～30 cm，在東幫610 平盤處發現多處出水點，結合現場調研與以往資料判斷610 平盤處軟弱夾層是東幫產生裂隙的主要因素。潛在滑坡模式為以該演化弱層為底界面的切層-順層滑動。典型工程地質剖面如圖1。

圖1 典型工程地質剖面

2 巖體物理力學參數反分析

反分析即是基于邊坡在臨滑時處于臨界狀態對參數進行估算的。反分析也稱之為反演，是巖土工程領域尤其是邊坡工程領域確定巖土體及弱層抗剪強度參數的行之有效的方法之一[8]。由于滑體受到自身重力的作用，滑體前緣先滑動生成了動載荷，致使滑體后緣再發生滑動。該方法是通過恢復已破壞邊坡的原始狀態，在分析其變形破壞機理的基礎上，建立極限平衡方程[9]。對于該露天礦參照以往的地質成果與傳統反分析方法，假定弱層黏聚力為0 kPa，弱層的密度為1.9 t/m3；擬定弱層的內摩擦角為φ，不斷折減弱層的內摩擦角，直至當邊坡的整體穩定系數介于0.95～0.96 之間時，此時的弱層的內摩擦角記為φ 弱層。通過參數反分析得出的巖體物理力學參數能夠更好地反應當下的邊坡穩定狀態。分別計算了φ 弱層為10°、9°、8°、7°時的邊坡穩定性，由計算結果可知，當φ 弱層=8°時，邊坡穩定系數為0.953，介于0.95～0.96 之間。最終確定的巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

3 邊坡穩定性

露天礦邊坡變形治理措施共可整理為3 種措施：削坡減載減小下滑力、在坡腳處排棄廢棄物料增加抗滑力；改變邊坡內部各地層巖石強度，使其更為穩定；在適當位置建造支擋物如抗滑樁、擋墻等。由于東幫裂隙較長，發展速度較快，又由于坑底有煤炭資源，故選擇削坡減載的措施進行治理。根據GB 50197—2015《煤炭工業露天礦設計規范》相關規定，東幫服務年限較長，且上部存在運輸道路，選取東幫邊坡的安全儲備系數為1.2。分別計算了東幫地表向東推進50、100、150、200 m 時的邊坡穩定性[10-12]。不同推進距離時的東幫邊坡穩定系數如圖2，推進距離與邊坡穩定系數的關系曲線如圖3。

圖2 不同推進距離時的東幫邊坡穩定系數

圖3 推進距離與邊坡穩定性的關系曲線

通過計算結果可知露天礦東幫邊坡的滑坡模式為以610 平盤處弱層為底界面的切層-順層滑動。通過推進距離與邊坡穩定性的關系曲線圖當東幫地表向東推進的距離逐漸增加時，東幫邊坡的穩定性越來越好，但隨著推進距離增加至一定程度時，邊坡穩定系數增長速度逐漸變緩。當東幫地表向東推進100 m 時，邊坡穩定系數Fs=1.251，滿足安全儲備系數的要求，此時的東幫邊坡形態為最優形態。

4 結語

1）610 平盤處的弱層是影響該露天礦東幫邊坡穩定性的主要因素，潛在滑坡模式為以610 平盤處弱層為底界面的切層-順層滑動。東幫邊坡穩定性隨推進距離增加而更為穩定。

2）對于該露天礦參照以往的地質成果與傳統反分析方法，通過計算不同內摩擦角時的邊坡穩定性，最終確定弱層的黏聚力為0 kPa，密度為1.9 t/m3，內摩擦角為8°。

3）對露天礦東幫邊坡進行了形態優化設計，最終確定當東幫地表向東推進100 m 時，邊坡穩定系數Fs=1.251，滿足安全儲備系數的要求，此時的東幫邊坡形態為最優形態。