昆阳磷矿采掘场与排土场边坡稳定性分析

李天华　李小双　李耀基　黄　杰　王孟来

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心；2.云南磷化集团有限公司)



昆阳磷矿采掘场与排土场边坡稳定性分析

李天华1,2李小双1,2李耀基1,2黄杰1,2王孟来1,2

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心；2.云南磷化集团有限公司)

摘要通过理论分析、现场调研、数值计算分析等方法，对昆阳磷矿采掘场与排土场的边坡稳定性进行了分析。结果表明：①自燃区域采掘场最终帮坡角为38°时，边坡稳定系数为1.24，端帮最终帮坡角为40°时，边坡基本稳定，其余部位的最终帮坡角为32°时，边坡稳定系数为1.25；②露天矿外排土场的排弃高度为60 m，最终帮坡角为22°时，边坡稳定系数为1.26，内排土场的排弃高度为100 m，最终边坡角为22°时，边坡稳定系数为1.28。上述分析成果对于确保昆阳磷矿安全生产有一定的参考价值。

关键词边坡稳定性采掘场排土场最终帮坡角稳定系数

露天磷矿采掘场、排土场的边坡稳定性直接关系到矿山生产能否正常进行，对露天磷矿具有重要的经济与安全意义[1-4]。对此，大量学者[5-10]分别采用了理论研究、现场调研、数值计算、工程类比分析等方法对露天矿山边坡稳定性进行了研究，成果丰硕。以云南磷化集团有限责任公司(以下简称云磷集团)昆阳露天矿为研究对象，对其采掘场、排土场的边坡稳定性进行分析研究。

1工程概况

昆阳磷矿区开发始于1965年，由云南磷化工矿务局开发建设，下辖2个露天矿，即昆阳磷矿露天矿和昆阳磷矿二矿区露天矿，经过多次扩建和技改，已建成机械化程度较高、开采工艺先进的大型磷矿企业。2012进行了昆阳磷矿露天矿后期技改工程，采用单斗-汽车间断工艺，将昆阳磷矿二矿区设计生产能力提高至1.0 Mt/a，昆阳磷矿露天矿维持在2.6 Mt/a生产能力，目前全矿设计生产能力达到3.6 Mt/a。现昆阳磷矿露天矿西帮、北帮边坡部分到界，西帮、西北帮和北帮边坡出现了一些不稳定现象。在昆阳磷矿露天矿以往的生产过程中，针对该类不稳定现象，对西帮、西北帮和北帮边坡进行了清帮减载、疏干排水、锚索加固等安全措施，安全投资已超过1.2亿元，不仅提高了昆阳磷矿露天矿现状边坡的稳定性，而且积累了丰富的安全生产经验，为矿区五期扩建奠定了坚实的基础。

2采掘场与排土场边坡稳定性分析

2.1岩(土)体结构类型及对边坡的影响

从矿山生产应用的角度分析，以岩体的结构面和结构体特征为依据，将矿区岩体结构划分为散体结构、碎裂结构、层状结构和块状结构等4类。散体结构易被暴雨淋蚀，尤其禁忌底部浸泡潜蚀，严防崩塌、倒塌、滑移，适当安排土层边坡地表水及层底潜水排疏系统；碎裂结构须加强维护；层状结构属较完整，稳定性良好；块状结构体是区内各类结构体中岩体完整性和稳定性最佳的。

2.2采场边坡稳定性评价2.2.1区域稳定性

露天矿区地处地台的次级构造单元——伊陕单斜的东胜—靖边区内。区内基底为前震旦系结晶岩系，地史演绎表现为升降运动，地层水平，无岩浆活动、无断层。近百年来，未发生过大于2.5级的地震，属无震害区。

2.2.2边坡类型

根据露采矿层所形成的边坡工程地质特征，参照《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215—2002)，可将昆阳磷矿露天边坡划分为2类，见表1。

