大煤沟露天煤矿边坡稳定性分析及防治

赵海峰

（义煤集团青海义海能源有限责任公司大煤沟煤矿，青海 德令哈 817000）

0 引 言

露天矿山开采过程中，由于采场和排土场边坡容易受岩土性质、气候变化、地形、水文地质及矿山开采等多种因素的综合影响[1]，极易发生边坡失稳滑坡造成安全事故，严重影响矿山安全高效开采，特别是对深凹露天矿山安全生产影响最为突出[2]。如何提高矿山边坡稳定性，避免滑坡等安全事故发生，是露天矿山开采必须提前考虑的问题。基于此，结合青海义海能源有限责任公司大煤沟煤矿实际情况，对边坡稳定性进行分析并根据分析结果提出边坡防治措施和合理化建议，为矿山边坡治理提供科学依据。

1 工程概况

青海义海能源有限责任公司大煤沟煤矿位于青海省海西州柴达木盆地北缘东部，开采方式采用的为露天-井工联合开采方式，露天开采对象为以往浅部斜井开采形成的采空区中的残煤，设计生产能力30 万t/a。露天采场位于井田东部，地势整体呈东北高西南低，东北部为高山区，海拔在3 800 m 以上，原始地形坡度25°～40°；西南部地势相对较缓，属山前冲洪积地貌，海拔约3 510 m，原始地形坡度18°～24°。露天采场现已开采至3 465 m，到界帮坡角24°～30°，未到界帮坡角15°～23°，最大边坡高度约240 m，该矿山露天采场具有典型的深凹露天矿山特征。矿山露天开采过程中揭露的边坡地层岩性主要有：第四系冲洪积层；古近系砂岩及砾岩；侏罗系砂岩、泥岩及煤岩，其坡体岩石强度较低，局部裂隙发育，随着开采深度及到界台阶数量的增加，露天采场边坡变陡，其稳定性也随之降低。

2 边坡稳定性分析与评价方法及依据

2.1 稳定性分析与评价方法

为便于对边坡稳定性分析提供所需的基本参数及评价依据，根据大煤沟煤矿矿山地质特征及现场实际情况，将工程地质条件与特性大体相同的地段归类区划为一些独立的场地单元或系统，将采场边坡工程地质分区划分为I 区、II 区和III 区，共计3个分区。

边坡稳定性计算方法可分为极限平衡法、有限元及边界元法以及可靠性分析方法[3]。极限平衡法因其计算模型简单、计算方法简便，计算结果能满足工程需要等优点，被认为是边坡工程分析与设计中最主要的且最有效的实用分析方法[4]。根据《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》规定，边坡稳定性分析应以刚体极限平衡方法为基本方法，并应根据可能发生的滑坡破坏模式选择合适的方法，对边坡同一位置稳定性系数至少采用2 种以上方法计算获得，并进行对比和验证。对于土质边坡和强度极地的岩层、散体结构或碎裂结构的岩质边坡，当滑动面为圆弧时，宜采用简化毕肖普法和摩根斯顿-普赖斯法；对于可能岩基岩面、原地面、层面、裂隙面、断层面或软弱结构面发生滑动的边坡，当滑动面为平面或折线型时，宜采用摩根斯顿-普赖斯法和斯宾塞法[5-7]。

此次稳定性评价，通过对采场优势结构面统计，发现采场边坡各分区岩体结构面间距0.24～0.32 m，岩体呈碎裂结构，且坡体无滑坡楔形体。Ⅰ区岩层倾向与坡向相同，其可能的滑动面形式为沿岩层面的折线滑动，稳定性系数计算选择摩根斯顿-普赖斯法和斯宾塞法；Ⅱ区岩层倾向与边坡相反，其可能的滑动面形式为圆弧，稳定性系数计算选择简化毕肖普法及摩根斯顿-普赖斯法；Ⅲ区为外排土场边坡，剥离物内摩擦角接近零，其可能的滑动面形式为直线滑动，稳定性系数计算选择摩根斯顿-普赖斯法和斯宾塞法。

2.2 稳定性评价依据

边坡稳定分析评价主要依据《煤矿安全规程》（2016 版）、《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》（GB/T37573-2019）及《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》（GB51289-2018），规范根据边坡及地质条件复杂程度对边坡工程安全等级进行了划分，并对采掘场及排土场边坡安全系数做了规定，详见表1-表 3。

表1 采掘场边坡工程安全等级划分

表2 排土场边坡工程安全等级划分

表3 边坡稳定安全系数限值

大煤沟煤矿采掘场设计最终边坡最大高度240 m，边坡工程地质条件中等复杂，采掘场边坡工程安全等级为二级；外排土场最终边坡高度约100 m，基底地质条件复杂程度中等，外排土场边坡工程安全等级为二级。

3 边坡稳定性分析

3.1 自重+ 地下水组合条件（工况Ⅰ）边坡稳定性分析

3.1.1 Ⅰ区边坡稳定性分析

由于Ⅰ区岩层倾向与边坡倾向相同，可能的滑动面形式为沿岩层面的折线滑动，稳定性系数计算选择摩根斯顿-普赖斯法和斯宾塞法，现状条件下边坡稳定性分析计算见图1，年度计划边坡稳定性分析计算见图2。

图1 工况I 条件下1-1 剖面（现状）稳定性分析计算图

图2 工况I 条件下1-1 剖面（年度计划）稳定性分析计算图

3.1.2 II 区边坡稳定性分析

由于Ⅱ区岩层倾向与边坡倾向相反，可能的滑动面形式为圆弧，稳定性系数计算选择简化毕肖普法和摩根斯顿-普赖斯法，现状条件下边坡稳定性分析计算见图3，年度计划边坡稳定性分析计算见图4。

