朝凱煤礦首采區(qū)采掘邊坡和排土場穩(wěn)定性分析

李 弘

（山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

神達(dá)朝凱煤業(yè)露天礦由南區(qū)和北區(qū)兩個礦田組成，其中南區(qū)開采2、3 號煤層，北區(qū)僅有5 號煤層，主要可采煤層為2 號煤層和5 號煤層。礦田生產(chǎn)規(guī)模為120 萬t/a。礦田內(nèi)沖溝發(fā)育，南區(qū)地勢中部高、東西低，最大相對高差331 m；北區(qū)地勢中部低、南北高，最大相對高差440 m。礦田批準(zhǔn)采掘標(biāo)高為1360～1910 m，首采區(qū)位于南區(qū)中部，北區(qū)滅火范圍南側(cè)為首采區(qū)基建區(qū)，南區(qū)滅火范圍西南側(cè)為二采區(qū)。

露天礦現(xiàn)有北排土場、北外排土場、首采排土場和南外排土場。其中，南排土場距離現(xiàn)采掘工作面較近，且煤礦整合前南區(qū)采用井工開采。礦田受地表徑流影響較小，但碎屑巖類為砂巖類，松散巖石為泥巖和煤，工程地質(zhì)條件較差。土石開挖將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，而露天邊坡的穩(wěn)定性對煤礦安全生產(chǎn)具有重大影響[1]。為避免滑坡、泥石流等災(zāi)害發(fā)生，需采取相應(yīng)措施，常用的研究方法主要有極限平衡理論分析[2]、數(shù)值模擬[3]和相似實驗[4]。本文采用極限平衡法對南區(qū)采掘邊坡和首采區(qū)排土場穩(wěn)定性進(jìn)行計算，針對分析結(jié)果為防止滑坡等災(zāi)害提出防治措施。

1 概況

1.1 工程概況

隨著開采年限的增加，礦田邊坡逐漸增高加陡。首采區(qū)南北長0.61 km，東西寬2.13 km，深部開采面積1.29 km2。礦田可采煤層平均厚度18.50 m，煤層傾角5°～12°，煤層埋藏淺。礦區(qū)采剝場臺階高10 m，坡面角70°，最終幫坡腳35°，開采工藝為單斗-卡車間斷工藝，開拓方式為工作幫移動坑線方式開拓，現(xiàn)排棄4 個臺階，標(biāo)高為1410 m水平。本文主要研究對象為南區(qū)首采排土場沿幫邊坡，首采排土場增高擴(kuò)容3 個15 m 臺階后最終幫坡角為18°。

1.2 地質(zhì)概況

基于現(xiàn)有地質(zhì)資料，以室內(nèi)巖石力學(xué)試驗進(jìn)行驗證補(bǔ)充，為邊坡穩(wěn)定性分析和相關(guān)防治措施提供基礎(chǔ)資料。

（1）工程地質(zhì)。據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露，本礦田新生界覆蓋層厚度較小，最大16.90 m，平均8.43 m。主要覆蓋層為基巖，2 號煤層覆蓋層厚度0～144.83 m，平均78.42 m；3 號煤層覆蓋層厚度0～154.92 m，平均88.81 m；5 號煤層覆蓋層厚度0～203.38 m，平均103.39 m。碎屑巖類為砂巖類，松散巖石為泥巖和煤，排土場基底大部分為軟弱巖石泥巖。

（2）水文地質(zhì)。礦田內(nèi)無常年流水性河流，只發(fā)育季節(jié)性排水沖溝，季節(jié)性流水由沖溝排出，地表徑流對礦田開采影響較小。由于奧陶系中統(tǒng)的石灰?guī)r在礦田北部、東部出露，巖溶發(fā)育，同時受降雨、河水和沖積層潛水補(bǔ)給，富水性強(qiáng)。

2 采掘邊坡和排土場穩(wěn)定性分析

2.1 采掘邊坡穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析方法為簡化Bishop 法，該方法常用于計算邊坡單一圓弧型破壞。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為：

式中：Fs為安全系數(shù)；mai為第i個條塊的計算系數(shù)；αi為第i個條塊底部的傾角，（°）；Wi為第i個條塊的重量，kg；ci為第i個條塊的黏聚力，MPa；bi為第i個條塊的長度，m；ui為第i個條塊的孔隙水壓力，MPa；φ`i為第i個條塊的有效內(nèi)摩擦角，（°）；Qi為第i個條塊所受的水平向作用力，MPa；ei為第i個條塊所受的法向條塊間力，MPa；R為滑面半徑，m。

采掘邊坡巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 首采區(qū)邊坡巖石力學(xué)參數(shù)

