露天煤矿终了边坡稳定性分析

马育红

（山西煤炭运销集团阳泉有限公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

据资料统计显示，我国露天煤矿数量较多，开采过程中交通条件便利，且具有开采安全系数高、大型机械作业化程度高、辅助设备利用率高等众多优点。但随着煤层的开采，煤矿的深度逐渐加深，破会了周边岩石的力学平衡性，形成地裂缝、局部塌陷等情况，边坡也越来越高，同时，矿区植被破坏，岩石裸露，地表蓄水能力差，水土流失严重，导致泥石流、岩体崩塌、滑坡等地质灾害频发，边坡的安全隐患也越来越多，影响了矿区正常的生产。故为了安全的生产，研究边坡的稳定性具有重大的意义[1-2]。

1 大峰矿区概况

大峰煤矿位于石嘴山市贺兰山腹地，地势皱褶，平均海拔+1823.8 m～+2118.4 m，南北宽为2.94 km，东西长为1.59 km，总可采面子为4.68 km，距离市区仅30 km，附近有高速、国道、铁路和民航，交通较为便利。矿区动、植物较少，小灌木居多。

因大峰矿海波较高，坡度大，地势皱褶且沟谷较多，故年降雨量仅有少量渗透到地下，地表下含水量较低。矿井为东缓西陡南端抬起的盆地结构，在向矿区西翼发现有次生褶曲发育，其构造为次级褶皱和断层[3-4]，矿区地貌如图1 所示。

图1 矿区地貌状况图

1.1 矿区地质情况

根据大峰矿区内的勘探资料显示，矿区内岩体的工程地质可分为三大岩类、六大岩体，如表1 所示。

表1 矿质分类表

1.2 可采煤层的岩石的物理力学特征

1）岩石的化学特性，为了了解可采层的岩石的地质情况，对区域采集岩石样品，对样品进行物理、力学性质的分析，由试验结果得知了岩石真密度的平均值为2.78g/cm3、岩石含水量为0.14%～1.59%、岩石孔隙率5.31%～9.31%、岩石软化系数0.29～0.49。

2）岩石的力学特性，依据实验结果，岩石的变形模量、弹性模量、泊松比如表2 所示，由表2 可知，各力学特性的平均值分别为2.314×104MPa、2.53×104MPa、0.152，力学特性值均偏低，表明岩石层易于变形，开采的过程中应加强防护[5]。

表2 岩石力学性能

1.3 区域水文地质条件

矿区地势较高，皱褶发育，雨水大多数沿沟壑汇总于大峰沟，仅有少量雨水渗漏到井田。根据矿区钻孔勘探结果表明，平均最深水位为136.99m，附近3#、5#、7# 煤组的底板深度分别为 173.75m、193.58m、237.56m，故在开采过后成中，井田的涌水量较低，据近年来统计资料显示，最大涌水量为11.7m3/h，平均涌水量为8.3m3/h。

随着煤矿的开采，矿区将会形成凹陷的露天状态，降雨后雨水不易排出会聚集在矿区，故为减少聚水量，需增设防洪堤和排水管道，排出多余的积水。

2 大峰边坡稳定性分析

边坡的稳定性的主要衡量制指标为安全系数、经济效益、剥采比等，综合众多影响因素得出边坡稳定的允许安全系数，当理论安全系数小于允许安全系数时，边坡存在安全隐患，当理论安全系数大于允许系数时，边坡理论比较安全。

依据《岩土工程勘察规划》手册，大峰矿属于重要工程，允许安全系数为1.3～1.5，本文结合大峰矿实际情况，取安全系数为k0=1.3。根据大峰矿实际生产情况，建立边坡的受力简图，如图2 所示。

图2 边坡受力分析图

根据平面滑动性理论，边坡稳定系数k 为抗滑力R 与下滑力 S 之比，如式（1）：

式中：c 为岩体的内聚力，MPa；φ 为岩体的内摩擦角，°；θ 为坡面倾角，°；L 为滑面长度，m；G 为岩体的质量，kg；

其中岩体的质量G 为：

式中：γ 为岩体的容重，kg；h 为边坡切层高度，m；α 为开挖坡角，°。

将岩体的质量G 带入安全系数k 的公式中化简得：

由公式（3）可知，除了岩体本身的内聚力c、内摩擦角φ、岩体的容重γ 等外，影响非工作帮终了边稳定性系数的人为因素只有台阶高度h 和坡面倾角θ。

图3 安全系数—高度的变化情况

当坡面角θ 一定，安全系数随台阶面高度的变化曲线如图3 所示，安全系数随着台阶面高度逐渐减小，当台阶面高度为15m时，安全系数为1.31 大于允许安全系数1.3；当台阶面高度不变，安全系数随着坡面倾角θ 的变化情况如图4 所示，安全系数随着坡面角的增大而减小，当坡面倾角为71.3°时，k=k0=1.3。

图4 安全系数—台阶面倾角变化情况

3 大峰矿终了边坡稳定性数值模拟分析

3.1 大峰煤矿终了边坡特征

大峰矿边坡主要分为工作帮边坡、端帮边坡和非工作帮边坡，因工作帮和端帮边坡角较小且边坡稳定性较好，故本文主要以非工作帮边坡为研究对象，其终了边台阶面坡面角为70°，煤层倾角24°，岩砂倾角为45°，简图如图5 所示。

图5 非工作帮边坡简图

3.2 边坡三维模型的建立

图6 边坡岩层钻孔柱状图

根据地质资料和现场实况勘测，边坡主要由粉砂岩、煤、粗粒砂岩等组成，如图6 所示，利用Midas- Gts 建立相应的边坡三维模型，以边坡位移和应力作为研究参数，来评价边坡的稳定性。非工作帮边坡高约96m，虽然没有结构断层，但有两个煤层夹在其中且倾角一致，煤层的平均厚度为3m，上层为粉砂岩，下层为粗粒砂岩，以煤层横截面做网格划分，如图7 所示。

图7 非工作帮边坡模型

3.3 边坡模型的模拟分析

设置各参数值，通过软件模型分析，得到了非工作帮边坡的主应力图，如图8 所示，得到X 向最大下滑力为 0.43MPa，Y 向最大下滑力为 0.35MPa，Z 向下滑力为0.35MPa，由8 图可知，因两层倾斜煤层的存在，在煤层倾斜方向上，相对于层理面，终了面呈明显下滑趋势。

图8 非工作边坡总应力云图

4 结 论

本文通过建立非工作边坡的受力模型、三维模型，忽略其他次要因素，得出了影响边坡稳定性系数的人为因素为台阶高度h 和坡面倾角θ，为了提高露天煤矿的更安全的开采，提出以下几点建议：

1）在煤矿的开采过程中，尽量减小边坡负载和边坡角。

2）当开采过程中，若发现有裂隙发育或出现裂隙时，因尽快削坡，减小边坡角，降低边坡下滑力。

3）为了保护边坡周边岩体的强度，尽量采用预爆破。

4）针对坡面倾角较大的区域，适当布置锚杆或锚索，增大岩体间的摩擦力和抗滑力，提高边坡的安全系数。