老君庙露天煤矿边坡稳定性分析

常贵平

(迁安市凯达矿山工程有限公司)

露天矿边坡的稳定是保证矿山安全生产的重要前提[1]。露天矿山一旦发生滑坡等地质灾害，不仅造成巨大的经济损失，还会造成大量的人员伤亡，因此，对露天矿山边坡稳定性分析与评价，并根据分析评价结果提出切实可行的边坡治理措施，对保证矿山安全和降低开采成本尤为重要[2]。

工程实践表明，地下水、最终边坡角、岩层产状、岩体风化程度等对边坡的稳定性影响具有决定性作用。吕粲等[3]对哈尔乌素露天煤矿南端帮的边坡角进行了优化，大幅度提高了矿山的经济效益；杜时贵等[4]对大型露天矿边坡岩体稳定性分级方法进行了研究，研究结果对岩质边坡稳定性精确计算具有重要的参考价值；李俊平等[5]采用FLAC3D数值计算软件对某山坡露天矿边坡的稳定性进行了分析，证明该方法可用于最终边坡角的确定；百润才等[6]对白音华1#露天矿北帮边坡稳定性进行了分析，为矿山经济效益最大化提供了依据；范刚等[7]对含软弱夹层顺层岩质边坡传递函数及其应用进行了系统研究，研究成果具有重要的理论意义和实际的工程应用价值；沈华章等[8]对应变软化边坡渐进破坏及其稳定性进行了初步研究；曹兰柱等[9]以胜利西二露天矿边坡为研究对象，对煤矿端帮逆倾软岩边坡稳定性进行了研究，并确定了最优边坡角；马文成等[10]为研究雨水侵蚀对边坡稳定的影响，采用数值模拟的方式分析降雨强度对边坡稳定性的影响程度；祁小辉等[11]考虑了地层变异对边坡稳定性的影响，并对此开展了系统的研究工作；张立博[12]等以三山岛金矿露天边坡为研究对象，开展了强降雨对高陡岩质边坡稳定性影响的研究。

本文以新疆奇台县老君庙露天煤矿边坡为研究对象，在矿区工程地质、水文地质资料调查研究的基础上，结合该矿的开采条件，选取有代表性的剖面在对边坡详细勘察及获取边坡岩体力学参数的基础上，对边坡在自然及疏干排水作用下的稳定性进行分析，根据分析结果，确定最优边坡角。

1 工程概况

老君庙露天煤矿位于准格尔盆地东缘，离奇台县城北东约100 km，东西宽约2.6 km，南北长约7.5 km，面积约19.6 km2。老君庙矿区煤田地层主要有第四系松散岩类，新进系、侏罗系碎屑岩类。煤田大面积被第四系覆盖，中部有新近系地层出露，北部煤层被火烧而形成大面积烧变岩。

第四系松散层为戈壁平原堆积，属典型的散体结构。在外力及放炮震动作用下容易产生滑坡。煤田中部呈条带状出露的新近系属近散体结构，风化裂隙较发育，一般岩石结构未发生改变。经风化后岩石力学性质有所降低，略低于新鲜岩石。未风化的侏罗系下统三工河组地层为无煤岩组，为碎裂结构，易形成小型岩层滑动，易软化泥化。岩石的机械强度低于同类岩石的正常范围，属不稳固型。含煤岩组为未风化的西山窑组赋煤地层，基本为软质岩石，易软化，坍塌、滑移、压缩变形均可产生。岩体的变形破坏受软弱结构面的规模、数量、特性及其组合特征所决定。煤田的北部煤层火烧裂隙发育，成为储水场所或导水通道，烧变岩受到震动后可发生崩塌，应引起重视。侏罗系西山窑组地层赋煤10层，结构松散，易风化，遇水软化并发生膨胀，降低了强度和稳定性，增加了滑坡的可能。矿区三维地质模型和边坡高度分区分别见图1、图2。

图1 矿区三维地质模型

图2 矿区边坡高度分区

2 计算剖面选取

根据矿区开采环境、开采顺序以及各剖面的地质图，选取典型剖面1、2、1′作为研究对象，分析各剖面边坡稳定性情况。根据矿区地质勘察资料可得边坡所含岩层、煤层及火烧区分布，露天矿区主要含泥岩、各类砂岩、第四系含砾黏土及火烧岩各剖面汇总结果见表1。

表1 计算剖面情况汇总

3 岩体力学参数确定

边坡稳定性分析中涉及的岩土包括第四系砾黏土、砂岩、泥岩和煤，岩体物理力学参数主要有密度、黏聚力、内摩擦角及黏土弱层的长期抗剪强度指标，根据室内岩体力学实验和工程类比，本次计算采用的物理力学参数见表2。

表2 岩体物理力学参数

4 边坡稳定性分析

4.1 剖面1

剖面1位于矿区西帮，边坡高度为103 m，含有3层煤层，属于工作帮，初步确定边坡角为36°。在自然状态下，分析边坡的稳定性，计算结果及滑坡模式见图3。

图3 自然状态下剖面1边坡角36°时的计算结果

由图3可知，潜在的滑面为在下面的台阶上形成圆弧-顺层滑弧。因该剖面处岩层和煤层数量较多，计算得到的安全系数为1.042，边坡处于极限平衡状态，如不采取相应的安全措施，边坡在开采扰动或强降雨条件下，可能会发生滑坡等地质灾害。根据工程实际情况，为提高边坡的安全系数，初步选择疏干排水措施。在疏干排水状态下，当边坡角为36°时，剖面1的计算结果和滑坡模式见图4。

