某露天煤矿边坡稳定性分析及治理措施

高焕然 吕淑然 王婉青 张博倩

(首都经济贸易大学安全与环境工程学院)

在露天煤矿的日常生产当中，边坡高度随着采掘深度的增加不断上升，边坡稳定性也随之变差，可能导致滑坡、坍塌等事故的发生，露天煤矿的安全生产受到严重威胁。近年来，矿山边坡发生的滑坡、坍塌等事故造成了严重经济财产损失和人员伤害。因此，对露天煤矿边坡稳定性进行分析显得尤为重要。针对矿山的边坡稳定性问题，已有很多学者进行研究。张江伟、李小军[1]分析总结了地震作用下边坡稳定性分析的研究现状和特征，从特点和适用性2个角度对不同理论和方法进行了分析，并对该领域研究存在的问题进行讨论，对发展趋势进行展望；姜海涛[2]通过理论分析和FLAC3D模拟软件研究了排土场边坡变形与破坏的相关特征和规律，得出排土场边坡内部应力及位移分布特征和排土场边坡变形及破坏规律；何怡等[3]利用离散元软件3DEC对工作台阶边坡在自然状况及爆破下的稳定性进行了定性和定量研究；王婉青等[4]利用slide软件对某矿山的西帮边坡进行了稳定性分析计算，并针对边坡稳定性影响因素提出了一些治理措施；向章波等[5]通过slide软件模拟了川南某红层路堑边坡，对不同工况下的边坡稳定性进行了分析；杨清峰、陈玉明[6]通过slide软件对某尾矿库进行稳定性分析，并根据分析结果提出相应整改方案。在学习总结前人研究的基础上，本文通过slide模拟软件构建某露天煤矿北帮边坡的3个典型剖面模型，对其稳定性进行分析，并根据分析结果和矿山实际情况提出相应的治理意见。

1 矿山边坡概况

某矿区位于云贵高原，南北长约7 km，东西宽2～3 km，面积约17 km2，其中含煤面积为9.03 km2。北帮边坡位于溶蚀构造中低山区，坡高约210 m，整体坡度为15°～25°。地表溶蚀沟槽较发育，区内发育3条冲沟，沟内无常流水，属季节性冲沟。

该矿区为新第三纪地层构成的山间向斜盆地。四周高山由二迭系和三迭系灰岩、砂岩、页岩及始新世小花山砾岩所组成，岩溶发育。露天坝北帮新第三系地层共分为4个岩性段。泥灰岩段岩性为浅灰、灰色厚层；主煤层段是一套巨厚褐煤层，煤层中有百余层黏土岩，粉砂质黏土岩、炭质黏土岩夹矸，另有2～3层含炭生物碎屑灰岩夹矸；薄煤层段上部由层数较多的薄层褐煤与含薄层炭质黏土岩及黏土岩组成，下部多为黏土岩、炭质黏土岩、薄层炭质页岩及较少薄层褐煤。

本区属于亚热带气候，气温较高，雨量充沛。暂时气温的极限值为-2.4～39℃。夏季酷热，局部地区气温可高出40 ℃。据降雨量统计资料，最小年降雨量为542 mm，最大年降雨量为1 140 mm，雨季汇集地表水流大部分沿截洪沟排泄入江。

井田内褶皱有2处向斜，东部有近南北走向的F2断层和东北走向的F3断层，西部有走向北西的F4断层，西北有走向南北的F7断层和走向北东的F8断层。从总的情况来看井田内地质构造不复杂，地震烈度为7度。

根据矿山相关资料显示，北帮边坡地质灾害为特大型地质灾害，危害性大，是该矿山生产过程中的薄弱环节。近年来,由于开采强度加大和雨季的强降雨等原因，北帮边坡开始发生变形，曾发生过局部滑坡事故，尽管经过治理，情况有所见好，但该矿北帮边坡仍存在一定的安全隐患,需要对其进行稳定性分析。

2 边坡稳定性分析

根据该露天煤矿北帮边坡a-a′、b-b′和c-c′地质剖面图和相关尺寸数据，在slide软件中建立3个典型剖面的模型，见图1。

图1 典型剖面slide模型

根据该矿提供的勘探资料，列出各岩层岩石力学参数指标见表1。

表1 各岩层岩石力学参数

在已经建好的3个典型模型上赋予岩层物理力学参数值，地震烈度为7度，使用瑞典法(Ordinary/Fellenius)、简化的Bishop法、简化的Janbu法对a-a′、b-b′和c-c′3个剖面进行稳定性分析计算。a-a′剖面稳定性分析计算结果见图2。各剖面边坡稳定性系数汇总见表2。

