大南湖二矿边坡稳定性分析与防治措施

2020-09-02陆卫国

露天采矿技术 2020年4期

陆卫国

（国网能源哈密煤电有限公司，新疆哈密839000）

大型露天矿山的边坡稳定性易受气候、地形地貌、岩性以及水文地质等多种因素的影响，并且严重制约着矿山的安全经济高效生产，而且露天矿山边坡岩土性质、组成成分复杂，风化及采场剥离易引起边坡岩土力学性质的改变从而影响边坡的稳定性[1-2]。滑坡作为边坡稳定性事故最为常见的安全隐患，随着露天矿坑深度的延伸，排土场增高，边坡稳定性越来越差，如何避免滑坡等安全事故的发生，增强边坡稳定性成为露天矿山进行下一台阶开采工作的重要组成部分[3]。吕一鸣[4]通过整合外排土场边坡工程简化模型并对其稳定性进行了评价。韩万东[5]采用Spencer 和bishop 2 种方法对露天矿边坡进行稳定性计算，通过数值模拟的方法对其破坏机理和模式进行分析，为边坡治理和预防提供了理论基础。赵冲[6]采用Flac3D数值模拟软件对露天矿边坡滑动破坏问题进行分析并提出了一系列防治措施。任国柱[7]通过分析扎哈淖尔露天矿滑坡的影响因素并对此提出了预防及防治措施。周子涵[8]建立了自重应力作用下断续节理岩质边坡失稳的尖点突变理论力学模型，探讨了岩石力学性质及力学参数对其边坡稳定性的影响，对边坡岩体稳定性评价与失稳预判提供了一定的理论支持。针对大南湖二号露天煤矿边坡特定地质条件，采用Spencer 法在Morgenstern-Price 法对其边坡稳定性进行科学合理的评价分析，并基于此提出经济合理的边坡防治措施，为大南湖二号露天煤矿经济安全高效生产提供了一定的理论基础。

1 矿井边坡地质概况

大南湖二号露天煤矿位于大南湖矿区西北部，与大南湖一号矿井相邻，地处于国家大型煤炭基地新疆吐哈区东部，属哈密市南湖乡管辖，矿区走向长约6.21 km，倾向长度约6.19 ～6.88 km，面积大约为40.52 km2。该矿区煤层赋存厚度约为122.34 ～466.96 m，平均305.76 m，其中可采及局部可采煤层3、5、8、9、11 等总共21 层，矿井设计生产能力6.0 Mt/a。

大南湖二号露天煤矿边坡工程主要以泥岩、煤层、粉砂岩、粗砂岩、中细砂岩组成的侏罗系地层结构为主，该地层边坡以软弱岩体为主，间夹少量半坚硬岩体或坚硬岩体，地层岩性组合比较复杂，各岩层的渗透性能差别较大，富水性弱，但易于疏干，易风化，软化变形，大部分样品遇水湿胀崩解，属一类二型边坡类型。首采区边坡工程北帮属顺向边坡，即岩层倾向与边坡坡向一致，岩层倾角一般小于10°，边坡稳定性差，易发生顺层滑坡；东帮岩层倾向在北部比较平缓，南部与边坡坡向同向，属顺向边坡，岩层倾角一般10°左右，边坡稳定性差，易发生顺层滑坡；而南-南东帮的岩层倾向与边坡坡向相反，利于边坡稳定。总体来讲首采区边坡工程属侏罗系地层，裂隙发育，易风化，岩体破碎，稳固性差，降低了边坡岩体的强度，不利于边坡稳定。该矿区边坡潜在弱层主要以煤层直接底板的泥岩层为主，受边坡体应力条件的变化以及及水对弱面活化作用影响下，岩层极易产生滑动，严重制约着边坡的稳定性；同时由于地表降雨，爆破工艺和开采工艺等不确定因素的影响，极易导致弱层活化，影响边坡的稳定性。

2 边坡稳定性分析

根据大南湖二号露天煤矿边坡及排土场边坡地质条件，选取毕肖普法和Spencer 法进行边坡稳定性安全储备系数的计算，同时选用Geo-slope 软件和Stab 软件进行边坡稳定性分析和验算，综合评价重点区域的边坡稳定性，提高了稳定性分析的科学性和指导性。

2．1 边坡安全储备系数

边坡安全储备系数是边坡稳定分析计算中的一个定量参数，它直接关系到设计边坡的经济性与安全性。根据GB 50778—2012 露天煤矿岩土工程勘察规范明确规定的边坡稳定性安全系数Fs的选用范围，服务年限低于10 年，同时结合目前对大南湖二矿研究区域地质条件、构造条件、建筑设施及边坡重要程度等资料的掌握情况，本次稳定计算的安全储备系数的选取充分考虑边坡稳定的时空效应，按非工作帮边坡和临时边坡（外排土场）分别予以考虑，北端帮及排场边坡安全储备系数均取1.2。

2．2 边坡稳定性

2．2.1 矿坑边坡

矿坑边坡上部岩层为火烧岩，选取北帮边坡剖面进行现状边坡及设计边坡的稳定性计算分析，在现状边坡时，边坡中下部岩层台阶未剥离，仅有上部火烧岩台阶，局部台阶稳定性为1.4 以上，整体稳定性大于1.6，滑动区域影响在火烧岩台阶内部，满足安全储备要求；随着开采活动的进行，下部台阶剥离靠近火烧区，火烧区边坡形成从火烧区至下部正常岩层的滑动形态，局部台阶稳定性和整体边坡稳定性均大于1.4，满足安全储备大于1.2 的要求，矿坑边坡稳定性计算结果见表1。