表1　昆阳磷矿露天边坡类型

“松散软弱岩类型”为散体结构和风化岩碎裂结构体，“坚硬岩石类型”为层状结构和块状结构体。“一型”表示岩性较单一，不含水或含水但易于疏干；“三型”表示岩体松散或裂隙甚发育，且含水，易发生工程地质问题。西湾露天区的工程地质和水文地质条件按上述标准分类后，边坡上部为松散软弱岩类三型，下部为坚硬岩石类一型。

2.2.3边坡稳定性理论分析

根据区内岩石的物理力学性质条件，可将露天区边坡定为松散岩石、坚硬岩石2类。除区域应力场稳定性条件外，决定边坡稳定性的还有岩石的机械物理力学性质，但更重要的因素是岩体结构面性质及其对水的敏感性。完整的边坡结构体序列自上而下分别为散体结构、碎裂结构、层状结构和块状结构。露天矿区的永久顶帮(西界永久边坡)和露采过程中的推进帮(工作帮)和临时边坡(非工作帮)，大都为上述完整的结构序列，随着露采向深部推进，层状结构和块状结构相应逐渐增厚。因此，边坡的不稳定因素在上部，因而维护和加固的重点为边坡上部。露天矿区的拉沟底帮(东界永久边坡)则情况迥异。该边坡岩体结构序列由散体结构和风化碎裂结构组成，初期采区的15#～17#勘探线的拉沟底帮便为该岩体的结构序列。该边坡岩体即便存在层状结构和块状结构，也较薄，且风化岩碎裂结构含水，风化裂隙对水的敏感性强，故拉沟底帮的稳定性较差，应合理安排排疏系统并加强边坡加固维护工作。层状结构中软弱夹层的属性应为一些泥岩和炭质泥炭所具有。该区层状结构体中的泥岩对水的亲合力性状多属崩解或碎裂状态，少有泥化现象。区内岩体为水平叠置，只要实现烧变岩孔洞裂隙潜水对拉沟底帮的渗压的有效防治，边坡的滑移和大滑坡便不会发生，原因是泥岩软弱夹层在岩体自重压力下，层理会闭塞。值得重视的是高角度纵深张性大裂隙(矿区到处可见)，烧变岩储水构造会从该裂隙中向矿场渗注水，随着暴雨来临，便会发生大的崩塌和小滑坡，故除留设100 m保安煤柱外，还需采取防渗注水的风化碎裂结构保护措施。应当指出，自燃边界外“自燃残留矿柱”之上，通常有厚数十厘米的煤灰(局部厚度大于1 m)，即为真正的“软弱夹层”，故露采时需留设100 m宽度的保安矿柱。因自燃边界外为烧变岩孔洞裂隙储水构造，谨防向矿场突水，更应严防煤灰饱水后牵动拉沟底帮发生失稳滑移。

2.3采掘场边坡稳定性分析

根据采场与地层的关系，可将露天矿边坡稳定情况分为工作帮边坡、端帮边坡、非工作帮边坡等3类。工作帮边坡走向与岩层层理走向平行，边坡岩层与边坡倾向相反，工作帮边坡高度为露天采坑的最大开采深度；端帮边坡与层理走向近似垂直，其高度随着采深的增加而增加；非工作帮边坡主要由煤层底板构成。露天矿边坡稳定主要受物料强度、结构面空间位置、强度、层理、断层及节理等因素的影响。端帮边坡与岩层层理近似垂直，其稳定性受岩层强度、节理断层控制，滑坡可能为圆弧滑坡、楔形体滑坡，本研究仅对圆弧滑坡进行计算分析。工作帮边坡岩层倾向与边坡倾向相反，岩层中的节理相对散乱，边坡滑坡模式为圆弧模式。非工作帮边坡主要由煤层底板及煤层上部的岩层构成，可能发生的滑坡模式为圆弧滑坡和圆弧直线滑坡。根据矿区地质报告，不同岩层的力学性质参数见表2。