图4 疏干排水状态下剖面1边坡角36°时的计算结果

由图4可知，在疏干排水状态下，剖面1的破坏模式与自然状态下的类似，但其安全系数达到了1.253，安全系数较自然状态提高了20.2%。由上述计算可知，通过疏干排水措施，可以确保该处边坡的整体稳定性。

通过放缓最终边坡角同样可以提高边坡的安全系数，当边坡的最终边坡角放缓到34°时，在自然状态下，计算结果见图5。

图5 自然状态下剖面1边坡角34°时的计算结果

由图5可知，潜在的滑面为在下面的台阶上形成圆弧-顺层滑弧，计算得到的安全系数为1.18，因该剖面所处的位置为工作帮，该安全系数基本能保证该处边坡的安全稳定。为进一步增加该处边坡的稳定性，同样可采用疏干排水的方式增加边坡的安全系数。采用疏干排水措施后，该处边坡的计算结果和滑坡模式见图6。

图6 疏干排水状态下剖面1边坡角34°时的计算结果

由图6可知，在疏干排水状态下，当边坡角为34°时，安全系数为1.31，疏干排水状态下的安全系数较自然状态下的安全系数提高了11%。

4.2 剖面2

剖面2位于矿区南帮，属于非工作帮，该处边坡高度为154 m，煤层为9层，开采过程中该帮有运输线路。在自然状态下，初步设计的最终边坡角为36°，边坡稳定性计算结果见图7。

图7 自然状态下剖面2边坡角36°时的计算结果

由图7可知，在自然状态下，当边坡角为36°时，边坡的安全系数为1.18，边坡处于极限平衡状态，为确保边坡在矿山生产过程中的安全稳定，初步采取的工程措施是在最终边坡角不变的情况下进行疏干排水。疏干排水后边坡稳定性计算结果见图8。

图8 疏干排水状态下剖面2边坡角36°时的计算结果

由图8可知，在疏干排水状态下，当边坡角为36°时，边坡的安全系数为1.37，基本可以满足边坡稳定性的要求。

如不采取疏干排水而采用放缓边坡角的方式，同样可以达到提高边坡安全系数的目的。当边坡角由36°放缓到34°时，自然状态下边坡稳定性计算结果见图9。

图9自然状态下剖面2边坡角34°时的计算结果

由图9可知，在自然状态下，当边坡角由36°放缓到34°时，边坡的安全系数为1.31，边坡处于极限稳定状态。在此情况下，如采取疏干排水措施，可进一步提高边坡的安全系数。采用疏干排水工程措施后，边坡稳定性计算结果见图10。

图10 疏干排水状态下剖面2边坡角34°时的计算结果

由图10可知，在疏干排水状态下，剖面2在边坡角为34°时的安全系数为1.48，可以确保边坡的安全稳定。

4.3 剖面1′边坡稳定性分析

剖面1′位于矿区北帮，有大范围的火烧区，该处边坡的高度为124 m，初步确定的边坡角为36°，自然状态下边坡稳定性计算结果见图11。

图11 自然状态下剖面1′边坡角36°时的计算结果

由图11可知，边坡的安全系数为1.62，此时，即便不采取疏干排水等工程措施，边坡也可保持安全稳定。

5 最大边坡角的确定

以1.15边坡稳定性安全系数作为标准，分别对剖面1、2和1′进一步分析，分别考虑自然和疏干排水状态下，对边坡角为34°～38°进行计算分析，得到边坡安全系数与边坡角的对应关系，见图12。

图12 不同剖面安全系数与边坡角关系曲线

由图12 (a)可知，在自然状态下，剖面1边坡角为34°时的安全系数为1.18，36°时的安全系数为1.042，38°时的安全系数为0.912；在疏干排水状态下，剖面1边坡角为34°时的安全系数为1.31，36°时的安全系数为1.253，38°时的安全系数为1.111。以1.15为边坡安全系数标准，由此确定自然状态下剖面1的最终边坡角为34°，疏干排水状态下最终边坡角为36°，必须保证疏干排水系统的施工质量。

由图12 (b)可知，在自然状态下，剖面2边坡角为34°时的安全系数为1.31，36°时的安全系数为1.18，38°时的安全系数为1.057；在疏干排水状态下，边坡角为34°时的安全系数为1.48，36°时的安全系数为1.37，38°时的安全系数为1.162。综合上述分析，在疏干排水状态下，剖面2的边坡角可提高到38°。

由图12 (c)可知，在自然状态下，剖面1′边坡角为34°时的安全系数为2.038，36°时的安全系数为1.62，38°时的安全系数为1.572；在疏干排水状态下，坡角为34°时的安全系数为2.17，36°时的安全系数为1.94，38°时的安全系数为1.85。综合上述分析，剖面1′的边坡角可以确定为38°。

6 结 论

(1)自然状态下，剖面1、2、1′边坡在边坡角为36°时的安全系数分别为1.042、1.18和1.62；疏干排水状态下，剖面1、2边坡的安全系数分别为1.253和1.37。将边坡放缓到34°时，自然状态下剖面1、2边坡的安全系数分别为1.18和1.31；疏干排水状态下剖面1、2边坡的安全系数分别为1.31和1.48。

(2)以1.15边坡稳定性安全系数作为标准，在疏干排水状态下，剖面1最终边坡角可确定为36°，剖面2、1′最终边坡角可确定为38°。

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