通過變換張裂縫的位置和圓心求得相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，并從中找出接近最小值的某種規(guī)律，從而接近最小值，得到該剖面的穩(wěn)定系數(shù)。由于采掘場各幫最大邊坡高度相差不多，因此本方案在形成最大邊坡高度位置選取剖面進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。該剖面位于采掘場南幫，最大邊坡高度230 m。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》（下文簡稱“《設(shè)計規(guī)范》”），結(jié)合工程地質(zhì)條件，南區(qū)首采區(qū)采掘邊坡的穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1.2。經(jīng)分析計算，當(dāng)邊坡角為35°時得到相對最小穩(wěn)定系數(shù)為1.245，破壞方式如圖1，為張裂縫—圓弧型滑面。

圖1 采掘邊坡最小安全系數(shù)坡面

根據(jù)《山西省寧武煤田寧武縣山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司煤炭資源儲量核實報告》的資料分析和最終的邊坡穩(wěn)定性分析驗算，該礦工程地質(zhì)條件較好，采場邊坡高度較高。按照《設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，推薦采場按35°邊坡角進(jìn)行開采。實際生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行合理調(diào)整。

2.2 首采區(qū)排土場穩(wěn)定性分析

排土場的排棄物料主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖等混合物料，巖石物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果表

采用極限平衡法從排土場選取典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，最大邊坡高為150 m 左右，設(shè)計選擇了18°邊坡角進(jìn)行穩(wěn)定性計算。根據(jù)《設(shè)計規(guī)范》可知，排土場邊坡穩(wěn)定系數(shù)需大于1.25。經(jīng)簡化畢肖普法分析計算，當(dāng)邊坡角為18°時的首采區(qū)排土場邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)為1.293，該系數(shù)大于1.2，符合《設(shè)計規(guī)范》要求。最小滑面所處位置及破壞類型如圖2。

圖2 首采區(qū)排土場穩(wěn)定系數(shù)最小滑面

結(jié)合分析結(jié)果和地質(zhì)概況可知，排土場邊坡基底和穩(wěn)定性較好，但要做好防排水。經(jīng)穩(wěn)定性分析驗算，排土場最佳穩(wěn)定性邊坡角為18°。

3 采掘邊坡和排土場防治

由于露天剝采過程中會形成許多動態(tài)邊坡，該類邊坡需組織專門的人員進(jìn)行監(jiān)測，因此在南區(qū)首采區(qū)采掘邊坡處布設(shè)監(jiān)測點10 個，分3 條監(jiān)測線布置。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測規(guī)范，監(jiān)測級別為Ⅳ級，監(jiān)測內(nèi)容以變形監(jiān)測為主，監(jiān)測周期為露天剝采開始至露天剝采結(jié)束，監(jiān)測頻率與露天剝采相同，時間不固定，加強(qiáng)連續(xù)跟蹤監(jiān)測。

首采區(qū)排土場定期采用全球定位系統(tǒng)（GPS）測量法，平時采用人工簡易監(jiān)測，以巡查為主，主要查看坡體上裂縫等發(fā)育、變化情況。若有裂縫出現(xiàn)或裂縫變寬，應(yīng)采取避讓措施。

采掘邊坡和排土場中穩(wěn)定性系數(shù)最低的監(jiān)測線各測點位移矢量監(jiān)測如圖3 所示。由圖可知，邊坡變形到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入到減速變形階段。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及開采情況，預(yù)計邊坡勻速變形速度將在3 月左右再次減小，邊坡總體變形趨勢趨于恒定，即上述采掘邊坡和排土場傾角設(shè)計合理。

圖3 采掘邊坡和排土場監(jiān)測線各測點位移矢量

4 結(jié)論

（1）朝凱煤礦礦田首采區(qū)采掘邊坡工程地質(zhì)條件較差，水文地質(zhì)中等，采用極限平衡法得邊坡角為35°時采掘邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.245，符合《設(shè)計規(guī)范》要求。

（2）首采排土場距離采掘邊坡位置較近，基底主要為泥巖，利用極限平衡法中的簡易畢肖普法對典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，驗算結(jié)果為當(dāng)南區(qū)首采區(qū)排土場邊坡角為18°時，排土場穩(wěn)定性系數(shù)最小值為1.293，符合《設(shè)計規(guī)范》要求。

（3）根據(jù)首采區(qū)采掘邊坡和排土場的地質(zhì)條件，結(jié)合穩(wěn)定性分析結(jié)果，擬利用10 個監(jiān)測點對采掘邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，利用GPS 測量法定期監(jiān)測排土場變形情況。監(jiān)測結(jié)果表明邊坡角度設(shè)計合理。