露天煤矿采掘场边坡稳定性分析

石志文

摘要：

露天矿边坡的稳定性是关系到露天矿安全生产的重要因素，是露天矿山开采设计过程中首要解决的难题。结合伊宁县某露天煤矿的工程地质条件，对其采掘场边坡角进行了设计。

关键词：

采场；排土场；边坡；稳定性

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）09019002

1工程概况

某露天煤矿位于伊宁盆地北部伊宁县喀拉亚尕奇乡一带，煤矿区总体呈不规则多边形，南北宽约168km，东西长约2.03km，矿区面积约3.41km2。本区全区可采煤层和大部可采4层，即8、9、10、11号煤层，煤层总厚10.12m～50.87m，平均总厚30.75m。露天矿设计规模为1.2Mt/a，随着企业煤化工产业的逐渐发展壮大，用煤量增加，露天煤矿生产能力将增大至5.0Mt/a。

2矿田工程地质条件分析

2.1工程地质岩段的划分

本矿田内主要分布的是第四系松散岩类和侏罗系沉积碎屑岩两大类，按岩石坚固性来划分，前者是松散岩组，后者主要是软质岩组，各工程地质岩组分布与厚度因与地层划分一致。各岩组根据它们的构成介质和组合关系又划分了4个岩段，自上而下依次顺序是：第四系松散岩段、干燥岩段、水位以下非含煤岩段、水位以下含煤岩段。

2.2工程地质岩段稳固性评价

（1）第四系松散岩段（A）。

包括冲洪积物及风成地层。冲洪积层主要为冲沟底部的卵砾石及砂等，冲洪积物呈散体结构，受外力作用，具有移动性，故划为松散岩段，稳固性差。

风积物广泛分布在矿田大部，系基岩地层中的砂岩在干旱的环境中受外动力地质作用的风化剥蚀，其岩屑经风的吹扬及分选就近堆积成风积砂及砂土，呈散体结构，稳固性较差。钻孔揭露该岩段厚度最小275m，最厚可达26.88m。

（2）干燥岩段（B）。

该岩段位于第四系松散岩段（A）之下至地下水位以上。孔内揭露该段岩性为粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩等。岩体中结构体及沉积结构面呈干燥状态，由于矿田内水位埋深较小，一般小于50m，多在风化带内，由于风化裂隙的影响，为不稳固岩段。

（3）水位以下非含煤岩段（C）。

系地下水位至西山窑组煤层顶板的岩性段，由于钻孔所处地层部位不同，总体上岩性以细粗粒相交互为特征，由于陆相沉积，岩性的多变性，粗粒相成份相对较高。该岩段岩石多为泥质胶结，次为钙质胶结，岩石质量指标RQD值一般为55%～72%，表明岩体完整性中等，参照煤层顶底板物理力学测试成果进行评价，岩石质量差，结构面为沉积结构层理面，稳固性较差。

（4）水位以下含煤岩段（D）。

岩段始于静水位以下，止于8煤层底界，为一套细粒相夹可采煤层的沉积岩段，粉细砂岩所占比例在60%左右，其RQD值也多小于60%，岩体质量指标（M）大多在0.01～0.12之间，岩体质量差。

2.3煤层顶底板岩石物理力学性质

矿田中侏罗统西山窑组中赋存全区可采8号煤层，8号煤层多存在直接顶板、伪顶板及老顶板，且稳定性较差，结构较简单。总体上，8号煤层顶底板岩石在水位以下，处于饱和状态，其抗压强度多为0.501MPa～3.52MPa，为软岩；由于其岩性成份泥质含量较高，软化系数多小于0.3，也为软岩。

2.4影响煤层顶底板及围岩稳定的地质因素

（1）岩石性质。

岩石性质是顶底板及围岩变形的重要影响因素，矿田内炭质泥岩、泥岩多数较松软，判定为塑性软岩。细砂岩、泥质胶结粉砂岩、粘结力不高，抗压强度也比较低。钙质胶结的粉砂岩、细砂岩容易被水溶解，强度也较低，粗砂岩、中砂岩、砂砾岩颗粒成份一般比较坚硬，而且质地坚硬的，一般成层较薄，当成层较厚的就会成为很好的工程地质岩体。

