宝清露天煤矿西端帮边坡稳定性研究

2020-11-02乔增建徐延兵姜海涛

煤矿安全 2020年10期

乔增建，徐延兵，姜海涛

（1.神华国能宝清煤电化有限公司朝阳露天煤矿，黑龙江双鸭山155600；2.北京中矿信实煤炭科学技术研究院，北京100083）

目前我国露天开采中高效回收的煤炭资源占每年煤炭总资源回收的比例达15%以上，随着露天开采，采场的垂直深度逐年增加，同时考虑到增大整体边坡角可减少剥离成本，因此出现了许多高陡的边坡。露天煤矿边坡的稳定受岩石物理力学性质、岩体结构面、地下水、原岩应力、爆破震动等诸多因素的影响[1-9]，稳定高陡的边坡，在诸多因素的共同影响下，可失去原有的稳定，边坡出现不同程度的变形破坏，最终导致滑坡，因此露天煤矿在回收煤炭资源过程中，按照GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》的要求，定期开展露天煤矿边坡稳定性研究工作，确保露天煤矿在回收煤炭资源过程中边坡的稳定、人员及设备的安全。

宝清露天煤矿在回收煤炭资源过程中，在工作帮的两侧形成了外部轮廓不同的东西端帮，同时在西端帮上布置了运输通道，西端帮底部布置有集水明排泵房等地下水疏干系统，因此宝清露天煤矿西端帮边坡的稳定具有极其重要的意义。

1 工程地质概况

宝清露天煤矿位于黑龙江省双鸭山市宝清县朝阳乡境内，位于三江平原的南部，地形平坦，地面标高在+67～+119 m 之间，一般为+77 m 左右。地形为西南高，东北低，地形高差不明显，地面大部为农田，在低洼处仍有沼泽地；该区属于寒温带大陆性季风气候区，夏季炎热而短暂，冬季寒冷而漫长，春秋两季多风，夏秋两季多雨。

区域地层分布由老到新为：下古生界、上古生界、中生界及新生界；其中新生界第三系中-上新统富锦组的岩性由泥岩、粉砂岩、细砂岩、凝灰岩、砾岩，褐煤所组成，煤层厚度可达15 m，与下伏宝泉岭组为整合接触。

区域内地表水系较发育，主要河流为贯穿全区的挠力河，由西南流入，由东北流出，支流由西向东有大梨树河、宝石河、柳毛河、神经憋河、小索伦河、大索伦河、蛤蟆通河等以及一些不知名的小河流，水库由西至东有龙头桥水库、大索伦河水库和蛤蟆通水库，另外人工排水河渠纵模交错，也十分发育。

根据《黑龙江省宝清县朝阳露天煤矿首采区专门水文与工程地质勘查报告》，本区地层条件相对简单，只揭露第四系和第三系中-上新统富锦组。根据地下水赋存条件和地层组合特征，本区自上而下划分为：顶部隔水层-上部含水层-中部隔水层-中部（煤层顶）含水层-下部（煤层底）隔水层-下部（煤层底）含水层。含水层岩性包括粉砂和微胶结粉砂岩，隔水层岩性包括黏土、砂质黏土和弱胶结泥岩、砂质泥岩。本区上部含水层和中部含水层之间的隔水层全区发育，中下部含水层之间存在断层处存在水力联系。

2 顺层岩质边坡稳定原理

顺层岩质边坡容易沿着层面发生滑移破坏，由于工程水文地质条件的复杂性，致使顺层岩质边坡存在多种破坏模式，每种的破坏模式中又分为单一滑面和多层滑面的破坏方式，目前应用最为广泛的仍是极限平衡法，该方法适用于单一滑面的情况，若存在多层滑面，则可采用机动位移法进行分析[10]。影响露天煤矿边坡稳定的因素较多，宝清露天煤矿边坡属于软岩边坡，在回收煤炭资源过程中，不存在穿孔爆破对边坡稳定的影响，影响宝清露天煤矿边坡稳定的主要因素为地下水，有必要分析地下水作用下的顺层岩质边坡稳定原理。

