露天礦開采邊坡穩定性分析

安振華

（山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 河曲 036506）

露天礦開采過程中邊坡失穩是最為常見的工程問題，該問題能否得到妥善處理直接關系到露天采場的正常開采生產及工作人員的生命安全。某露天礦由于其地層巖性較軟，且邊坡傾向與巖層傾向一致，很容易發生蠕動變形。在長期開采擾動及大氣降水的影響下邊坡的穩定性更加難以保證，因此決定采用削坡減載技術及數值模擬技術對整體邊坡進行治理，保證開采生產安全。

1 邊坡概況

1.1 開采現狀

某露天礦在開采過程中一側邊幫已達開采境界，而該邊幫由于長期的風化侵蝕以及地下水的軟化，已發生較嚴重的蠕動變形，呈現出扇形變形特點。兩側剪切裂隙在中上部較為明顯，下部出現底鼓現象高度約1.2 m 左右，右側出現羽狀裂縫。因此決定采用削坡減載工程治理方案對該邊坡進行治理。

1.2 邊坡巖體地質條件

1）巖體巖性。經現場實際勘探數據以及地質資料顯示，該邊坡變形區域的巖體特征為人類活動層、第四系坡洪積層、新第三系煤層段、新第三系薄煤層炭質黏土巖段等組成。整體巖性較軟，在開采過程中易發生膨脹變形，且容易受到地下水的影響。

2）地下水特征。該邊坡內的巖溶水以白云質灰巖為主，有埋藏較深、對邊坡穩定性影響較小的特點；在第四系坡洪積層巖系中含孔隙水，透水性以及連通性較差且受季節影響嚴重，埋藏也淺，水量較小，因此對邊坡穩定性較小；裂隙水大部分賦存在新第三系巖層中，且分布大多無明顯界限，由于炭質黏土層以及黏土巖對裂隙水的阻隔作用，地下水很容易在這一地帶積聚，且大氣降水也會積聚在此處，很容易由于長期浸泡作用對巖體進行軟化侵蝕形成軟弱結構面，因此對邊坡穩定性危害較大。

3）工程地質。由于該邊坡傾向與巖層傾向接近，因此容易發生順層滑動；表層巖性以黏土及褐煤等軟弱結構為主，在長期地下水地表水軟化作用下穩定性大幅降低；采動過后巖層裸露在地表下長期的風化作用也降低了巖體穩定性[1]。

1.3 邊坡蠕動變形因素分析

結合該露天礦邊坡開采現狀以及巖體地質條件進行分析，邊坡的整體蠕動變形原因為沿軟弱結構面發生滑移失穩，受重力及地下水影響較為嚴重。表層巖性較軟且具膨脹性，因此易發生邊坡變形，而且邊坡傾角與地層接近加劇了邊坡蠕動變形現象的發生；地下水及地表水歷來是邊坡變形的主要影響因素，在大氣降水過程中地表水大量的滲流，導致巖體穩定性急劇下降。水體的富集降低了巖體力學強度并產生了孔隙水壓，加速了巖層破壞，因此水的作用成為邊坡蠕動變形的主要影響因素。

2 邊坡破壞機制及力學參數

該露天礦邊幫界限清晰，在地質勘探過程中表明了具體的滑面位置，因滑面處巖層巖性為黏土巖夾雜薄煤層，邊緣陡壁約為0.7 m 左右分布不均勻，且該滑面裂隙較為發育。在弱結構面上發生的滑動主要以順層滑動（見圖1-1）以及底部的圓弧滑動（見圖1-2）為主，邊幫處由于其厚度較大存在著蠕動型滑坡，邊坡破壞機制大致為：邊坡發生變形、整體開始蠕動滑移、后緣推移滑移三個階段，具體形式見圖1。

圖1 露天礦邊坡滑動破壞形式

巖層物理力學參數，該露天礦邊坡主要以黏土、褐煤夾矸為主。表層砂土飽和密度為1.866 t/m3，黏聚力為23.5 kPa；粉質黏土飽和密度為1.787 t/m3，黏聚力為30.34 kPa；下部煤層中褐煤飽和密度為1.332 t/m3，黏聚力為27.56 kPa；褐煤夾矸飽和密度為1.924 t/m3，黏聚力為32.04 kPa；黏土巖層的飽和密度為2.011 t/m3，黏聚力為30.18 kPa。此處僅對主要巖層參數進行列舉，經地質勘探后所得數據匯總各巖層的力學參數值見表1。

