复杂构造带影响下的露天矿边坡稳定性评价及 控制技术

王永伟

(山西焦煤山煤国际河曲露天煤业有限公司， 山西 忻州市 036500)

河曲旧县露天煤矿位于山西省河曲县境内，矿田属典型黄土高原地貌，地形切割剧烈，冲沟发育，多呈“V”字形，矿区整体为一轴向北西的褶曲构造，地层平均倾角在2°～3°之间，最大倾角为8°，矿田发育有4条背向斜与3条正断层。矿区从老至新发育的地层依次为奥陶系中统上马家沟组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组、新近系上新统和第四系上更新统。目前，河曲旧县露天煤矿主要开采区域为首采区，首采区高程范围为870～1060 m，本次主要对矿田首采区非工作帮、外排土场边坡的稳定性及控制技术进行研究。

1 边坡稳定性模拟分析

本次选用FLAC3D数值模拟软件进行建模分析，重点对矿田非工作帮及外排土场边坡（如图1、图2所示）的变性破坏机理与潜在滑坡模式进行模拟分析计算，主要监测矿田总位移、沉降位移、XZ方向剪应力和位移矢量。

图1 非工作帮FB-2剖面地质简化模型

1.1 非工作帮数值模拟计算

矿田非工作帮模型网格划分如图3所示，非工作帮总位移云图、沉降位移云图、XZ方向剪应力云图和位移矢量云图如图4所示。

由图4可知，矿田非工作帮边坡整体位移主要集中在+1030水平至地表区域，最大位移出现在+1070水平区域，非工作帮最大位移区域为矿田上部，+1040至+1050水平区域主要以沉降变形为主；矿田应力主要集中在内排土场排弃物料下部+925水平坡脚区域，该区域承载上部排弃物料的全部重力，岩体变形程度较大，非工作帮边坡上部的变形 主要为沉降变形，局部临空区域呈现出水平变形特征[1-2]。整体而言，矿田非工作帮边坡呈现“圆弧式”变形破坏模式。

图2 外排土场边坡WP-5剖面地质简化模型

图3 矿田非工作帮模型网格划分

图4 矿田非工作帮数值模拟计算结果

图5 矿田外排土场边坡模型网格划分

1.2 矿田外排土场边坡数值模拟计算

矿田外排土场边坡模型网格划分如图5所示，外排土场边坡总位移云图、沉降位移云图、XZ方向剪应力云图和位移矢量云图如图6所示。

分析图6可知，矿田外排土场边坡整体位移主要集中在+1060水平至地表区域，最大位移出现在+1075水平区域，外排土场最大位移区域为矿田上部，+1025至+1030水平区域主要以沉降变形为主；外排土场边坡应力主要集中在排土场排弃物料下部+970水平坡脚区域，该区域承载上部排弃物料的全部重力载荷，外排土场边坡上部的变形主要为沉降变形，局部临空区域呈现出水平变形特征。整体而言，矿田外排土场边坡呈现沿排弃废料内侧的“圆弧式”变形破坏、沿排弃废料基底侧的“坐 落-滑移式”变形破坏模式。

图6 矿田外排土场边坡数值模拟计算结果

1.3 矿田边坡稳定性分析评价

本次采用极限平衡法对河曲旧县露天煤矿矿田非工作帮、外排土场边坡的稳定性进行分析评 价[2]，通过对露天矿采场、排土场边坡进行实地勘察，结合矿田生产现状，建立矿田非工作帮、外排土场边坡典型剖面模型并进行稳定性验算分析，矿田非工作帮、外排土场边坡稳定性分析模型如图7、图8所示。

矿田非工作帮边坡选取FB-2典型剖面进行边坡稳定性计算，整体坡角为24°～32°，整体边坡稳定系数为1.25，局部边坡稳定系数为1.14，其上部为黄土层，土质较松软，稳定性较差，极易出现台阶片帮现象，因此，矿田生产期间需及时清理，根据边坡稳定性系数计算，现状条件下该矿田非工作帮边坡处于稳定状态。

矿田外排土场边坡选取WP-5典型剖面进行边坡稳定性计算，整体边坡角为10°～18°，整体稳定系数为1.58，局部边坡稳定系数为1.10，单台阶边坡易出现片帮危险，矿田生产期间，需及时对片帮区域进行清理与维护，现状条件下，该矿田外排土 场边坡处于稳定状态。

