大煤溝露天煤礦采場振動對邊坡穩定性影響研究

苗高飛

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

在開采露天礦山過程中由于需剝離和挖掘大量的巖土層和礦產資源，因此在礦山采場及周邊區域范圍內形成巨大的礦坑和堆積較高的排土場[1-2]。受礦山地層傾角和地質構造等因素影響，許多露天礦山會出現內排土場邊坡比采場工作幫高的現象。由于邊坡巖體會受到礦山爆破、大量大型運輸車輛運輸及礦山內排土場下部坡底巖土和煤炭資源采裝振動影響，容易造成邊坡失穩滑坡[3-4]，給露天礦山安全生產帶來較大影響。因此，研究分析各類振動對傾斜基底排土場邊坡穩定性的影響，為露天礦山邊坡穩定性治理提供理論依據顯得尤為必要。

1 工程概況

大煤溝煤礦位于青海省海西州柴達木盆地北緣東部，設計生產能力30 萬t/a。露天采場位于井田東部，地勢整體呈東北高西南低，東北部為高山區，海拔在3800 m 以上，原始地形坡度25°～40°。露天開采范圍內共劃分為一個采區進行開采，設計的露天采場境界最大長度1500 m，最大寬度1300 m，封閉圈標高約3530 m，坑底標高3450 m，最終幫坡角30°。開采工藝采用單斗—卡車開采工藝，礦山采用公路移動坑線開拓，汽車運輸方案。隨著開采深度及到界臺階數量的增加，露天采場邊坡變陡，其穩定性也隨之降低。

2 露天開采振動監測

在露天礦山開采過程中存在各種類型的振動源，由于振源類型、振動強度及頻率不相同，其對采場邊坡造成的振動影響也不同[5-6]。因此，在分析振動對邊坡安全影響時，首先要收集各類型振源的振動波形，分析其振動特點，從而確定影響邊坡安全的主要振動類型。據統計，露天礦山開采中產生的振動類型主要有：煤巖體爆破振動、車輛運輸振動、電鏟采裝振動等。采用NUBOX-6016 智能振動監測儀對采場振動源三向振動響應信號進行測量，其中水平x 方向代表通道1 振動來波方向，水平y代表通道2 振動來波方向，垂直z 方向代表通道3振動來波方向。

本文主要對影響大煤溝煤礦采場邊坡的3 個主要振動類型在振動作用下其振動最大速度和平均速度、振動持續時間等參數進行監測分析。

2.1 爆破振動監測結果

大煤溝煤礦地層巖性為土灰黃色礫巖、含礫砂巖，較堅硬，需采用松動爆破的方式進行開采，爆破期間對周邊排土場邊坡產生振動，形成安全隱患。為掌握爆破振動對邊坡穩定性影響，在坡腳距爆破邊界50 m 處設置監測點對爆破振動波進行監測。監測結果見表1。

表1 爆破振動監測情況

由監測結果可知，爆破產生的振動主頻率約為13.5～15 Hz，振動持續時長約為1.7～1.8 s，振動速度最大值為0.916 cm/s，平均振動速度在-0.04～0.2 cm/s。由此分析可知，爆破振動具有頻率大、持續時間短、最大振動速度與最小振動速度相差較大、振速變化幅度大等特點。

2.2 車輛運輸振動監測結果

為監測車輛運輸時產生振動對邊坡安全影響情況，在距離912E 重車道約50 m 處的車道旁設置監測點。該監測點距離912E 空車道距離約40 m，距離小型運煤車道約80 m。通過對車輛運輸振動進行連續監測整理后得到的數據見表2。

表2 車輛運輸振動監測情況

2.3 電鏟采裝振動監測結果

通過在采裝平臺附近選取監測點對電鏟采裝期間產生的振動情況進行監測，結果見表3。經分析發現電鏟在采裝礦石期間及在移動時會在采場內產生大量的振動波，而其產生振動波的速度最大值和最小值比較集中，其振動速度與車輛運輸產生的振動速度基本相近。

通過對3 種典型的運輸車輛運輸期間產生的振動數據進行全程監測，根據監測結果分析可知：車輛運輸產生的振動在通道1 和通道2（水平方向）振動主頻率在4.0～5.7 Hz；在豎直方向通道3 產生的振動主頻率變化范圍比較大，其中912E 重車道產生的振動主頻率達到了25.41 Hz，振動持續時長為6 s 左右，而912E 空車和小型運煤車產生的振動主頻率在6～11 Hz，振動持續時間為0.7～3.4 s 左右；3 種典型車輛運輸產生的振動監測到的其他相關數據數值大小變化相差不大。由此分析可知，當車輛載重量大時對邊坡振動主頻率和持續振動影響時間較大。同時根據監測數據分析，在水平方向振動速度較小，一般在-0.04～0.09 cm/s，而在豎直方向上產生的振動速度達到了0.18 cm/s 左右，其在豎直方向產生的振動速度比水平方向上的要大得多。

與爆破振動監測結果相比，車輛振動及電鏟裝車振動產生的數據有很大差異。爆破振動形成的振動波存在持續時間短、幅度大的特點，而車輛振動波和電鏟采裝振動存在持續時間長、振動幅度小等特點；車輛運輸產生的振動存在監測點與振動點距離越近產生的振動幅度越大的特征。