（2）地质构造。

矿田位于皮里青背斜轴部，含煤地层倾角一般小于10°，区内主压应力为来侧向的顺层挤压力，相对重力作用较弱。

（3）地下水。

地下水往往会对软质的泥岩、粉砂岩起软化和泥化作用，从而导致发生塑性变形。

（4）岩体结构面。

泥质胶结的细粒相，它们的层理面就是岩体中的结构面，这些局部地段岩性往往变化频繁，再加上脆性岩层中发育的早期和晚期的节理，纵张节理等构造面，会导致岩体的完整性遭受破坏，最终引发剪切滑移、松动、脱落等变形和破坏。

（5）煤层顶底板及围岩稳定性。

依据下侏罗统八道湾组上段含煤岩系沉积结构、地质构造、水文地质条件，和本矿田及相邻矿区的岩石物理力学测试结果比较，把本矿煤层顶底板及围岩的稳定性划判定为稳固性差类型。矿田内主要煤层的顶底板，均属于此种类型。各煤层的顶板及底板，多数为粉细砂岩，伪顶板和底板多数为炭质泥岩或泥岩，它上面部位岩石的饱和抗压强度一般都在30MPa以下，且软化系数多小于0.3，总体强度属于不稳固型。

根据岩石力学测试结果，加上钻孔力学性质测井成果，本矿区岩石质量属于极劣～劣，岩体破碎～完整性差，岩体质量指标（M）一般为0.0038～0.073，为Ⅳ～Ⅴ类岩体，岩体质量差～坏。

2.5工程地质类型的评述

本矿田地表是以冲洪积、风积地貌裸露的基岩风化岩体为主，下面为隐伏的干燥岩段，这些岩体都位于地下水混合水位之上，区域自然地理和水文地质条件说明它们不具软化及泥化作用。

C、D岩段在地下水位以下，这两岩段岩性组合比较复杂，岩体多数为层状结构，层理面发育，局部有构造节理面，多数岩层饱和抗压强度在30MPa以下，软化系数小于0.3。

综合上面的评述，本矿区地形地貌条件相对简单，地形有利于自然排水，地层岩性单一，地质构造简单，岩体结构主要以厚层状结构为主，但岩石整体强度不高，稳固性较差，且存在软弱夹层和饱水砂岩体，甚至局部地段容易发生工程地质问题，因此本矿区的工程地质条件判断为层状岩类中等型。

3采场边坡稳定性分析

采掘场的边坡分为三个区，一区为工作帮区即西帮，二区为非工作帮区即东帮，三区为端帮即南北帮。边坡稳定系数是一个与粘聚力、内摩擦系数、边坡的岩层构成、分布、地下水的水位等很多因素有关的值，它没有解析解，只有数值解。

3.1计算指标的选取和最终边坡角的确定

由于地质勘探未对边坡进行专门的边坡勘探，该矿离国投皮里青露天煤矿只有1km的距离，故其他指标采纳国投皮里青露天煤矿的指标见表1。

3.2最终边坡角的确定

根据煤矿的岩石物理力学指标，露天采场各边帮最终边坡角确定为33°。

3.3边坡稳定性分析和边帮稳定性验算

依据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2005）6.0.8条要求，非工作帮坡角服务年限小于10a，稳定系数为1.1～1.2；服务年限10a～20a，稳定系数为1.2～1.3。该露天矿的首采区的南部的服务年限为25a，在达产第六年就可实现部分内排，达产第十六年可实现全部内排，边坡只是短暂存在，且在露天矿北帮布置有疏干降水孔在对地下水进行疏干。总体边坡角为33°是可以满足安全要求的。采场各帮的稳定性，经过验算，各帮的稳定系数都在1.3以上。

4结束语

在露天矿的生产中，边坡失稳、破坏往往贯穿于露天矿开采的始终，边坡如果发生意外滑坡现象，不仅可能导致矿山全面停产、运输线路改造等巨大的经济损失，而且会严重威胁地表建筑和相关施工人员与设备的安全。因此，在露天矿的建设过程中，我们还需结合附加荷载特征施工工艺岩土体的现场实际、特征气候条、台阶高度、平台宽度和地震等一系列因素的影响，对边坡进行调整，以取得最大安全保障及最大的经济效益。