露天煤礦非工作幫順層邊坡致滑機理及穩定性分析

裴彥峰,陳 貴,劉小開

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

露天煤礦開采中,邊坡穩定性非常重要[1],如果礦山邊坡防護不及時,將導致邊坡塌方、山體滑坡、泥石流等問題,不僅會造成巨大的財產損失,還會威脅人們的生命安全。新疆某露天煤礦屬緩傾斜煤層,全區可采,是較穩定煤層,開采方式為沿礦區西北部露頭煤層底板掘溝,工作幫設置移動式開拓運輸系統,非工作幫邊坡走向與地層走向一致,形成順層邊坡。露天礦的邊坡與地下構造具有差異性,故安全穩定性計算結果有所不同[2],當邊坡走向與地層走向一致時,相對于與之相反的地層結構更容易發生危險[3]。

該礦礦剝離與采煤均采用單斗-卡車間斷開采工藝,鉆機選用孔徑150 mm潛孔鉆機5臺,剝離采用1.6 m液壓挖掘機6臺,配20 t自卸卡車38輛,采煤采用1.6 m液壓挖掘機1臺,配20 t自卸卡車2輛,排土采用220 HP履帶推土機2臺。臺階高度為10 m,臺階坡面角設計為65°,最小工作平盤寬度35 m,運輸平盤寬度15 m。該礦巖石普氏系數f=5～6,為中硬巖石,巖石覆蓋層較簿。穿孔爆破采用垂直深孔爆破法爆破。根據該礦巖石硬度,選用剝離爆破方式為微差擠壓爆破,起爆排數為1～2排,一次起爆炮孔數15～30個,起爆鉆孔數量根據工作線長度進行調整。

采場中邊坡不是一個均質產物,由若干種類的巖層組合形成[4]。該露天煤礦邊坡巖層種類主要包括粗砂巖、細砂巖、砂礫巖、火燒巖等,各類巖體的物理力學性質如表1所示。巖層受到氣候影響或人為擾動時呈現復合滑動及圓弧滑動。針對該露天煤礦順層邊坡開展安全穩定性評價,根據分析結果,主要對邊坡的圓弧型滑動進行建模分析,為礦山安全生產提供指導。

表1 巖石物理力學參數

1 滑坡原因

地質條件對邊坡穩定性的影響主要體現為巖土性質。不同的巖土具有不同的巖土性質,在容重、內摩擦角及內黏聚力不同的情況下穩定系數也不同。自然條件下,巖石性質較為松散,形成的邊坡容易失滑。

邊坡各層巖土中存在各種結構面,形成了巖土向下滑動的地質構造條件。地層面降雨為其進入邊坡提供了天然通道,故節理、裂隙、層理面、巖性界面、斷層較多的邊坡,特別是平行垂直于邊坡的陡坡結構面及沿邊坡的平緩結構面發育時,更容易發生滑坡[5]。

地下水活動對滑坡的形成具有重要作用,可降低巖土強度,產生動水壓力及孔隙水壓力,侵蝕巖土,增加巖土容重,在透水巖石上產生浮力,尤其是滑坡的軟化效應及強度降低效應最為突出。地殼運動與人類工程活動是滑坡的主要成因,如降雨、融雪、地表水、河流等地表水對坡腳持續侵蝕,臺階高度及施工不合理會導致邊坡破壞,坡腳開挖、邊坡超載、爆破震動等都可能引發滑坡。

2 數值計算及優化

根據《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》(GB51289-2018)要求,邊坡的設計穩定系數應滿足規定的穩定系數要求,結合該礦實際情況,采場邊坡穩定性判定依據為:K≥1.3穩定,1.2≤K<1.3基本穩定,1.00≤K<1.2欠穩定,K<1.00不穩定。

其中,K考慮地下水、爆破等因素影響下的最小邊坡穩定性系數。

目前,礦區工作幫最小平盤寬度35 m,每層臺階高度10 m,臺階破面角65°,根據地質條件及地層賦存條件,可分為6個地層。利用CAD制圖軟件,對非工作幫進行初步建模,通過邊坡分析軟件slide,將模型數據導入各地層,賦予表1中巖土層物理力學參數,進行綜合分析,結果如圖1所示。

圖1 不同邊坡角度時安全穩定性分析結果

按規范中規定的露天煤礦最終邊坡角穩定系數取1.2～1.3,根據當前邊坡形態建模計算,得到邊坡角為36°的邊坡穩定系數為1.646>1.3,如圖1(a)所示,過于穩定,不利于端幫下煤層回收,故通過改變露大礦邊坡角計算合適的穩定系數。利用改變平盤寬度及邊坡角的方法,將原來的工作平盤寬度35 m降到30 m,最終邊坡角由36°增加到38°,進行優化安全穩定系數計算,結果如圖1(b)所示。經過3次優化后,最終邊坡角為40°時,安全穩定性系數為1.274,如圖1(c)所示,在合理的安全穩定性系數下,符合開采標準規范。第4次優化后的安全穩定性系數為1.092,如圖1(d)所示,屬于潛在滑坡風險的安全穩定性系數,解決了初始不夠經濟的問題,但增加了發生滑坡的風險,不可取。計算結果如表2所示。

表2 不同邊坡角對應的安全穩定性系數

由計算得知,當端幫平盤寬度為22 m、整體幫坡角40°時,邊坡穩定性系數為1.274,是最佳狀態。

3 滑坡的預防與治理

確定合理的幫坡角。邊坡附近的巖石受爆破震動的影響,常常會出現巖石塌落,導致平臺寬度變窄。在露天礦設計及生產中,需根據礦山的地質條件、巖石的力學性質及設備性能、規格及尺寸,確定合適的邊坡角與工作平臺的最小寬度。露天開采階段,應遵循先剝離后開采的原則,嚴禁掏采坡腳。對需要承擔爆破、運輸系統的端幫平臺,加強地質調查,并隨著開采的推進及時跟進。

需對露天礦邊坡進行定期檢查及維護,以保證邊坡的穩定性,防止災害的發生。成立專業的邊坡養護隊伍,加強檢查維修,必要時進行人工放坡、鋪設草皮、種植灌木。設置排水管網,防止地表雨水流入礦坑,沖刷邊坡。對于深凹露天礦山,應在周圍設置山洪泥石流防護設施。排水管網包括地表排水、地下排水及立體排水。邊坡附近爆破時,應采用預裂減震爆破方法,減少單孔裝藥量,增加孔數,減少每次延期爆破的孔數,防止露天爆破作業破壞邊坡穩定。

做好抗滑工程及加固。滑坡防治工程是滑坡治理不可缺少的部分[6],抗滑工程包括抗滑擋土墻、加筋擋土墻、錨板擋土墻、預應力錨索擋土墻及錨桿擋土墻。抗滑樁為大斷面排樁抗滑單樁、抗滑鏈、鋼管樁、承臺抗滑樁、樁基礎擋土墻、椅式擋土墻、彎型抗滑樁、板樁抗滑樁及錨樁。

4 結論

通過改變平盤寬度及邊坡角,對順層邊坡穩定性進行優化,通過4次優化,邊坡穩定性系數達到了合理開采的標準。當端幫平盤寬度為22 m、整體幫坡角40°時,邊坡穩定性系數為1.274,符合合理開采的標準規范。針對順層邊坡,提出了合理的開采順序,采用加強維護檢查及抗滑工程加固方法,有效提高順層邊坡穩定性及露天礦山開采的安全性。