黑山露天礦底幫邊坡留煤柱設計分析

劉月亭，呂文偉，張 禹

（國家能源集團準能公司 哈爾烏素露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

邊坡工程一直是露臺礦開采中至關重要的工程[1]。邊坡的空間形態包括了邊坡坡面角、平盤寬度等參數設計，直接決定了地質條件下的邊坡穩定性。邊坡的空間位置則決定了露天礦整體的開采境界，是礦產資源開采經濟性的重要影響因素。巖體中的軟弱夾層是邊坡穩定性的主要影響因素之一[2-3]。對于含軟弱夾層地質特征的邊坡穩定性研究方面，國內外學者做了大量的研究，田宇[5]等人對含有多層軟弱夾層及斷層的到界邊坡提出了斷層影響下上部和下部弱層對邊坡穩定性的控制作用，確定了該種地質情況下邊坡的滑移模式是牽引式；趙汝輝等人分析了不同厚度、賦存深度及多種地質巖性條件下的弱層對邊坡穩定性的影響程度，軟弱夾層厚度、賦存深度和巖性等對邊坡水平位移和安全系數的影響，明確了弱層的黏聚力對邊坡穩定的影響較大；王東[6]等人運用基于連續介質力學的離散元方法進行模擬驗證了含順傾弱層邊坡邊坡穩定性，并計算了弱層暴露長度對穩定性的影響，確定了合理的弱層爆破長度；王珍[7]等人通過分析斷層和軟弱夾層共同控制下邊坡的穩定性，得出斷層不同傾角下邊坡滑移模式的變化及邊坡破壞形態特征。綜合以上學者對含弱層邊坡的就研究結果分析，并未對含分叉型軟弱夾層邊坡的空間形態及位置進行深入研究，為此在考慮分叉軟弱夾層不同的物理力學性質下邊坡穩定性基礎上，結合不同空間位置邊坡之間剝采比的變化確定邊坡空間，為此類邊坡空間形態和位置設計提供了新思路。

1 工程概況及安全系數選取

黑山露天煤礦處于東西走向的1 條山谷之中，礦區西北部高于東南部。由于地處新疆腹地，海拔普遍在2 400～2 900 m。地形特征主要為高山地和丘陵，山地地形處于礦區南面，地形較為復雜平均落差高達170 m。底幫邊坡區域所揭露的地層主要為侏羅系，其巖性主要由燒變巖、砂巖、泥巖、煤構成，火燒區由13－2#煤自燃形成的燒變巖大部分賦存在垂深60～240 m，燒變巖為堅硬、裂隙發育的熔融狀物質。根據地質勘察結果，燒變巖與13－2#煤、燒變巖與下覆巖層、13－2#煤與下覆巖層之間都存在弱層，為典型的含分叉型弱層順傾層狀邊坡。鑒于黑山露天礦首采區非工作幫發生過滑坡事故，又黑山露天煤礦整個底幫邊坡上覆有大量的松散燒變巖且有弱層賦存，故確定其邊坡的安全穩定性系數為1.2。

2 邊坡影響因素和潛在滑坡模式

2.1 邊坡影響因素

通過對黑山露天煤礦底幫邊坡工程地質條件及影響邊坡穩定性的各種因素分析，確定影響底幫順傾層狀邊坡主要因素有以下2 個方面：

1）燒變巖的坡頂荷載效應。黑山露天煤礦底幫所在區域屬于高山地形，并且賦存有大量的燒變巖，其經自然侵蝕造成構造和風化裂隙密集且含有錯綜復雜的結構面，巖體被切割成小塊碎屑與松散土體類似，由以往地質勘探結果推斷大部分賦存在垂深60～240m 左右。一旦開挖形成邊坡，邊坡賦存的大量燒變巖載荷作用非常大，從而增加了邊坡變形失穩的風險。

2）順傾弱層對邊坡穩定性的控制作用。邊坡巖體內含分叉型順傾弱層。弱層主要有泥巖構成，該礦區泥巖主要由砂質泥巖和炭質泥巖2 種組成，砂質泥巖主要表現為棕紅色，個別表現為黃綠色，由高嶺石、蒙脫石經過砂質膠結構成，炭質泥巖主要表現為灰色、紅褐色2 種，主要是泥質結構。泥巖遇水軟化力學強度直接降低并且會長期保持這種狀態。隨著開采規模、范圍的不斷擴大，底幫邊坡巖體內分叉型弱層便會暴露，并且很有可能成為邊坡滑體的底界面，對邊坡穩定性構成了威脅。

2.2 潛在滑坡模式

由于構成分叉型弱層的燒變巖下覆弱層和13－2 煤下覆弱層的相對位置、各自傾角及物理力學指標等的不同，開挖形成邊坡之后的潛在滑坡模式也不盡相同，潛在滑坡模式與弱層賦存情況及弱層物理力學指標息息相關，存在以下3 種情況：

1）滑坡模式1。發生在燒變巖下覆弱層與13－2#煤層下覆弱層傾角相近且前者的物理力學強度弱于后者的情況下，邊坡上部發生以圓弧為側界面，沿燒變巖下覆弱層為底界面的切層－順層滑動。