地下水是诱发边坡滑坡主要因素，首先主要表现在裂隙中水长期浸泡岩层，致使岩土体的物理力学指标的骤降，其次地下水增加岩土体密度相当于下滑力增加，再次地下水对裂隙壁产生静水压力及渗透动水压力作用，在岩层面及岩层裂隙贯通性较好且裂隙充水情况下，静水压力作用下边坡稳定计算模型如图1。

图1 静水压力作用下边坡稳定计算模型Fig.1 Slope stability calculation model under hydrostatic pressure

按照图1 中的计算模型，静水作用下边坡稳定系数Fs可由式（1）求得：

式中：p1为裂隙静水压力; py为岩层面上静水压力；G 为上覆岩层的重力；c、φ 为岩层层间的黏聚力和内摩擦角；θ、L 为层面的倾角和长度。

3 西端帮边坡破坏模式和边坡稳定性

宝清露天煤矿西端帮地表标高78.70 m 左右，地表比较平坦，坑底标高约10.00 m，高程差约68.70 m，单台阶高度约为10.00 m，西端帮目前共计形成6 个台阶。同时西端帮布置有排水系统、明排箱变及明排泵房等降水疏干设备。选用FLAC3D数值模拟分析软件对宝清露天煤矿采场西端帮边坡的破坏模式进行分析，对岩质边坡破坏的几何形态进行划分其破坏模式比较直观、方便，依据此种方法岩质边坡的破坏模式主要有平面型破坏模式、折面型破坏模式、曲面破坏模式、连续曲面型以及其组合等破坏模式。依据宝清露天煤矿西端帮台阶现状，建立的典型工程地质剖面模型如图2。

采场西端帮边坡典型工程地质剖面三维边坡破坏模式模型的网格划分如图3，考虑到模型的边界效应[11]，边坡变形破坏模式研究的典型工程地质剖面模型长447 m，模型拉伸宽度220 m，露天煤矿采场西端帮地表至采场坑底垂直距离为68.70 m，典型工程地质剖面模型的x、y、z 三维边界采用速度边界条件加以固定，保持典型工程地质剖面模型在计算时系统的稳定，使整个系统受力平衡。

图2 典型工程地质剖面模型Fig.2 Profile model of typical engineering geology

图3 边坡破坏模式分析模型Fig.3 Analysis model of slope failure mode

在露天煤矿回收煤炭资源过程中，需要按照设计进行边坡的开挖，不断剥离煤层上覆岩层，在覆盖矿物之上的大量岩土剥离过程中形成台阶边坡，边坡的变形不可避免。边坡的变形特征直接反映了边坡的特点，变形过大及变形速率过快是边坡失稳的重要特征，宝清露天煤矿西端帮边坡的总变形规律及变形位移矢量如图4。

图4 边坡变形位移及矢量云图Fig.4 Displacement and vector cloud diagram of slope deformation

由图4 可知，宝清露天煤矿西端帮边坡的整体变形以水平位移为主；55 平盘以上至地表边坡坡面处岩土的变形量与其他平盘的变形量相比略大，约为0.137 m；采场西端帮边坡整体的变形指向矿坑。

边坡岩体在变形挤压过程中，先进入弹性阶段，此阶段的岩体并未发生破坏，在外力逐渐减小后，岩土体的变形可以恢复原状；若在外力继续增加后则转入塑性状态，进入塑性状态的岩体在外力逐渐减弱后，岩体的变形将不可恢复原状，即岩土体进入破坏阶段，宝清采场西端帮边坡破坏区域如图5。从采场西端帮边坡的弹塑性分布特点，可知边坡的内部并未形成贯通塑性带，说明采场西端帮边坡目前处于稳定状态。