同舟煤业露天矿边坡稳定性分析和控制

苗永旗

0 概述

在煤层埋藏较浅时，直接移运走煤层上部覆盖物，从而使煤体敞露于地表而进行开采煤炭的方法称为露天煤矿，露天煤矿开采虽没有像井工煤矿那样有水、火、瓦斯、煤尘、顶板五大自然灾害和机电、运输事故等的威胁。但滑坡、交通运输事故是露天煤矿开采的重大风险危害，特别是管理不到位造成边（帮）坡角角度增大，或基底不稳定和排水不畅造成排弃物不稳定状态时，易产生滑坡事故。

1 同舟煤业概况

1.1 地质情况

同舟煤业位于保德县义门镇，地处晋西北吕梁隆起北段西翼与鄂尔多斯盆地东缘的交接部，地势为东高西低，呈单斜构造，岩层倾角3°～8°，矿田内无断层、无陷落柱、无岩浆岩侵入。地层由上到下为黄土、红土、砂岩（粗中细）、煤层、页岩、石灰岩。

黄土：覆盖厚度约60 m，分布不均，具有温性空隙大，垂直节理发育，透水性强，压缩快、抗剪切性差等特点。

红土：厚0 m～61 m，被黄土层覆盖，透水性微弱，具海绵结构，有较大压缩性，可塑性和膨性。含水量大时处于塑态或流态，压缩性高而抗剪强度低，透水性也小，含水量小时处于硬塑态或固态，压缩性较低，抗剪强度高，土较坚硬，透水性增高。

砂岩(粗中细)：厚度4 m～20 m，多为煤层的直接顶板，粗中细粒结构、块状构造，节理发育，钙质、硅质胶结。

煤层：14#煤，厚度3.4 m～11.5 m，煤种为弱粘煤。

页岩：煤层底板为黑色页岩，厚度10 m～23.6 m。

石灰岩：奥陶系峰峰组石灰岩，厚度大于200 m。

1.2 生产工艺及参数

同舟煤业露天矿采取露天方式进行煤炭开采，开采工艺为单斗—卡车工艺，2.0 m3挖掘机进行岩土剥离、采煤和装车作业，20吨自卸式卡车进行运输和排土作业，2.0 m3轮式前装机进行场地平整。

1.3 工程地质

同舟矿田地层为层状岩类，中等坚硬（见表1）。矿田内断层不发育，岩石节理裂隙发育一般，岩体稳定性较好，地表无常年性河流，地层中只有2-3层弱含水层，无承压水。依据工程地质条件岩石力学性质的测试进行等级划分，工程地质分类属中等坚硬结构类型，按《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB12719-91）划分，工程地质条件为中等。

表1 岩石物理力学性质指标

2 边坡稳定分析

采用简化毕肖普法对采剥场和排土场进行稳定性分析。

2.1 采场边坡稳定性分析

采掘场帮坡由原始地层构成，形成沿层理面的“圆弧—直线（层面）型滑坡”的可能性较小。在由黄土、岩层和煤层构成的帮坡体中，形成“张裂缝—圆弧型滑坡”的可能性较大。

地层内含水量较小，具微承压性，富水性极弱，在未考虑来自此地层内潜水对滑坡体产生的推压力和浮托力的理想状态下建模计算。

数学模型如下：

计算公式：

式中：

必须满足条件：

式中：F—稳定系数；Ci—瞬时粘结力；r—岩石容重；hi—条块高度；rw—水容重；hwi—水位高；φi—瞬时内摩擦角；ΔXi—条块宽度；αi—条块底面倾角；Q—张裂隙水的水平作用力；σ′—有效正压力。

根据《煤炭工业露天矿设计规范》要求，采剥场临时边坡安全系数Fs≥（1.0～1.2），非工作帮服务年限小于10年边坡安全系数Fs≥（1.1～1.2）。经分析计算，边坡角在35°时，最小安全系数，为1.251，计算剖面和结果分析见图1。

图1 计算剖面

采剥场深度0 m～126 m。采剥台阶高度10 m，坡面角60°，在采剥最大高度126 m时有4个宽度30 m的作业平盘，8个宽20 m的非作业平盘，这样的台阶组合整体帮坡角为20°，远小于35°，是稳定的。非工作帮每隔2个宽6 m的平盘留设1个宽20 m的清扫平盘，在最大高度126 m帮坡角最大32°，小于35°，是稳定的（见图2）。

