將軍戈壁一號露天煤礦北幫邊坡角優化研究

楊國成，孫進步，胡鐵男

（新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100）

露天礦邊坡角的設計，對露天礦的生產安全與經濟效益有著極大的影響。設計的邊坡角過小，將增加剝離工程量，增加生產成本，降低礦山的經濟效益；而設計的邊坡角過大，不能保障邊坡的穩定性，最終導致片幫和滑坡事故的發生，會給人們的生命、財產安全帶來極大的威脅，嚴重地影響礦山的安全生產[1]，因此露天礦邊坡角的優化設計應達到最優狀態，既能保證邊坡的穩定性，又能提升礦山的經濟效益[2]。

在邊坡角優化及邊坡穩定性分析方面，眾多學者開展了相應的理論與實驗方面的研究工作，并取得了大量的研究成果。李巧玲等[3]以白礪灘露天煤礦東幫順層邊坡為研究對象，選取典型剖面進行穩定性分析，根據分析結果對最終邊坡角進行優化；高富強等[4]為探究邊坡角對哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡穩定性的影響程度，采用FLAC/SLOPE 軟件對不同傾角的端幫邊坡進行穩定性分析；馮錦艷等[5]將數學中的二分法理念引入用于邊坡角度的優化設計，給出了邊坡角度的優化設計流程；李云等[6]為保證露天邊坡的安全穩定，提出用有限元與極限平衡綜合分析法分析其穩定性并優化邊坡角。

將軍戈壁一號露天煤礦是新建礦山，為確保邊坡安全，實現滑坡風險預控，避免滑坡災害對礦山生產建設造成損失，維護人民生命財產安全，需對將一礦北幫邊坡角進行研究與優化，尤其是局部邊坡角的確定。

1 礦區地質條件和分析方法

將軍戈壁一號露天煤礦礦田地層主要有第四系松散巖類、侏羅系碎屑巖類。礦田大面積被第四系覆蓋，西部侏羅系石樹溝群地層大面積出露，礦田的北部西山窯組出露區地層遭受不同程度的火燒。第四系松散層為戈壁平原堆積，先期開采地段厚度1.0～19.14 m，平均厚度9.26 m。結構松散、干燥，孔隙度大，屬典型的散體結構；侏羅系淺部風化層，風化深度一般25～30 m，巖石風化后完整程度遭受破壞，成碎塊狀、薄餅狀及短柱狀，近散體結構，風化裂隙較發育，一般巖石結構未發生改變，經風化后巖石力學性質有所降低，略低于新鮮巖石；火燒區集中在礦田的北部，煤層頂底板及圍巖經火燒烘烤，改變了原巖的性質，成為堅硬、破碎、裂隙及孔隙發育的燒變巖。結合工程地質剖面以及鉆孔揭露的地層情況綜合分析，確定本礦區弱層分布情況特征，各煤層頂底板，巖性以泥巖、碳質泥巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、砂礫巖、泥質粉砂巖為主，煤層透水性好，節理裂隙較發育，水滲至頂底板泥質結構易崩解的泥巖中，使其遇水弱化，形成相對薄弱層位。B5 和B3 煤頂底板中的弱層多以碳質泥巖為主、取出的巖芯為灰褐色，手捏易碎，厚度2.46～5.07 m，B1 煤頂底板弱層，多以泥巖為主，遇水易軟化呈散體狀，厚度3.52～5.39 m。

采用極限平衡分析方法對邊坡進行安全評價分析，根據《煤炭工業露天礦設計規范》6.0.8 條確定邊坡穩定性安全系數Fs的選用范圍。

根據目前將一礦建設規劃、地質條件及采礦設計方面掌握的情況分析，將一礦北幫邊坡為非工作幫邊坡，邊坡暴露時間最長不超過10 年，邊坡計算過程中考慮的火燒、富水等情況，安全儲備系數選取時不小于1.20。

2 北幫邊坡整體邊坡角的確定

本次首采區北幫邊坡角度的確定以首采區北幫1－2 剖面作為研究剖面，該剖面上有實際勘探的2個鉆孔，地質資料可靠、準確。該剖面位置地層從上至下主要涉及第四系覆蓋層、砂巖、泥巖、B1 煤、B5煤、炭質泥巖，將B1 煤的底板出露邊界作為坑底界，不斷調整整體邊坡角，進行整體邊坡穩定性分析。利用Morgenstern－Price 法和Bishop 法對整體邊坡角進行試算，整體邊坡角計算從25°逐步加大至35°，增大幅度為1°，對其試算。安全系數與整體邊坡角關系圖如圖1。

圖1 安全系數與整體邊坡角關系圖

采用Morgenstern－Price 法，根據以上結果，邊坡整體角度在28°時，其安全系數Fs=1.210，北幫邊坡安全儲備系數Fs需大于1.2，所以整體邊坡角度應小于等于28°。