图3 工况I 条件下2-1 剖面（现状）稳定性分析计算图

图4 工况I 条件下2-1 剖面（年度计划）稳定性分析计算图

3.1.3 Ⅲ区边坡稳定性分析

由于Ⅲ区为外排土场边坡，剥离物内摩擦角接近零，其可能的滑动面形式为直线滑动，稳定性系数计算选择摩根斯顿-普赖斯法和斯宾塞法。现状条件下边坡稳定性分析计算见图5，年度计划边坡稳定性分析计算见图6。

图5 工况I 条件下3-1 剖面（现状）稳定性分析计算图

图6 工况I 条件下3-1 剖面（年度计划）稳定性分析计算图

综上经计算，Ⅰ-Ⅲ区各剖面稳定性系数见表4。从计算结果可知Ⅰ区摩根斯顿-普赖斯法及斯宾塞法所得稳定系数最大差值为0.010，结果相近，本次评价取斯宾塞法计算结果；II 区摩根斯顿- 普赖斯法及斯宾塞法所得稳定系数最大差值为0.025，结果相近，本次评价取简化毕绍普计算结果;Ⅲ区摩根斯顿-普赖斯法及斯宾塞法系数最大差值为0.015，结果相近，本次评价取斯宾塞法计算结果。

表4 Ⅰ～Ⅲ区各剖面稳定性表（工况Ⅰ）

3.2 自重+ 地下水+ 爆破作用力组合条件（工况Ⅱ）边坡稳定性分析

3.2.1 Ⅰ区边坡稳定性分析

Ⅰ区1-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力组合条件下（工况Ⅱ）现状稳定性系数计算见图7，年度计划边坡稳定性分析计算见图8。

图7 工况Ⅱ条件下1-1 剖面（现状）稳定性分析计算图

图8 工况Ⅱ条件下1-1 剖面（年度计划）稳定性分析计算图

3.2.2 II 区边坡稳定性分析

Ⅱ区2-1 剖面在自重+地下水+爆破作用力组合条件下（工况Ⅱ）现状条件下边坡稳定性分析计算见图9，年度计划边坡稳定性分析计算见图10。

图9 工况Ⅱ条件下2-1 剖面（现状）稳定性分析计算图

图10 工况Ⅱ条件下2-1 剖面（年度计划）稳定性分析计算图

3.2.3 Ⅲ区边坡稳定性分析

由于Ⅲ区为外排土场，距采场爆破点最小距离约120 m，爆破振动力破坏半径约80 m，爆破振动力对外排土场影响较小，本次分析不考虑外排土场在自重+地下水+爆破振动力下的稳定性。

综上经计算，Ⅰ～Ⅲ区各剖面稳定性系数见表4。从计算结果可知Ⅰ区摩根斯顿-普赖斯法及斯宾塞法所得稳定系数最大差值为0.022，结果相近，本次评价取斯宾塞法计算结果；II 区摩根斯顿- 普赖斯法及斯宾塞法所得稳定系数最大差值为0.011，结果相近，本次评价取简化毕绍普计算结果。

表5 Ⅰ-Ⅲ区各剖面稳定性表（工况Ⅱ）

根据上述计算分析，在工况I 条件下，采场Ⅰ区上部大部为到界台阶，按永久边坡考虑；Ⅱ区大部分台阶均为到界，按临时边坡考虑；Ⅲ区外排土场边坡，其中3-1 剖面处为永久边坡，3-2 处剖面为临时边坡。爆破震动力为瞬时作用，根据《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》（GB51289-2018），工况Ⅱ条件下现状及年度计划各区边坡均处于基本稳定状态。

4 防治措施

1）通过计算可知，爆破振动力对于边坡稳定的影响较大，后期靠帮爆破时，必须采用控制爆破方法，降低靠帮边坡质点振动速度，使其控制在0.24 m/s 以内。

2）随着开采深度的增加及到界台阶的增多，边坡稳定的可靠程度将随之降低，后期生产须严格按照年度计划控制帮坡角；同时，须根据降段速度及揭露岩层工程地质特征，对边坡进行动态监测及分析，确保矿山安全。

3）雨季做好地表防排水工作，对采场周边容易积水地段进行疏导，防止地表水聚集，引发滑坡。

4）外排土场及Ⅱ区范围内存在井工开采形成的采空区。由于采空区冒落带高度为14 m，处于露天采坑最低标高3 450 m 以下，故露天边坡受冒落带直接影响较小，边坡整体沉陷及垮塌的可能性较低，但受裂隙带及弯曲下沉带岩层变形影响，外排土场及Ⅱ区边坡可能存在局部失稳的可能性，生产过程中须加强变形监测，防止边坡因采空区垮塌而失稳，引发生产安全事故；同时，矿山须严格按设计要求留设采空区隔离煤岩柱，严禁降低设计坑底标高。

5）本矿砂岩及泥岩吸水软化程度较高，其力学性质受水的影响较大，生产过程中须加强坑内排水，减轻坑内积水对岩石的软化作用。

5 结 论

1）根据大煤沟煤矿现场工程地质调查资料及岩石、结构面物理力学参数，确定边坡岩体的工程级别，其中采掘场设计最终边坡最大高度240 m，边坡工程地质条件中等复杂，采掘场边坡工程安全等级为二级；外排土场最终边坡高度约100 m，基底地质条件复杂程度中等，外排土场边坡工程安全等级为二级。

2）根据工程地质分区，对各区段代表性剖面采用极限平衡法对现状及年度计划条件下的边坡进行稳定性分析，得出边坡稳定系数，并根据稳定性分析结果提出边坡防治措施及建议。