矿坑边坡稳定性分析及施工技术探究

2021-11-10张文双

水科学与工程技术 2021年5期

张文双

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110000）

1 概述

随着国家矿山生态治理修复政策的出台和实施，矿山地质灾害治理及已停采闭坑矿区的处理问题亟需解决，但目前并没有具体的治理措施及修缮方案。矿坑修复治理工程中，矿坑基坑稳定性是妥善治理的基础。张国强等［1］采用PFC2D对边坡稳定性模拟分析，得出边坡变形及应力分布规律。梅世伦［2］提出矿坑岩质边坡的稳定性可分为不稳定、欠稳定和稳定3个状态。韩国銮［3］通过强度折减法提出满足边坡稳定安全系数的治理加固方法。熊朋等［4］提出了使用切方、锚杆格构梁和锚喷等支护技术治理高陡岩质坑边坡稳定性。

本文基于某露天煤矿工程，对矿坑边坡稳定性进行计算，并提出了保障边坡稳定性的处理方法，为矿坑修复治理过程中边坡稳定性提出了切实可行的治理方案。

2 工程概况

某露天矿区位于煤田西部，呈条带状东西向展布。地貌单元属于低山丘陵向平原过渡地带。由南至北，地形起伏较大，自然地势南高北低。此矿区自20世纪初转为露天开采，历经清末、民国、伪满及建国至今的百余年开采，矿区东西长6.6km，南北宽2.2km，垂直深度达420m（高程-340m），矿坑边坡28°～35°，坑口面积约10.87km2的矿坑，矿坑规模如图1。根据煤矿开采规划，2019年此露天矿退煤闭坑，开始由采转治。

图1 矿区规模标注示意图

该露天矿地质条件复杂，既存在高陡边坡、巨型滑坡，也存在泥石流、自燃等灾害。根据资料统计，自1927年至今，在该露天矿下挖采煤过程中已发生不同规模、不同破坏形式的滑坡近百次。矿区四周都发生过多次滑坡，累计滑坡体积达5亿m3。

2.1 水文地质条件

矿区内水文地质受气象、水文、地貌、地质及人工开采影响等因素控制。区内地形起伏变化大，地表径流发育。矿区涌水的来源主要有两方面：地下水补给和地表水补给。据实测统计，每年汇入矿坑的水量可达2000万～3000万m3。泥石流主要由矿坑涌水和暴雨引发。据统计，20世纪90年代以来多次发生较大泥石流灾害。

2.2 矿坑边坡分类与工程地质

该矿区边坡为采煤形成的人工边坡，开挖深度达420m，属于高边坡。该矿坑边坡分区及岩体参数如图2、表1、表2。

图2 矿区边坡分区图

表1 矿区工程地质分类

表2 矿区岩土体物理力学参数

3 矿坑边坡稳定性治理方案

3.1 矿坑边坡级别

根据SL386—2007《水利水电工程边坡设计规范》［5］、GB/T 38509—2000《滑坡防治设计规范》［6］、GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》［7］的相关规定，此露天煤矿边坡为永久边坡，边坡规模巨大，矿坑周边尚存相当规模的居民区及企业，威胁人数大于等于500且小于5000，威胁设施分类为重要，边坡失事可能会对人身和财产安全造成重大影响，对社会及环境影响极大。综合考虑，将此露天煤矿边坡等级根据为1级。

3.2 安全系数标准

根据SL386—2007《水利水电工程边坡设计规范》的规定，对于不同级别的边坡，应满足不同荷载组合条件下的安全系数，如表3。

表3 抗滑稳定安全系数标准

同时，SL386—2007《水利水电工程边坡设计规范》规定：经论证，破坏后给社会、经济和环境带来重大影响的1级边坡，在正常运用条件下的安全系数可取1.30～1.50。若边坡仅发生变形而未失稳就可能导致建筑物的破坏或功能丧失，采用的抗滑稳定最小安全系数应取高值；若边坡的破坏风险或其他不确定因素难以确定和查明，采用的抗滑稳定最小安全系数应取高值。因此，依据规范，此露天矿正常运用条件下安全系数取为1.50，其他工况安全系数均取表中高值。

根据GB/T 38509—2000《滑坡防治设计规范》，GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》［8］，GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》上述3个规范关于边坡稳定安全系数的规定，结合此矿坑的具体实际现状，并考虑将来的治理预期，综合考虑后，此露天煤矿一般工况下，边坡稳定安全系数取1.5，回填体浅层滑动稳定安全系数取1.3，地震工况取1.15，其他工况取1.25。

3.3 边坡稳定性计算分析

3.3.1 计算工况

为研究不同作用条件对边坡稳定的影响，同时考虑计算反演的基本假定，在边坡稳定分析计算时分别考虑天然工况（岩体饱和）、削坡压脚后天然工况（岩体饱和）、地震及不同回填高度的情况，对不同组合情况进行稳定性分析，具体组合如表4，地震烈度按VII度计算，地震动峰值加速度0.1g。

表4 计算工况组合

3.3.2 计算参数选取原则

根据已有试验资料统计分析，按岩体完整性进行相应折减，参考部分岩体现场抗剪强度指标、各成果报告采用值、计算断面反演值、岩土体饱和抗剪指标折减系数、类似岩土体工程经验值，考虑现场实际岩土体条件等综合因素分析确定。推荐建议值为范围值，计算时可考虑计算断面相应岩土体地质条件取值，相对较好时取高值，相对较差时取低值。建议值一般大于模型反演值，采用反演值进行稳定性计算，计算结果安全储备高于采用建议值计算结果。不同矿区断面应根据相应地质模型和计算参数进行稳定性计算。各参数根据试验复核结果进行适当修正。

3.3.3 计算方法

计算方法采用刚体极限平衡法和有限元强度折减法，结合Midas GTS NX有限元分析软件进行计算分析，相互验证。

3.4 计算断面选择

根据此矿区南北向已发生的滑坡位置及各向边坡岩体稳定分析分区，初步选定南北向7个断面、东西向2个断面共9个断面进行稳定性计算。有限元计算模型如图3、图4。

图3 南向断面模型

图4 北向断面模型

3.5 稳定性计算结果分析

3.5.1 南、北向边坡天然工况

边坡稳定性系数范围1.03～1.49；削坡压脚后天然工况下，边坡稳定性系数范围1.29～1.71，均大于1.25，满足规范要求，稳定性良好，工程措施效果较好。

3.5.2 东、西向边坡天然工况

边坡稳定性系数范围0.79～0.90，危险滑动面均为边坡表层回填体局部滑动，整体稳定性较差；削坡压脚后天然工况下，边坡稳定性系数范围1.28～1.35，均大于1.25，满足规范要求，稳定性良好，工程措施效果较好。

3.5.3 地震工况

边坡稳定性系数分布范围1.15～1.40，均大于1.15，满足规范要求，但相比正常工况安全系数下降约25%，地震对边坡稳定系数影响较大。

计算分析表明，边坡最危险滑动面出口位置随回填高度的增加而不断升高，边坡安全系数随回填压脚高度的增加而逐步提高。当回填高度范围为-300～-220m时，安全系数提高幅度较小，安全系数范围为1.10～1.21，当回填高度为-220m以上时（为绿泥岩分布区）安全系数增高幅度较大，回填至范围-220～-100m，安全系数范围为1.21～1.76。回填压脚措施有效，效果较好。