3 傾斜基底排土場邊坡穩定性及變形特征分析

3.1 傾斜基底排土場邊坡穩定性分析

大煤溝露天煤礦采場內的排土場位于石門溝向斜軸部區域，在煤層底板標高為1260 m 以上水平，軸部區域至1430 m 水平，沿著向斜軸部由南向北地層傾角逐漸增大，選取作為振動影響研究的區域地層傾角為12°，排土場排土角度為15°。

選取大煤溝露天煤礦采場單臺階邊坡排棄的土場高度為75 m。因露天礦內排土場都是由散狀物料堆積而成的，形成的坡面角就成為堆積物料的自鎖角，此時形成的內排土場單臺階達到了極限平衡狀態。為確定內排土場排棄的物料強度參數，構建典型傾斜排土場邊坡基底剖面模型[7-8]，對達到極限平衡狀態時的排土場進行分析。內排土場邊坡單臺階物料強度參數計算結果如圖1。

圖1 采場內排土場邊坡單臺階計算

3.2 傾斜基底排土場邊坡變形特征分析

通過對采場3 種典型振動源產生振動情況進行監測，根據監測結果分析可知，爆破產生的振動主頻率在13.5～15 Hz 左右，其特點是振動持續時間短、振速變化幅度大，而車輛運輸及電鏟采裝產生的振動特點是振動持續時間長、振速變化幅度小。爆破產生的振動速度最大能夠達到0.916 cm/s，是車輛運輸和電鏟采裝期間產生振動速度的5～10 倍。內排土場邊坡變形一般發生在高段單臺階區域，因此選取內排土場內邊坡高段排土臺階作為研究對象進行振動破壞變形模擬分析研究，建立排土場邊坡水平位移模擬云圖如圖2。高段排土場單臺階水平方向產生的變形影響最大區域范圍為47 m，變形量是從臺階邊緣向內呈現逐漸減弱趨勢，產生變形的原因主要是排土場內排棄的物料內部產生破壞，導致邊坡臺階發生變形。

圖2 內排土場邊坡變形模擬水平位移云圖

3.3 爆破振動對排土場邊坡變形規律影響

排土場高段單臺階邊坡穩定安全系數在爆破振動載荷作用下會產生相應的變化，隨著爆破振動時間的持續，排土場邊坡穩定性將會逐漸產生波動變化，其變化規律與爆破振動規律基本一致，隨著爆破振動起伏變化而相應產生變動，具體變化關系如圖3。由圖中分析可知，在爆破振動作用下，排土場邊坡產生瞬時穩定性減小和增大的現象，最低穩定性安全系數為0.965，最大為1.028，穩定性安全系數變化幅度在-3.6%～2.8%，由此可知頻繁或長期在邊坡坡腳爆破振動將會對排土場邊坡造成破壞，從而降低了邊坡穩定性。

圖3 爆破振動波與排土場邊坡安全系數關系

4 傾斜基底排土場邊坡穩定性安全防治措施

（1）合理設計排土場排土順序，在生產過程中，采場排土要按照縱橫交替的方式進行排土。

（2）排土作業期間嚴格按照邊坡設計要求進行施工，嚴格排土單臺階高度及邊坡坡面角控制，排土作業時嚴格執行分層排土、層層壓實，提高排棄的土層的密實度，達到采場排土邊坡穩定性要求。

（3）對邊坡進行定期巡查，若發現邊坡出現不穩定或滑坡征兆時，及時建立觀測站點對異常地段進行定期觀測。在出現不穩定的地段設立明顯警示標志，嚴禁人員進入該地段。

（4）在進入雨季前，對邊坡頂部及周圍出現的裂縫進行填充，防止裂縫進水。

（5）在進行爆破開采期間，嚴格控制裝藥量和一次起爆個數，降低爆破強度，減小爆破振動對邊坡產生的破壞。

（6）合理規劃安排運輸道路，嚴禁大型和重型車輛在排土場周邊區域范圍運行。

5 結語

（1）通過對采場3 種典型振動源產生振動情況進行監測，根據監測結果分析，確定爆破產生的振動主頻率在13.5～15 Hz 左右，其特點是振動持續時間短、振速變化幅度大，而車輛運輸及電鏟采裝產生的振動特點是振動持續時間長、振速變化幅度小。爆破產生的振動速度最大能夠達到0.916 cm/s，是車輛運輸和電鏟采裝期間產生振動速度的5～10 倍。

（2）通過建立邊坡模型邊坡變形破壞規律模擬分析，確定高段排土場單臺階水平方向產生的變形影響最大區域范圍為47 m，變形量是從臺階邊緣向內呈現逐漸減弱趨勢，產生變形的原因主要是排土場內排棄的物料內部產生破壞，導致邊坡臺階發生變形。

（3）通過對爆破振動與邊坡穩定性安全系數之間的關系分析可知，在爆破振動作用下，排土場邊坡產生瞬時穩定性減小和增大的現象，最低穩定性安全系數為0.965，最大為1.028，穩定性安全系數變化幅度在-3.6%～2.8%，由此可知頻繁或長期在邊坡坡腳爆破振動將會對排土場邊坡造成破壞，從而降低了邊坡穩定性。