抚顺西露天矿现状边坡稳定性分析

2021-05-13张东旭

露天采矿技术 2021年2期

张东旭

（1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122）

抚顺西露天矿经过百年的开采，已形成了近450 m 高，6 km 长的高大边坡。随着开采深度不断增加，矿坑范围也不断扩大，边坡稳定性分析及治理难度随之增加[1]。国内外学者对露天矿边坡稳定性分析做了大量研究，白润才等[2]针对露天开采所形成的复合边坡的稳定性问题，创造性地采用分段局部控制反向验算复合边坡稳定性的方法；乔琛[3]基于影响边坡稳定性的因素提出了现行露天矿在开采过程中针对边坡滑坡问题的防治措施；曹兰柱等[4]针对顺倾煤层软岩边坡滑动现状，结合GPS 监测数据，研究了其滑动机理与工程治理措施。杨天鸿[5]等提出“边坡岩体渐进损伤破坏是边坡岩体失稳前兆本质特征”这一学术思路，以微震前兆信息和边坡岩体强度储备系数为失稳判据，实现露天矿边坡稳定性动态分析预测。

1 矿山概况

抚顺西露天矿位于抚顺市望花区东南部，行政隶属抚顺市望花区，矿坑位于浑河南岸，千台山北麓，地面标高214 m，矿坑为人工地形，东西最长6.6 km，南北最宽2.2 km，矿坑面积10.865 8 km2，矿坑最低标高为-360.05 m，西部已进行内部排土形成排土台阶，南帮整体边坡角20°～27°，北帮整体边坡角17°～31°左右。矿区地理坐标为东经：123°49′11″～123°55′23″；北纬：41°49′40″～41°51′23″。矿坑北侧地形较缓，地势较低，地面标高在+70～+80 m，总趋势是东北略高，西南略低，地形坡度为2‰左右[6]。

2 岩土体力学指标参数

随着抚顺西露天矿逐渐到达境界，边坡加陡，最终边坡角的确定和边坡的稳定已成为生产和安全的决定因素。这样岩体强度的评价就非常敏感，尤显重要。因为它的微小变动直接关系到几百万吨煤炭资源的开采，影响到露天矿的工艺和生产年限，也影响到地面的安全、边坡的稳定与地质灾害的发生。同时岩石物理力学性质的研究，是边坡稳定性分析中的重要内容。只有正确掌握岩土体的强度特征，才能对边坡的稳定性作出正确的评价。

抚顺西露天矿自20 世纪50 年代以来进行过大量的范围广泛的实验室常规物理力学试验，其试验内容和成果是极其丰富的。考虑到岩体的强度确定是一个复杂且极具挑战性的课题，涉及的因素较多，既有内在的，也有外来的，是随着开采和外界条件（如水）的改变而变化的。因此本次岩体强度的评价工作主要结合项目实际，重点有针对性地进行，达到相互对比和验证的目的，避免脱离地质条件的单纯力学分析的片面性缺点，以综合确定岩体强度指标。

为了正确的评价岩体强度，需要提供可靠的实验依据，为此要进行一系列岩石力学试验，最有效的是岩体原位抗剪强度试验和密集节理岩体粗粒散样大三轴试验，它是评价岩体强度上限和下限范围的主要依据。

通过试验得到的本阶段推荐的岩土体学指标见表1。

3 边坡稳定性

3.1 分析方法

根据地质灾害发育程度（稳定性）、危害程度，按灾种进行地质灾害危险性现状评估，采用极限平衡定量分析法对抚顺西露天矿边坡进行研究，构建了数值模型，探究西露天矿的边坡稳定性。

极限平衡法是边坡稳定性定量计算的主要方法，许多派生的边坡稳定性计算方法都是建立在极限平衡法的基础之上。极限平衡法是以Mohr-Coulomb强度理论为基础，依据边坡分块滑体的力学平衡原理，通过分析条块滑体的抗滑力与滑动力之间的关系来研究边坡的稳定性。虽然极限平衡法不能准确地反映边坡变形直至破坏完整过程，但由于计算方法简单明了、计算结果清晰直观，且经过不断的发展和完善，逐渐积累了丰富的计算经验和较为精确的计算模型，对边坡的稳定性评价往往能够达到较高的计算精度。瑞典条分法，是极限平衡分析中最基本的方法。在瑞典条分法的基础上，引入条块间相互作用力，发展出Bishop 法、Janbu 法和Sarma 法等一系列极限平衡分析方法[7]。

