露天开采下边坡的稳定性研究

摘要：弱胶结地层广泛分布于西北地区，对露天边坡稳定性造成严重的影响。边坡稳定性的影响因素复杂多样，需要对其进行科学合理的分析和评价，重点研究影响边坡稳定性的关键所在，然后针对性的提出有效对的防治措施。通过对皮里青露天边坡倾角的研究，结果表明：弱胶结边坡安全系数随着倾角的增大而减小。

关键词：露天煤矿;边坡稳定性;数值模拟

0 引言

新疆地处我国西北部，其煤矿资源具有种类丰富、煤层厚、储量大等优势，其中不少种矿产资源的储量位居全国首位。经证实，目前新疆境内发现的矿产资源种类达70多种，是国家重要的能源储备基地[1]。西北地区煤炭资源储量虽然十分丰富，但煤层大多处于生态环境脆弱区且均以弱胶结地层为主[2]。由于弱胶结岩石力学性质较低[3，4]，在开采扰动的环境条件下，极易导致边坡发生失稳破坏。因为弱胶结地层、气象环境及矿区水文地质条件等的存在，使得弱胶结地层的变形破坏特征趋于复杂化，对矿区生产及工作人员的安全造成严重的影响。为了推进西北地区矿山的生产建设，弱胶结地层边坡稳定性问题将成为露天开采重点的研究对象。

1 研究区概况

1.1地理位置

皮里青露天煤矿位于伊宁市北15km，伊宁县城北4km，皮里青河东岸。中心地理坐标：东经81°28′05″，北纬44°02′35″。行政区属伊宁县管辖，南部排土场位于伊宁市境内。

1.2地层结构特征

露天煤矿位于皮里青背斜轴部及其南翼，沿背斜轴部有皮里青走向逆掩断层存在，总体构造简单，其地质构造主要包括：（1）皮里青背斜。该背斜被第四系地层掩盖，其基本轮廓主要由钻孔控制。背斜轴向近东西。轴部平缓开阔，脊线平直。北翼倾角较缓，一般6°～8°;南翼稍陡，一般9°～22°。背斜南翼受F9逆掩断层破坏，在靠近断层通过处产生次级牵引褶曲，地层倾角在小范围内发生小角度反向变化，离开断层影响范围后迅速恢复原倾斜角度。（2）皮里青断裂。该断层走向近东西，沿走向呈舒缓波状。倾向南，倾角15°～25°，具有西缓东陡、上缓下陡特点。断层上盘上升，下盘下降，属逆掩断层，水平断距100～190m，倾向断距120～200m，垂直断距44～65m，均由西向东变小。C4及其以下煤层遭到该断层破坏，并在+760m标高附近发生最大重复，重复带宽约300m，具体到某一煤层，则宽约100～150m。

1.3 地层岩性

露天煤矿地表基本没有基岩出露，第四系堆积物广泛分布，其下依次埋藏有侏罗系中统头屯河组与西山窑组地层。

1.侏罗系中统西山窑组（J2x）。该组地层为区内含煤地层，可划分为下、中、上三个岩性段。下段（J2x1）：底部为杂色细砾岩，下部由中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩等组成正序粒层理，属河床及河漫相沉积;上部为浅灰色粗粒砂岩、中-细粒砂岩、粉砂岩、泥岩等，具波状层理与水平层理，属河流相沉积。该段厚度125.54m，深埋于露天开采煤层之下。中段（J2x2）：下部由粗砂岩或砂砾岩、中-细粒砂岩、粉砂岩及炭质泥岩等组成多个向上变细的小旋回，属河流及滨湖三角洲沉积;中至上部为含煤沉积，即C煤组所在层位，由粗砂岩、中粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤层组成。该段厚度170.11m，目前已经受到不同程度的人工揭露。上段（J2x3）：灰棕-灰白色砂砾岩与粗砂岩互层，底部见有少量煤屑或煤包体，具交错层理、透镜状层理，属河流相沉积，厚56.34m，多被上覆头屯河组冲刷而保存不全。

2.侏罗系中统头屯河组（J2t）。该组地层地表仅有零星出露，可细分为上下两个岩性段：下段（J2t1）：姜黄色砂砾岩夹粗砂岩，顶部偶见泥岩薄层，具交错层理，偶含硅化木，属河流沉积，与下伏地层冲刷接触。该段厚度49.91m。上段（J2t2）：底部为钙质含砾粗砂岩;中部为浅灰色块状砂砾岩及灰白色粗砂岩，成分以石英为主，磨圆及分选均差，属河流相沉积;顶部为黄灰色块状泥岩，局部夹细砂岩条带，为河漫相沉积。该段厚度91.93m。

3.第四系（Q）。广泛分布在河床、冲沟及山脊上，按其成因可细分为：上更新统至全新统洪积与风积层（Q3-4pl+eol）：黄土质亚砂土夹砾石透镜体，多分布在山脊上，厚9.71m;上更新统至全新统坡积残积层（Q3-4dl+el）：黄土质亚砂土、亚粘土及碎砾等，主要分布在山坡上，厚22.86m;全新统洪积层与冲积层（Q4pl）、（Q4al）：卵砾石松散堆积物，主要分布在冲沟及河床中，厚22.08m

2 露天开采下边坡的力学响应特征

2.1边坡模型构建

结合矿山实际情况，皮里青露天矿最终开采境界为：110m-240m，根据矿区

北帮边坡的高度，通过FLAC3D数值模拟软件，采用强度折减法进行边坡模型的建立，建立高为：135m、宽5m，倾角分别为：20°、40°的边坡模型。

2.2不同倾角下边坡的力学响应特征

2.2.1应力响应特征

通过研究不同倾角条件下边坡的力学响应特征，对比图2（a-b）可以看出，当倾角由20°增加到 40°时，剪力增量不断增加，剪力增量由20°的3.6 x10-3Pa增加到40°的1.65 x 10-2Pa，并在坡脚处出现最大值。

2.2.2塑性区变化特征

不同倾角下塑性区的变化特征，倾角由20°增加到 40°时，边坡位移由原来的2.31 x 10-1m增加到3.28 x 10-1m，且随着倾角的增加位移增量不断向坡脚处增大，使坡脚处的位移增加最大，极易导致边坡失稳破坏。

3 结论

针对不同倾角条件下边坡力学响应特征的研究，分析倾角的大小对边坡稳定性的影响，得出以下结论：

（1）通过不同倾角的计算结果，认为倾角与剪力增量成正相关，剪力增量随着倾角的增大而增加。

（2）随着倾角的增大，边坡塑性区逐渐向坡面移动，塑性区位移随着倾角的增大而增加，且在坡脚处位移增量达到最大值。

参考文献：

[1]王佟，张博，王庆伟，等，中国绿色煤炭资源概念和内涵及评价[J].煤田地质与勘探2017，45（01）：1-8.

作者简介：陈运财（1995-），男，碩士，从事采动岩层变形规律及控制的研究工作