和田布雅煤矿三采区边坡角优化研究

程武祥，林伟东

（和田布雅矿业有限责任公司，新疆 和田 848000）

对于露天煤矿而言，边坡角增加1°，将节约数量非常可观的剥离成本，同时也能回收大量的煤炭资源，但是边坡稳定性又随之降低，两者互为矛盾体[1]。对于我国早期的露天煤矿，边坡角设计往往采用类比法确定，缺乏严谨的理论分析，实际生产过程中可能出现成本或安全方面不合理的情况。另外，露天煤矿边坡滑坡是影响矿山安全、高效、绿色生产的重要因子，一旦边坡变形导致滑坡或大范围片帮，将严重威胁采场工作人员、设备安全及采剥接续工作[2-3]。因此，边坡稳定已成为露天矿安全生产的基础问题，如何在保证安全的前提下，实现经济效益最大化是矿山边坡角优化的重要课题[4-5]。

1 矿山概况

和田布雅煤矿位于和田县，煤矿行政区划隶属新疆和田县管辖。布雅煤矿生产能力为45 万t/a，采用露天开采，属山坡露天煤矿，矿区可采煤层3 层，由下至上分别为A1、A2、A3 煤层，厚度分别为0.80～3.54 m、3.50～17.39 m、0.80～3.54 m。露天煤矿由东至西划分了3 个采区，一采区已经到界，坑底最低标高＋2 680 m 水平。二采区及三采区分别布置了剥离和采煤作业面，二采区主要推进方向为由北向南，上部台阶工作面平盘宽度过小，不能满足正常剥采作业，目前正在拉沟扩帮，坑底最低标高＋2 750 m 水平。三采区主要推进方向为由北向南推进，工作帮平盘宽度较小，工作帮坡角较大，西北帮正在形成到界帮，坑底最低标高＋2 885 m 水平。三采区处于到界帮拉沟降段并逐步形成新的采剥工作面、非工作帮逐步靠帮阶段，原设计端帮、非工作帮边坡角分别为39°、35°，在靠帮过程中，非工作帮边坡距离坡顶5～10 m 位置形成了沿边坡走向的平行状裂缝，裂缝平均宽度约10 cm，由于三采区尚未内排，非工作帮到界边坡在内排之前是否会变形加剧导致边坡发生变形破坏亟待论证。

1.1 矿区地质条件

布雅煤矿出露地层有二叠系、侏罗系含煤地层、白垩系、第三系和第四系地层，为一向东南倾斜的单斜构造。出露的各时代地层中无地下水出露，煤层顶底板无含水层存在，露天矿井田属于水文地质条件简单矿区。三采区端帮典型位置剖面图如图1。

图1 三采区端帮典型位置剖面图

根据前人研究成果，矿区岩土体裂隙发育程度较高，三采区岩土体物理力学参数见表1。

表1 三采区岩土体物理力学性质指标

1.2 矿区边坡变形影响因素

影响露天矿边坡变形的因素主要包括不良岩性、弱层（弱面）、地质构造、岩层性质、边坡角、地下水、爆破震动等[6]，影响布雅煤矿非工作帮边坡变形因素主要有以下3 个方面。

1）弱层及其分布规律。弱层是影响露天矿边坡稳定的最不利因素，弱层是个相对概念，并不能用某一区间范围的力学指标参数界定，要结合边坡体整体结构特征、层位上下岩石性质综合分析。布雅煤矿边坡潜在弱层主要为煤层直接顶底板的泥岩层。其分布规律主要如下：矿区泥岩层组为泥质、粉砂质，受扰动后极易沿结构面断开，其结构面光滑，赋存较厚，遇水后强度将急剧下降，受边坡体应力条件变化及水对弱面活化作用影响下，容易产生滑动。坡体裂隙发育，降雨极易沿裂隙带渗流至煤层底板泥岩层，煤层底板泥岩交界面在水的作用下强度弱化是影响本区域边坡的最不利因素。

2）不良构造。影响本区边坡稳定性的不良构造主要表现在岩层产状上，布雅煤矿露天矿位于布雅矿区北部，矿区地层为一倾向125°左右的单斜构造，三采区西北部岩体呈顺倾状，对边坡稳定极为不利，随着三采区的推进，采坑越来越深、边坡高度越来越大，内排土场基底也呈顺倾状，特别是基底为泥岩，一旦遇持续降雨，基底软化后，边坡极易失稳。

3）岩体结构。矿区岩体裂隙发育，破坏了岩体的完整性，导致岩体强度急剧降低；另外，裂隙形成了水渗流的通道，在干湿循环及冻胀作用下可能诱发坡体进一步松弛，加剧边坡的变形。