通常把边坡的稳定性等级分为四类[7]，见表3。

由图2、表2、表3可知，为了安全起见，选取3种计算方法所得结果的最小值作为北帮边坡某一剖面的安全系数，a-a′ 剖面为1.04，处于欠稳定状态;b-b′剖面为1.16，c-c′剖面为1.20，均处于基本稳定状态。该矿北帮边坡a-a′剖面的安全系数很接近安全系数临界值1，北帮边坡为非工作帮，为永久性边坡，服务年限大于20 a。《煤炭工业露天矿设计规范》[8]中要求非工作帮服务年限大于20 a的，安全稳定性系数要求大于1.3。从得到的结果来看，边坡已经处于临界状态，存在较大风险，如果遇到雨季或者其他破坏条件，边坡容易发生滑坡等地质灾害，所以要对北帮边坡采取一定的治理措施以防止地质灾害的发生。

3 治理措施

(1)完善疏干排水系统。疏干排水可以降低该矿山北帮边坡岩体受到的雨水侵蚀，阻碍雨水侵入北帮边坡软弱结构面中，进而提高岩体的强度，减少岩体受地下水压力的影响。

(2)减载及加固。通过挖去边坡上部的岩体并回填至边坡脚部来减小位移滑力。采用护坡措施或者局部加固措施，防止滑坡。由于北帮边坡的总体坡度已经很缓，局部失稳时可以采用锚固点为坚硬岩石的锚杆加固，还可以将滑体分为上下两部分，采用分级支撑，桩墙联合加固。此外，在矿山开采过程中应定期或不定期地清扫边坡，同时加强治理，定期维护，避免出现局部滚石或者局部滑坡。

图2 不同方法的a-a′剖面稳定性计算结果

剖面瑞典法简化的Bishop简化的Janbu法a⁃a′1．041．131．04b⁃b′1．171．271．16c⁃c′1．231．351．20

表3 稳定性等级划分[7]

(3)处理拉伸裂缝与破碎带。边坡在发生破坏前，往往会在其顶部出现拉伸裂缝，这些拉伸裂缝也通常是坡体破坏面的开始。因此，采用强力锚杆加固的方法预防拉伸裂缝的出现，此外还可以通过预注浆对断层、软弱夹层和破碎带进行加固。

(4)注意露天矿山边坡的复杂性、时效性和动态性等特性，坚持动态治理的原则。该露天煤矿具有边坡位移监测系统，当发现异常情况时，在异常点附近建立3条边坡倾向方向的监测线以确定滑坡范围，必要时设置地下位移监测孔，确定滑动面位置，为治理滑坡提供依据。此外，应健全巡查制度，对边坡进行定期巡视，特别是雨季和出现破面裂缝时，应及时采取措施，防止事故发生。

4 结 语

(1)通过对某露天煤矿北帮边坡的3个典型剖面进行建模计算，得出北帮边坡的安全系数为1.04，说明北帮边坡处于欠稳定状态，存在较大风险，如果遇到雨季或者其他破坏条件，边坡容易发生滑坡等事故。

(2)根据该露天煤矿北帮边坡的欠稳定状态和矿山实际情况，建议采取完善疏干排水系统、挖去边坡上部的岩体并回填至边坡脚部、采用强力锚杆加固的方法预防拉伸裂缝等治理措施，以保证边坡安全稳定。

(3)边坡的治理工作中应坚持动态治理、长期治理的原则，加强边坡地表和地下位移监测，建立蠕动边坡加速变形的中长期预测和临滑预报，更好地掌握边坡变形破坏规律，采取有力措施控制边坡的变形破坏过程，及时预防边坡灾害。

[1] 张江伟,李小军.地震作用下边坡稳定性分析方法[J].地震学报，2015，37(1)：180-191,205.

[2] 姜海涛.基于FLAC3D复合排土场边坡动态破坏过程研究[J].露天采矿技术,2017,32(5):16-18.

[3] 何 怡,郭丽芳.爆破影响下露天矿边坡的稳定性分析[J].矿业安全与环保,2017(6):1-4.

[4] 王婉青,陈 印,杨 溢.某露天煤矿采场边坡稳定性分析[J].煤矿机械，2016，37(12):63-65.

[5] 向章波,张家铭,周晓宇,等.基于Slide的某红层路堑边坡稳定性分析[J].水文地质工程地质,2015,42(4):90-95.

[6] 杨清峰,陈玉明.基于Slide的尾矿库坝体稳定性分析[J].煤矿机械,2017,38(6):164-167.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50330—2013 建筑边坡工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范[S].北京:中国计划出版社，2015.