3 北幫邊坡局部邊坡角確定

3.1 B1 煤臺階部分邊坡角

B1 煤層處于開采范圍內的巖層層位的最下層，B1 煤層開采后即可實現內排，B1 煤層暴露時間短。根據相鄰的將軍戈壁二號露天煤礦的經驗，對于暴露時間短的煤層臺階，其單臺階坡面角為55°，故將軍戈壁一號露天煤礦的B1 煤層臺階坡面角從50°開始試算，逐步調整加大坡面角至75°，試算過程段高采用全煤層厚度作為段高。B1 煤臺階不同坡面角與安全系數關系如圖2。

圖2 B1 煤臺階不同坡面角與安全系數關系

根據以上計算結果，保證B1 煤層臺階安全系數大于1.2，B1 煤層臺階坡面角不得大于65°方能滿足安全儲備要求。

3.2 B1 頂板至B5 底板巖層臺階邊坡角

B1 煤層頂板至B5 煤層底板間巖層包括炭質泥巖、細砂巖、粗砂巖，其厚度為28 m，在試算過程中將其構成1 個巖層臺階，巖層厚度作為巖層臺階段高。臺階坡面角從45°開始試算，逐步調整加大坡面角至50°，B1 頂板至B5 底板巖層不同坡面角與安全系數關系如圖3。

圖3 B1 頂板至B5 底板巖層不同坡面角與安全系數關系

由計算結果可知，為確保B1～B5 巖層臺階的穩定性復合安全儲備系數的要求，該臺階坡面角不得大于47°。

3.3 B5 煤層臺階邊坡角

B5 煤層處于北幫邊坡中部，巖土體剝離之后，B5 煤臺階暴露時間長，其安全系數適當取大值。B5煤層臺階坡面角從50°開始試算，逐步調整加大坡面角至75°，試算過程段高采用全煤層厚度作為段高。B5 煤層臺階不同坡面角與安全系數關系如圖4。

圖4 B5 煤層臺階不同坡面角與安全系數關系

根據試算結果，為保證B5 煤層臺階的穩定，其安全系數取1.3，則B5 煤層臺階坡面角不大于60°能滿足安全儲備要求。

3.4 B5 煤頂板至水位線巖層臺階邊坡角

根據工程勘探成果，水位線位置位于+530 m，將B5 煤頂板至水位線位置作為劃分臺階時的工況考慮，由于B5 煤頂板至水位線高差為62 m，將其劃分為2 個臺階：B5 煤頂板至+500 m 水平臺階和+500～+530 m 水平臺階。首先進行B5 煤頂板至水位線巖層臺階整體局部邊坡角進行試算，試算過程從35°開始，逐步調整加大坡面角至45°；然后對劃分得到的2 個臺階分別進行計算其坡面角，B5 煤頂板至+500 m 水平臺階坡面角試算過程從45°開始至50°結束，+500～+530 m 水平臺階坡面角試算過程從45°開始至55°結束。B5 煤頂板至水位線巖層臺階整體局部邊坡角與安全系數關系圖5，B5 煤頂板至+500 m 水平臺階不同坡面角與安全系數關系如圖6，+500～+530 m 水平臺階不同坡面角與安全系數關系如圖7。

圖5 5 煤頂板至水位線巖層臺階整體局部邊坡角與安全系數關系

圖6 B5 煤頂板至+500 m 水平臺階不同坡面角與安全系數關系

圖7 +500～+530 m 水平臺階不同坡面角與安全系數關系

由試算結果得到的安全系數在B5 煤頂板至水位線巖層臺階整體局部邊坡角為40°時滿足安全儲備系數的要求，故在土方剝離施工中該部分邊坡的局部邊坡角不可大于40°。為B5 煤頂板至+500 m水平臺階和+500～+530 m 水平臺階滿足安全儲備系數的要求，根據計算結果，B5 煤頂板至+500 m 水平臺階坡面角需不得大于48°，+500～+530 m 水平臺階水平坡面角不得大于52°。

3.5 水位線至地表臺階邊坡角

由水位線至地表垂高21 m，采剝時地表至530 m 水平標高形成1 個臺階，該臺階試算過程從48°開始至52°結束，水位線至地表臺階不同坡面角與安全系數關系如圖8。

圖8 水位線至地表臺階不同坡面角與安全系數關系

由計算結果得出，由水位線至地表的臺階符合安全儲備系數要求的坡面角最大為50°。

5 結語

1）北幫整體最終邊坡角為28°時，邊坡穩定性系數大于1.2，邊坡處于穩定狀態。

2）為保證邊坡局部都處于穩定狀態，B1 煤層臺階坡面角不得大于65°；B1～B5 巖層臺階坡面角不得大于47°；B5 煤層臺階坡面角不得大于60°；B5 煤頂板至+500 m 水平臺階坡面角需不得大于48°；+500～+530 m 水平臺階坡面角不得大于52°；由水位線至地表的臺階坡面角不得大于50°。