表1 矿坑边坡稳定性计算结果

随矿坑向深部延伸，火烧区整体边坡的稳定系数逐渐降低，整体边坡受煤层间软质泥岩和炭质泥岩等软弱夹层控制，软弱夹层出现整体滑移线性，潜在滑面沿底部软弱夹层向下剪出。

2.2.2 排土场边坡

大南湖二号露天煤矿共设置2 个外排土场，分为东排土场和南排土场，目前均处于排弃过程中，排土场边坡角度及高度均小于实际设计值，其边坡稳定性表现良好，满足工程要求。

通过对南排土场和东排土场现状边坡以及计划设计边坡进行整体稳定性分析，排土场边坡稳定性系数均大于边坡安全储备系数1.2，符合预期设计要求。南排土场边坡稳定系数计算云图如图1，东排土场边坡稳定系数计算云图如图2，排土场边坡稳定性计算结果见表2。

3 边坡稳定性控制方案与防治措施

根据现有设计方案及其边坡稳定性分析结果，并不能完全排除矿坑边坡及排土场边坡失稳的可能性，边坡滑坡是露天矿安全生产的重大隐患之一，露天矿边坡的稳定性直接关系到矿山能否正常生产。因此需要加强大南湖二矿边坡治理工作，以保证矿山生产的安全、高效、经济和有序进行。

图1 南排土场边坡稳定系数计算云图

图2 东排土场边坡稳定系数计算云图

表2 排土场边坡稳定性计算结果

3．1 防治水措施

水是影响边坡稳定性的主要因素之一，含水量的增加造成岩体强度的减小，同时由于动水压力和静水压力的增大极大程度上的影响岩体强度；而且含水量的增加引起岩体强度弱化，形成岩体弱面的改变，从而造成滑坡等边坡失稳事故的发生。抗剪强度与含水率关系曲线图如图3。

图3 抗剪强度与含水率关系曲线图

水的来源主要有天气变化形成的降雨和地表径流以及岩体裂隙中流通和储存的水，分别称之为地表水及地下水。因此，水的防治主要采取“截、排”相结合的办法，主要措施避免平台积水过多，采场内部积水及时疏干，同时加强火烧区积水的研究工作，避免突发涌水事故。

3．2 排土场边坡防治措施

排土场边坡稳定不仅能对矿山安全高效生产产生巨大的作用，同时对矿山周边环境保护具有重要意义。为保证排土场边坡稳定性，提出以下措施：

1）采用分散排弃表土及强风化岩的方法，保持高台阶排土的稳定，雨季汛期控制排土物料中泥岩的含量不超过30%~40%，避免排土堆中形成软弱界面及地下渗水隔断层产生滑坡的危险。

2）控制排土场外推线的推进速度，给排土场一定的固结时间，以便增加排土堆场的抗压强度，采用多点排土或者交替排土。

3）在排土场下部，以排弃大块岩石为主，增强排土场基底的抗剪强度。

4）控制排土强度，做到充分压实。

5）在到界排土场的主要部位设置监测点，对排土场进行动态监测。

3．3 控制开采措施

露天矿山由于开采量大，开采速度快，从而造成露天矿边坡具有如下特点：①工程的时效性：边坡大多属于临时性边坡，服务年限长短不一，只要能保证相应期间的生产与安全即可；②边坡的可变形性：允许产生一定的破坏，只要这种变形及破坏不致影响露天矿的安全生产即可，确保露天采矿能取得最大技术经济效益；③边坡工程的动态稳定性：露天煤矿自始至终处于复杂的动态开挖、回填过程之中，边坡稳定是一个动态稳定的过程；④边坡稳定性认识的阶段性：随着露天矿开采，对矿山工程地质条件的认识不断的深化，边坡稳定性评价的认知也具有阶段性，是与露天煤矿的生产不同阶段相适应的。

因此，针对不稳定或欠稳定的边坡区段，通过局部边坡控制开采方式，调整内排速度、边坡存在时间及局部边坡角，同时可采用改善岩土参数或布置抗滑桩等措施提高边坡抗滑能力，避免边坡出现滑坡。

3．4 边坡变形监测系统

边坡安全是矿山安全生产中的重要环节，根据露天矿边坡变形具有持续时间长，变形量大，直接危害性大的特点，建立有效的边坡动态监测系统，准确预报滑坡灾害，是指导矿山安全生产和边坡治理工程必不可少的重要手段。为矿山开采工程的可变更设计和信息化施工服务及矿山安全生产提供依据。对于矿山安全生产和保障矿山人员与财产的安全有着重要的意义。

边坡变形监测包括地下位移监测和地表位移监测，常见的地表位移监测技术主要有常规大地测量法、基准线测量方法、测量机器人技术、雷达监测技术、摄影测量方法、卫星定位监测技术等。地下位移监测包括地下侧协议监测和地下GPS 定位监测，从矿山实际情况出发，本着经济合理、技术可行的原则，针对地表位移监测方面，雷达监测技术和卫星自动化监测技术符合该矿的实际情况，可任选其一。地下位移监测推荐地下测斜仪监测手段。目前，矿区采用卫星自动化监测技术与地下测斜仪监测技术。

1）卫星自动化监测系统。卫星自动化监测技术由位移监测系统、数据通讯系统和监控中心系统组成。通过GPRS 传输方式实时将监测数据传输到监控中心。监控中心对采集的数据进行处理分析，对不稳定区域及时进行预测预报，卫星自动化监测系统组成如图4。