表1 本阶段推荐的岩土力学指标

3.2 安全系数的

露天煤矿的边坡工程实践表明，露天煤矿边坡具有以下特点：

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。边坡工程的时效性决定了其稳定性也具有时效性。

2）边坡的可变形性。可以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的。

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。同时考虑到西露天矿边坡的稳定与否直接关系到露天矿与城区地面构筑物的安全问题，因此，在边坡稳定分析中，安全系数是一个重要的定量参数[7]，直接关系到设计边坡的经济与安全问题，在设计规范中对安全系数的选值有所规定，但更重要的还是矿山生产实践经验与关联项目的重要程度[8]。

综合本次规划设计，采用1.5 的安全系数对于本阶段而言是相对适宜的。《煤炭工业露天矿设计规范》规定[9]的边坡稳定性系数见表2。

表2 边坡稳定系数

DZ/T0218—006“滑坡防治工程勘查规范”中，滑坡稳定状态见表3。

表3 滑坡稳定状态划分

一般条件下，滑坡处于整体暂时稳定-变形状态（Fs=1.00～1.05）；滑坡处于整体暂时变形-滑动状态（Fs=0.95～1.00）。

3.3 西露天矿现状边坡稳定

根据项目总体方案、规划定位、矿坑治理方案、资源利用与产业综合安排，选取典型计算剖面EW0、E400、E1400、E1800、E2400、E3000 等6 个剖面。现状边坡计算分析示意图如图1。

由图1 及相关资料可知：EW0 剖面一线内排回填已至-150 m 水平，边坡角度24°，剖面局部边坡稳定系数Fs=1.92；E400 剖面一线内排回填已至-274 m 水平，边坡角度34°，剖面局部边坡稳定系数Fs=1.52；E1400 剖面一线内排回填已至-361 m 水平，边坡角度31°，剖面局部边坡稳定系数Fs=1.14；E1800 剖面一线内排回填已至-325 m 水平，边坡角度44°，剖面局部边坡稳定系数Fs=1.16，上述边坡区段,由于回填压脚作用明显，边坡稳定性状况良好，而目前露天采掘作业集中的东部区域，边坡角度高达30°，局部并段边坡角度超过38°，如E2400 剖面局部边坡稳定系数Fs=1.06，E3000 剖面局部边坡稳定系数Fs=1.18,满足生产安全储备要求，相应区域建立了边坡雷达监测监控系统，保障安全生产与北帮边坡整体稳定[9]。

图1 现状边坡计算分析示意图

综上，对6 个典型计算剖面进行了边坡稳定性初步验算，初步验算结果表明各剖面线安全储备系数大于1.05，境界内开采区域边坡满足生产安全储备要求。北帮、南帮滑坡变形区，经过治理现状边坡基本稳定。经现场调查与综合评价，同时考虑到地下水综合影响，受不利因素综合作用，北帮边坡上部第四系边坡及南帮局部区段仍存在滑塌风险。

4 边坡治理

1）建立边坡监测系统。在北帮安设1 台边坡雷达监测预警系统24 h 实时监测，并建立了14 条GPS 观测线、78 个观测点，每周对观测结果进行统计分析，及时做出预警预报，保证在变形区内作业的人员、设备安全撤离。同时设置了15 个边坡监测岗，建立了人工巡查制度，进行强制检查，并将检查结果上报矿调度室。边坡监测系统的建立为地质灾害的综合防治提供了科学依据。

2）采取边坡治理措施。①内排压脚工程：目前回填压脚总工程量达3 800 万m3；②疏干排水工程：为减少千台山体汇水进入裂缝导致矿坑南帮变形加剧，2013 年至今共计填埋裂缝7 000 m，平整土方工程量20 多万m3，拆除了变形区内坑下-309 m 水平泵站，同年在变形区外坑下E1400，-281 m 水平建成了捣排水泵站替代原泵站，新建南帮土水沟12 000 m，恢复-44 m 水平和+30 m 水平消能池等7 座，接设疏水管路5 000 m，通过一系列工程的实施，完善了南帮变形区内分区汇水、疏导引流的截排系统，减少了地表渗透水进入变形区内；③抗滑桩、注浆加固工程：实施了装置区局部边坡裂缝注浆和抗滑桩加固工程钻孔注浆676 个，注浆2 582 m3，抗滑桩加固钻孔500 个，下钢轨3.3 万m，保障安全。