北山露天煤矿边坡稳定性评价及防治措施

王 刚

（信发集团新疆北山矿业有限公司，新疆昌吉 831800）

随着露天煤矿的边坡开采深度加深，排土场逐渐增高，同时边坡安全问题越来越严峻[1]。露天煤矿边坡稳定性易受岩土性质、风化、工程地质及水文地质等多种因素的影响，并且边坡形态一直处于动态变化过程中，边坡安全问题严重制约着露天煤矿的绿色安全高效生产[2-3]。

韩万东[4]利用Bishop 和Spencer 2 种极限平衡法对露天煤矿边坡进行了分析计算，并利用数值模拟对边坡破坏机理及其滑坡模式进行研究，为边坡稳定性评价提供了参考依据。周子涵[5]针对断续节理岩质边坡在自重应力作用下的失稳特性，提出了尖点突变理论力学模型，详细分析了岩土力学参数和性质对边坡稳定性的影响，并丰富了边坡失稳预判及稳定性评价的理论基础。

目前在工程中极限平衡法因简捷方便，计算结果准确得到广泛应用，但此方法忽略了岩土体内的应力-应变关系，最终只是计算出了假设滑移面上各条块安全系数的平均值，并不能分析边坡失稳的动态演化规律。

通过对北山露天煤矿边坡实地勘察、地质条件研究、岩土物理力学参数研究、极限平衡理论分析，最终科学地给出边坡稳定性评价结果，同时提出有针对性的边坡变形破坏防治措施，对丰富露天煤矿边坡稳定性分析方法及保证露天煤矿的安全高效生产有很大的意义[6]。

1 矿山概况

北山露天煤矿年产量400 万t，随着矿山开采及排土场增高，将形成深大露天矿坑及高大排土场，目前国防公路（省道S327）呈南北方向从矿区穿过，将整个矿区划分成2 个采区：东部首采区和西部二采区，且国防公路紧邻二采区东帮，且东帮为工作帮，目前该帮下部正在进行采煤作业，因此为了确保国防公路的安全，需要对该帮到界边坡进行稳定性评价，并根据评价结果提出边坡变形破坏综合防治措施[7-8]。计算剖面位置如图1。

图1 计算剖面位置

矿区位于北山煤窑向斜北西翼，岩煤层呈向南偏东缓倾的单斜形态产出，倾角大约3°～6°。

2 工程地质条件

2.1 工程地质

全区整体岩煤层产状稳定，未见有断层及其它褶皱构造，属构造条件简单类型。

1）第四系上更新统-全新统洪冲积层（Q3-4pal）。矿区第四系主要由冲洪积的砂土、戈壁碎石等堆积物组成，结构松散、孔隙度大，同下伏地层呈角度不整合接触，在外力以及放炮震动的作用下，容易产生滑坡。

2）中侏罗统西山窑组（J2x）。该地层为含煤地层，岩性为灰色、浅灰色泥岩，泥质粉砂岩，粉砂岩夹砂岩和煤层，底部为1 层中砂岩或粗砂岩，多为软弱岩层-半坚硬岩层，以泥质胶结为主，出露地表层理发育，易风化，遇水软化并发生膨胀，降低了强度和稳定性。

3）下侏罗统三工河组（J1s）。地层岩性为灰色粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩等，多为硬岩，强度较好。

2.2 边坡岩土物理力学参数

通过对以往该矿区开展过工程、地质勘察项目的岩土试验研究成果进行收集、归纳、分析，运用工程地质类比法及岩石-岩体强度折减理论，得出的适用于本次研究区域的岩体力学评价参数见表1 。

表1 岩土体物理力学指标推荐值

3 研究区域边坡稳定性

通过对新疆北山露天煤矿实地勘察可知，东帮边坡地层主要由第四系、粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和煤组成，且组成边坡的岩石主要为软弱岩层-半坚硬岩层。通过实地勘察、地质资料分析及理论分析可知东帮边坡的潜在滑坡模式为圆弧型滑坡及小范围的片帮[9]。