图2 非工作帮边坡断面

2.2 内、外排土场稳定性分析

外排土场边坡位于我矿首采区西北沟谷，纵深较大，沟谷两侧基岩出露，谷底有少量残积土层覆盖，厚度0.7 m～1.0 m，下伏石炭系砂岩、泥岩，场地稳定性较好，不会产生基底滑坡，排弃高度94 m。

依据《煤炭工业露天矿设计规范》安全系数Fs≥1.20。外排土场台阶高度20 m，平盘宽度60 m，坡面角33°，由5个台阶组成，高度94 m，整体帮坡角为20°，经分析计算在距坡顶5.8 m左右地表产生张裂缝时，排土场稳定系数最小为1.257，满足稳定要求（图3）。

图3 外排场计算剖面

内排土场台阶高度10 m，平盘宽度30 m，坡面角33°，由8个排土台阶组成，排土高度82 m，帮坡角为20°。滑坡模式是排弃物料的“张裂缝-圆弧型滑坡”类型。经分析计算在距坡顶4.3 m左右地表产生张裂缝时，排土场稳定系数最小，为1.278，安全系数Fs≥1.20。属稳定边坡（图4）。

图4 内排场计算剖面

3 边坡稳定控制

同舟煤业露天矿在边坡稳定性控制、预防滑坡事故发生是生产建设中的头等大事，始终坚持“预防为主、防治结合”的原则，针对自燃因素和人为因素，采取以下控制方法。

（1）严格要求作业人员按设计及作业规程规定的台阶高度和平台宽度施工作业。严格按设计及作业规程规定留设台阶坡面角和最终边坡角。在排土场形成过程中，力求使排土场顶面形成顺畅的排水通道，并尽量维持原地面所形成的排水体系，使地下水、地表水按原有的路径排泄，不改变其固有的排泄路径，达到排泄顺畅，不积水。

（2）局部消减载荷，在梁家村新农村北部由于该村村民要求在原址上建设新村，该村原址南部是黄石崖沟和朱庙公路，西部和北部是原始第三系红土和第四系黄土组成土山，东部是沟渠填土。在新农村建成之时，北部靠山脚太近，最后一排房后墙离山根只有16 m，后山高度36 m，自然坡度63°，曾一度被村民和当地政府列为地质灾害危险区。矿方针对此情况，从后山的山顶开始削土降破。每9 m一个台阶，每个台阶坡面角60°，每个台阶宽度6 m，最后达到总体边坡角43°。通过毕肖普法验算，稳定系数为1.211，大于1.2标准安全值。该边坡5年来形态稳定。

（3）修筑截、排水沟，保持坡角及坡体干燥性，从而保证坡体岩土的机械强度和内部粘合力，以达到坡体的稳定性。

首采区在剥离过程中，由于施工人员追求利益的最大化，少剥离岩土，多采挖煤炭。在采剥场的北帮产生高83 m，总体边坡角42°的高陡边坡。此边坡一直被本矿和上级主管部门列为重点隐患，本矿组织有关部门召开技术会议，制定安全措施，在高陡边坡的坡角挖筑集水坑、安设排水设施，如有积水随时抽排，确保坡角的干燥性，在坡顶修筑截排水沟，将雨水引流排入北部自然沟渠，同时加强巡查，直到在高陡边坡进行压帮排土处理完毕。

（4）排土场坡面和平台及时绿化，本矿排土场能恢复耕地的尽量平整，上覆黄土、有机土恢复为耕种地。对于不能恢复为耕种地的平台、坡面，一旦不在进行排土，及时种沙打旺、紫花苜蓿等牧草和栽种侧柏、油松、槐树等乔木立即恢复植被，从建矿到现在4年间，投资8 000多万元，绿化矿区570多亩，土地复垦2 655多亩，植被恢复1 300多亩以达到稳定表面岩土，减少雨水的渗入。

（5）加强位移监测和人工巡查，到目前为止，同舟煤业露天矿在外排土场布置有3条检测线12个监测点，内排土场南部南峁、贾家峁新农村一带布置有2条检测线6个监测点，在内排土场采剥场方向布置有3条检测线12个监测点，在采剥场布置有3条检测线9个监测点，另外在采剥场北帮高陡边坡顶部布置有2个监测点。此11条检测线41个监测点采用RTK静态2小时测量，每旬进行1次，每季进行一次稳定性分析。安排专门人员每天进行边坡巡查，发现问题及时汇报，采取措施进行处理。

（6）及时收听天气预报，了解当地未来的天气状况、雨雪情况，及时获取并传达关于山体滑坡和泥石流灾害的预报和警报。

同舟煤业通过采取以上方法进行边坡稳定性控制和管理，确保了从开始建设露天矿到目前正常生产四年多来，没有发生过任何滑坡事故。