2）滑坡模式2。易發生在燒變巖下覆弱層在深部與邊坡臨空面呈逆傾狀態時，邊坡整體發生圓弧為側界面，以燒變巖下覆弱層及13－2#煤層下覆弱層為底界面的切層－順層滑動。

3）滑坡模式3。主要發生在燒變巖下覆弱層在深部與邊坡臨空面呈逆傾角度較大且13－2#煤層下覆弱層傾角較大時，邊坡局部發生以圓弧為側界面，以13－2 煤層下覆弱層為底界面的切層—順層滑動。

3 邊坡留煤柱設計

3.1 計算剖面和巖體力學參數

結合以往的地質鉆探成果，考慮到計算與分析的邊坡區段范圍比較廣及圈定合理境界的要求，在研究區域選取了12 個計算剖面，首采區以東區段為露6 線、加13 線、露7 線、I 線、露8 線、13 線，首采區以西區段為9 線、D 線、8 線、C 線、7 線、6 線。選取底幫燒變巖賦存相對分布均勻的剖面加13 為典型剖面進行計算分析。

邊坡穩定性分析研究中不僅要了解邊坡工程地質概況、水文地質情況、巖體結構、巖體構造、巖體力學特性等情況，巖土體物理力學參數選取的可靠性更是直接決定了計算結果的可信度與精確度。黑山露天煤礦自建設生產以后進行了大量的地質勘查和巖土體力學試驗工作，擁有豐富的地質資料，進行了詳細、全面的地質情況調查工作，并且獲得了一系列具有實際意義的成果資料。綜合以上信息確定的底幫邊坡所含巖土體物理、力學指標見表1。

表1 巖土體物理力學指標

3.2 邊坡留煤柱設計

黑山露天礦底幫邊坡燒變巖與13－2#煤、燒變巖與下覆巖層、13－2#煤與下覆巖層之間都存在弱層。13－2#煤下覆弱層物理力學參數較燒變巖下覆弱層高，有助于邊坡穩定。留煤柱設計方案損失一部分煤炭資源減少了表土剝離量，有助于提高露天礦經濟效益。留煤柱設計主要分為巖體段和煤柱段設計，設計流程及步驟如下[8-9]：①選取巖體和煤柱分界中的一點，按照等寬的平盤寬度向地表發推，計算其邊坡穩定性系數，通過調整平盤寬度直至穩定性系數達到1.2（絕對誤差≤0.1），巖體段邊坡即設計完成；②以上步得到的巖體段邊坡坡腳點以等寬平盤寬度向煤層底板發推，并調整平盤寬度直至穩定性系數達到1.2（絕對誤差≤0.1），將巖體段和煤柱段邊坡連接即為留煤柱設計。

選取剖面加13 為典型案例分析，將煤、巖段邊坡分段點由燒變巖頂底板分界點向13－2#煤層深部方向以20 m 為步距延伸到100 m，共設計6 組邊坡，如果煤、巖段邊坡分段點越往13－2#煤層深部方向，雖然可提高局部巖體段邊坡穩定性，但其局部煤柱段邊坡和邊坡整體穩定性均會有所降低，此時需加寬煤柱段邊坡或者巖體段邊坡平盤寬度使邊坡各種滑坡模式下的邊坡穩定系數達到安全儲備系數要求，這樣就增加了13－2#煤的損失量，13－2#煤層為黑山露天煤礦主采煤層，過多舍棄嚴重影響露天礦經濟效益。因此，煤、巖段邊坡分段點的相對合理區域應為燒變巖與13－2#煤交界區段。由燒變巖頂底板分界點向燒變巖底板與13－2#煤層底板交點方向以5 m 為步距延伸，通過多次計算得出5 個典型留煤柱邊坡空間位置。剖面加13 留煤柱設計方案如圖1。

綜合以上分析計算，圖1 中留煤柱方案由燒變巖頂底板分界點向燒變巖底板與13－2#煤層底板交點方向依次編號為a、b、c、d、e，各邊坡設計方案位置如圖2，方案間剝離物和煤量比值見表2。

圖1 剖面加13 留煤柱設計方案

圖2 設計方案位置圖

由表2 可知，邊坡設計方案a 與方案b 之間比值較小，說明以相對較小的剝離物量可換取較大的煤量，方案b 優于方案a；邊坡設計方案b 與方案c 之間比值較大，說明需以相對較大的剝離物量換取較小的煤量，方案b 優于c；同理，邊坡設計方案d 與方案e、方案d 與e 之間比值較大，方案c 優于方案d，方案d 優于e。綜合方案以上對比分析，剖面加13留煤柱設計相對合理方案為方案b。

表2 設計方案間剝離物和煤量比值

4 結語

1）受燒變巖和順傾弱層的共同作用，底幫邊坡的滑坡模式是圓弧為側界面，以燒變巖下覆弱層或13－2#煤層下覆弱層為底界面的切層-順層滑動。

2）針對黑山露天煤礦底幫邊坡的實際工程地質條件，提出了留煤柱設計方案，并進行方案間的剝離物和煤量的比值分析，確定了相對合理的邊坡設計方案。