3.1 极限平衡法

该方法基本原理是假定边坡体中存在潜在滑面，并对滑面之上的滑体进行有限条分最终形成若干个相互作用的条块，首先对每个单独条块建立静力平衡方程，接着利用各条块之间的相互作用关系并联立各条块静力平衡方程，来创建整个宏观滑体的静力平衡方程，最终将滑面上抗剪力与剪切力的比值定义为潜在滑体的稳定系数。由于极限平衡理论体系的不断丰富，衍生出很多更为简便的方法，例如Morgenstern -price 法、Ordinary 法、Bishop 法、Janbu 法等[10]。本次运用Morgenstern-price 法来计算东帮边坡的稳定系数，该方法采纳了全部边界条件及平衡条件来弥补计算方法的缺陷，因此计算结果更具真实性[11-12]。

3.2 计算剖面位置及安全储备系数

根据矿区以往地质资料及二采区地表国防公路的实际位置情况，此次为了确保国防公路的安全，因此在二采区东帮及北帮共布置2 个剖面。

本次安全储备系数主要按照GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》规定的边坡稳定系数，并在现有的边坡资料基础上，结合矿区边坡工程地质及水文地质条件来最终确定。由于东帮地表紧邻国防公路，考虑到国防公路的安全问题，最终确定研究区域东帮边坡及北帮边坡的安全储备系数均为1.5。边坡稳定系数K 见表2。

表2 边坡稳定系数K

3.3 稳定性计算

剖面1 整体边坡稳定性计算结果如图2。由图2可知，整体边坡的稳定性系数为1.630，剖面1 中部边坡稳定性验算结果如图3，中部边坡的稳定性系数为1.536，二者均大于安全储备系数1.5，满足安全储备要求，边坡稳定性较好。

图2 剖面1 整体边坡稳定性验算结果

图3 剖面1 中部边坡稳定性验算结果

剖面2 稳定性验算结果如图4，整体边坡的稳定性系数为1.657，大于安全储备系数1.5，满足安全储备要求。剖面2 局部边坡稳定性验算结果如图5。局部台阶的稳定性系数为1.433，小于安全储备系数1.5，不能满足安全储备要求，所以在日常生产过程中应注意局部台阶片帮的发生，防止滑落石块伤及人身及设备安全。

图4 剖面2 整体边坡稳定性验算结果

图5 剖面2 局部边坡稳定性验算结果

综上所述，研究区域边坡整体处于稳定状态，但有局部台阶片帮的风险，但这种局部台阶滑坡不会威胁到地表国防公路安全，所以研究区域国防公路不会受到边坡失稳带来的威胁。

4 边坡变形破坏综合防治建议

为了提高边坡整体的稳定性，同时避免大规模、突发性的滑坡灾害发生，有必要采取一定的措施，保证矿山安全生产的进行。

1）边坡变形监测预警。边坡变形监测包括地上位移监测和地下位移监测，从该矿实际情况促发，本着安全可靠、经济合理、技术可行的原则，地上位移监测推荐采用边坡雷达监测技术或GNSS 边坡监测技术，地下位移监测推荐采用地下测斜仪技术[13]。

2）加强边坡巡查和维护。在巡查中注意观察已揭露岩层向临空面的移动及错位情况，若发现明显的岩层移动现象，应立即上报，并采取避让、撤离等安全措施；当地表发生沉陷与裂缝时，要及时回填压实，避免大气降水及地表水通过裂缝大量渗入边坡体中，同时尽量保证边坡坡面平整。

3）加强疏干排水。在地表修筑截水沟，尽可能将地面水在地表实施拦截，同时避免截排水的回流；在东帮边坡不同水平应修筑水沟、蓄水池等，使水流有序，排放合理；加强观测并掌握暂时性地表洪流周期与径流途径，合理设置挡水墙和排水沟，以防止洪流灌入采场。

5 结语

1）通过对以往岩土物理力学性质试验数据、资料的归纳、分析、整理，对各项参数指标进行可靠性分析，结合类比分析结果，获得适用于本次研究的岩土物理力学性质指标。

2）通过实地勘察、地质资料分析及理论分析可知研究区域边坡的潜在滑坡模式为圆弧型滑坡及小范围的片帮。

3）通过稳定性分析计算，得出研究区域国防公路紧邻的边坡处于稳定状态。

4）根据边坡的实际情况提出了边坡变形监测预警、加强边坡巡查和维护、加强疏干排水等综合防治措施。