表1 邊坡表面巖體力學參數

3 邊坡穩定性分析治理

露天礦的邊坡穩定性分析治理是一項綜合工程，根據不同礦區的地質條件呈現出不同的時效性。該礦邊坡的穩定性基本取決于較軟的巖性以及地表水、地下水的作用。在工程實際中該因素下發生的邊坡破壞類型有：平面滑動、楔形破壞、圓弧滑動等等[2]。而數值模擬中常用的破壞形式為圓弧滑動。該露天礦的邊坡剖面示意圖如圖2 所示，現根據其剖面圖分析邊坡可能發生滑移的滑移面穩定效果。

圖2 露天礦邊坡剖面示意圖

根據表1 中的巖體力學參數建立地質模型，并利用數值模擬對邊坡在地下水條件下以及邊坡自重條件下的穩定性進行計算，得出該礦進行邊坡治理前的穩定性系數見表2。

表2 露天礦邊坡治理前穩定性系數

分析表內數據并結合現場地質勘探數據進行分析可知，該礦邊坡的實際情況與第二組數據較為接近，也就是符合在地下水影響下的邊坡穩定性系數，取值均在1.103 以下，根據滑坡防治工程技術規范要求，該露天礦邊坡設計不能滿足設計規范。因此應對邊坡設計方案進行邊坡穩定性處理，根據受地下水較為嚴重的特點進行削坡減載工程治理，即對邊坡進行平整以及邊幫錨噴加固，改變邊坡形狀以提高邊坡的穩定性。處理后該露天礦邊坡穩定性系數見表3。可以看出，在削坡減載治理工程完成后剖面的穩定性系數均可滿足滑坡防治技術規范，穩定性系數保持在1.1 以上。

表3 露天礦邊坡治理后穩定性系數

4 工程實際效果

根據該露天礦邊坡的蠕動變形情況進行治理，以削坡減載的治理方案，減少邊坡巖體上的載荷，下方煤層避免因受到壓力發生推移變形，保證邊坡的穩定性即開采生產安全，在長達18 個月的治理過程中，累計削坡排土量達83 萬m3，錨固費用約200 萬元。對完成治理后的邊坡進行監測發現其變形量大幅下降，已可進行煤炭正常開采工作，根據實地勘測數據對邊坡穩定性系數進行分析，結果見表4。

表4 露天礦邊坡削坡減載治理穩定性系數

從表4 可以看出，在對邊坡進行削坡減載過程治理后，邊坡由于其整體坡角變緩且邊幫得到錨固，穩定性大大加強，邊坡穩定性系數保持在1.2 左右，滿足邊坡防治設計規范。能夠保障采區的正常開采生產安全。該露天礦邊坡治理的良好成效，也可以看出削坡減載邊坡治理工程在實際工程應用中的合理性，可將該成熟的技術方案應用于各露天煤礦的邊坡治理防護工程當中[3]。

5 結論

1）利用數值模擬對露天礦邊坡削坡減載治理前后的邊坡穩定性進行對比，可以通過數據明顯看出經過削坡減載工程治理能夠有效增強邊坡的穩定性，降低邊坡蠕動變形現象的發生。該技術的成熟應用為類似條件下露天礦的邊坡治理提供了典型案例，應用效果也比較成功。

2）該露天礦邊坡在大氣降水以及地下水影響下使其穩定性進一步降低，而且邊坡巖性較軟且破碎，在開采擾動下易發生膨脹破壞，長期開采過程中邊坡仍有發生滑坡的可能，需加強邊坡的監測以及連續降水天氣的疏干排水工作。

3）露天礦的土地復墾及綠化過程可有效改善露天開采帶來的破壞，也可減少水土流失及滑坡災害。加強該方面的管理與投入對煤礦企業的可持續發展有重大意義。