表2　岩层物理力学性质参数

图1　自燃区域边坡稳定计算结果

图2　最终帮坡角为32°边坡稳定计算结果

非工作帮运煤干道基底存在烧变岩，在采掘场一侧预留100 m的煤柱，并加强该位置的变形监测，一旦发现异常立应即采取相应的补救措施。采掘场运输平盘或安全平盘的宽度应根据风化岩石在平盘上的堆积宽度、运输设备要求以及岩石风化后的自燃安息角确定。对于坚硬岩石应根据大块岩石在平盘上的滚落距离确定平盘宽度。本研究端帮及非工作帮留设安全平盘和清扫平盘的宽度为3 m，运输平盘宽度为40 m。

2.4排土场边坡稳定性分析

昆阳磷矿露天矿内外排土场的基底岩性有所区别，外排土场基底岩石由第四系及下部基岩构成，由上至下主要由表土、细砂、黏土、粉质黏土、砂岩、泥岩等构成，排土场基底钻孔范围内未见地下水。排土场基底较稳定，未发现不良地质作用及地下水影响，适合外排土场场地的选择。内排土场基底为砂岩和泥岩，其强度相对较高。因此，内外排土场边坡的滑坡模式不一致，对于外排土场而言，由于基底较软，滑弧可穿过基底，其滑动模式为圆弧滑坡；内排土场边坡基底强度较高，滑弧穿过基底相对较难，其滑坡模式为圆弧直线滑坡。排弃物料为煤层顶板以上的砂岩、砂质泥岩、泥岩及第四系层砂、土等混合物料，其内摩擦角为各类物料的均值(26°)，凝聚力为10 kPa，松散系数为1.15时，天然密度为1.90 t/m3。内排土场基底内摩擦角为30°，凝聚力为10 kPa，天然密度为2.52 t/m3；外排土场基底内摩擦角为22°，凝聚力为50 kPa，天然密度为1.75 t/m3。经计算，露天矿外排土场的排弃高度为60 m，边坡角为22°时，边坡稳定系数为1.26(图3)；内排土场的排弃高度为100 m，最终边坡角为22°时，边坡稳定系数为1.28(图4)。

图3　外排土场边坡稳定计算结果

图4　内排土场边坡稳定计算结果

3结语

露天磷矿边坡的稳定性与矿山安全生产息息相关，本文研究以昆阳磷矿露天矿为例，采用Bishop、瑞典条分法对其采掘场与排土场的边坡稳定性进行了分析。本研究是在假定岩石台阶为均质的基础上得出的边坡稳定性分析结论，若岩石台阶节理倾向采掘场，且节理交叉形成楔形滑体，则有可能造成局部滑坡。因此在开采时，须密切注意岩石台阶的节理变化，若有节理交叉形成的楔形体，须对该类楔形体进行诱滑处理，处理完毕后，方可进行采矿作业。

参考文献

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(收稿日期2016-03-28)

Stability Analysis of the Slope of the Mining Field and Waste Field of Kunyang Phosphate Mine

Li tianhua1,2Li Xiaoshuang1,2Li Yaoji1,2Huang Jie1,2Wang Menglai1,2

(1.National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization;2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.,Ltd.)

AbstractThe stability of the mining field and waste dump of Kunyang phosphate mine are analyzed by adopting the scene investigation, theoretical analysis and numerical simulation method. The results show that ①when the eventual slope angle of the mining field of spontaneous combustion zone is 38°, its slope stability coefficient is 1.24;when the eventual end slope angle of spontaneous combustion zone is 40°, the slope is stable in normal conditions;the eventual slope angle of the reset parts of spontaneous combustion zone is 32°,and its slope stability coefficient is 1.25. ②when the open-pit mine abandoned outside height is 60 m ,the eventual slope angle is 22° and slope stability coefficient is 1.26;when the open-pit mine abandoned inside height is 100 m,the eventual slope angle is 22° and slope stability coefficient is 1.28.The above analysis results have some reference for the safety production of Kunyang phosphate mine.

KeywordsSlope stability, Mining field, Waste field, Eventual slope angle, Stability coefficient

李天华(1966—)，男，副总经理，高级工程师,650600 云南省昆明市晋宁县。