2 边坡变形破坏模式数值分析

边坡变形破坏是一个渐进的结构破损过程，一般均经历变形-结构破损-再变形-再结构破损的循环往复过程，直至发生滑坡[7]。为研究布雅煤矿边坡靠界开采过程中边坡岩体破坏演化过程和岩体变形移动规律，揭示边坡变形破坏机理，基于显式有限差分法进行数值模拟分析研究[8]。

选取端帮ECNB 剖面进行边坡破坏模式分析，计算模型沿边坡倾向长为350 m，模型最大垂直高度为130 m。模型中各岩土层采用理想的弹塑性本构方程作为岩土体变形及屈服标准，计算模型主要采用的岩体的力学参数见表1。

边坡整体失稳将发生于强度软弱带或应力集中区，若发生塑性变形的软弱带或应力集中区相互贯通，则边坡内将在相互贯通的剪切破坏面发生整体失稳[9]。ECNB 剖面边坡位移速率分布云图如图2，坡体内剪切应变率云图如图3，ECNB 剖面边坡内的塑性区如图4。

图2 ECNB 剖面位移速率云图

图3 ECNB 剖面剪切应变率云图

图4 ECNB 剖面塑性区

由图2 可知，坡体内部呈圆弧型滑动趋势，由于边坡所处位置为到界帮，目前尚未形成内排条件，边坡靠帮后，局部边坡角偏大，达46°，导致该区域呈现向临空面变形的趋势。

由图3 可知，在坡体内最易滑区形成了应力集中，结合位移矢量速率分布图，可判定坡体破坏机理主要是开挖卸荷形成的拉—剪破坏，边坡呈圆弧型滑动破坏。

由图4 可知，剪切塑性屈服区域的分布显示，坡体内有一定范围的塑性区，说明边坡内部岩土体在高压应力作用下产生了局部区域的剪切屈服，但未贯通，整体边坡安全，但边坡仍在逐步靠帮，三采区西北部顺倾状非工作帮边坡已产生了拉张裂缝，因此，需对各帮整体边坡角进行优化，在确保边坡稳定的情况下，尽最大可能回收煤炭资源。

3 边坡角优化

边坡变形破坏模式为圆弧型破坏，采用Spencer法对非工作帮边坡端帮边坡的边坡角进行优化。

1）端帮边坡。对于端帮边坡，原设计边坡角为39°。以三采区ECNB 剖面为例，对不同边坡角的整体边坡稳定性进行计算，端帮整体边坡角与边坡稳定系数关系如图5。

图5 端帮整体边坡角与边坡稳定系数关系

2）非工作帮边坡。对于非工作帮边坡，原设计边坡角为35°。以三采区SCXB 剖面为例，非工作帮整体边坡角与边坡稳定系数关系如图6。

图6 非工作帮整体边坡角与边坡稳定系数关系

《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》明确规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围[10]，边坡角优化边坡安全储备取值为1.2，依据整体边坡角与边坡稳定性关系图，端帮、非工作帮边坡的稳定边坡角推荐值分布为36°、35°，设计的角度可确保在安全的前提下实现矿山效益的最大化。

4 边坡变形监测

和田布雅煤矿非工作帮、端帮靠帮工作于2020年开始开展，2021 年6 月建立了边坡自动化变形监测系统，端帮、非工作帮典型位置均布设了地表GNSS 变形监测点，实时监测边坡靠帮过程中的变形动态[11]。由水平位移历时曲线可知，端帮、非工作帮边坡水平位移变形量基本控制在2 cm 以内，变形速率也处于“mm/d”的级别，基本属于测量误差范围内变动，边坡未有明显的变形迹象，非工作帮边坡原有裂缝宽度未出现增大现象，而且采场边坡内排空间即将形成，随即可开始内排压脚工程，边坡的稳定性也将得到保障，出现大范围的有规律的变形迹象的可能性很小。

5 结语

1）经过工程地质勘察及分析，和田布雅煤矿边坡变形的主要影响因素为泥岩弱层、非工作帮岩层顺倾及破碎岩体结构，极端天气影响下，边坡具备变形的可能。

2）端帮、非工作帮边坡破坏机理主要是由于开挖卸荷导致的拉—剪破坏，该区泥岩未发生明显的强度弱化情况，边坡呈圆弧型滑动破坏模式，根据塑性区分布特征，现状边坡处于安全状态。

3）通过边坡角优化计算，推荐布雅煤矿三采区端帮、非工作帮稳定边坡角分别为36°、35°，目前边坡基本到界，结合边坡监测数据，边坡发生滑动的可能性很小，优化方案可以确保煤炭资源安全、高效地回收。