图7 矿田非工作帮FB-2剖面边坡稳定性分析模型

图8 矿田外排土场WP-5剖面边坡稳定性分析模型

2 边坡稳定性综合控制技术措施

根据边坡稳定性分析计算，矿田非工作帮与外排土场边坡均处于稳定状态，边坡基本满足安全储备需求，为进一步加强边坡稳定性，保障安全作业，从边坡安全性角度出发，提出以下边坡稳定性综合控制技术措施。

2.1 完善疏干排水系统

河曲旧县露天煤矿矿田黄土层、黏土赋存厚度较大，土质遇水后多呈现松软状态，力学强度会明显降低，从而降低边坡的稳定性，甚至造成滑坡现象，威胁矿田的安全生产，因此，需加强疏干排水工程建设，避免大气降水、地表水大量渗入至滑坡体内，以保持边坡的稳定性。主要防范措施如下。

（1）修筑固定排水水沟，尽可能将地面水拦截阻断在地表，将积水抽排至矿田之外，同时，加强对排水沟的清理维护，及时清除淤泥，防止出现积水回流、渗漏、倒灌现象。

（2）在外排土场边坡施工3%～5%的反坡，提高坡面的防水冲刷能力，同时，在坡底修筑防渗排水沟，根据地形特点在不同水平内构筑蓄水池，利用集水井、立井、渗井、砂井或平孔等多种方式排水，阻止外部积水进入或停留在边坡内，实现对矿田积水有序、统一排放。

（3）加强对排土场上部的植被恢复工作，促进土内水分的蒸散，阻止土壤发生水蚀、风蚀现象。

2.2 完善边坡监测系统

对现有边坡监测系统进行优化完善，建立综合监测站，构建边坡光纤监测系统，超前预报掌握边坡的动态，实现对边坡稳定性的实时监测[3-4]。随着矿田工作帮边坡的持续推进，在内排土场未跟进非工作帮的区域增设监测点，提高监测的精度；在矿田外排土场排弃到界的边坡增设监测系统，保证生产工作的安全进行。此外，在冻融、雨季来临前，在边坡区域建立完整的监测线，加强监测数据分析，重点对边坡的变形速率、变形规律等进行关注分析，对异常区域及时进行加固，确保矿田边坡的稳定。

2.3 完善边坡巡查

（1）加强日常巡查工作，保证每日巡查不得低于2次，对重点危险区域加强巡查次数与精度，并设置安全警戒线，防止坡体滑落造成人员伤亡。

（2）加强边坡维护，及时清理边坡上部的松散岩体，加强危险台阶外缘挡土墙防护工作，确保边坡形态平整，结构可靠。

2.4 加强废料排弃管理

一般而言，坚硬物料排至边坡上部时不利于边坡的稳定，排至边坡下部时有利于边坡的稳定性，因此，排弃废料时要避免物料混排，需对物料进行划分排弃，将强度较大、遇水软化效果不好的物料在基底或下部排弃，将强度较小、吸水软化程度较高的物料选择在上部排弃，避免因排土场强度较低造成滑坡现象，有利于提高边坡的稳定性。

2.5 优化爆破工艺

为提高爆破效果，矿田采用预裂爆破时，尽量采用间隔不连续装药结构，在底部1 m处采用连续装药结构，顺序爆破，主爆破之前采用50 ms的延迟齐发起爆预裂孔，缓冲爆破齐发起爆，减振孔排至少预留15 ms的延迟时间，在主爆破孔之后起爆，以减小爆破对边坡岩体稳定性的影响[5]。

3 结论

以河曲露天煤矿为研究对象，对矿田在复杂构造带影响下的边坡稳定性进行分析评价，得出的结论与提出的控制技术措施如下。

（1）采用FLAC3D数值模拟计算，确定矿田非工作帮边坡呈现“圆弧式”变形破坏模式，矿田外排土场边坡呈现沿排弃废料内侧的“圆弧式”变形破坏、沿排弃废料基底侧的“坐落-滑移式”变形破坏模式。

（2）采用极限平衡法对边坡稳定性进行评价， 得到矿田非工作帮边坡整体稳定系数为1.25，局部边坡稳定系数为1.14，矿田外排土场边坡整体稳定系数为1.58，局部边坡稳定系数为1.10，两边坡均处于稳定状态。

（3）根据边坡稳定性分析评价指标，提出了边坡稳定性综合控制技术措施，主要包括完善疏干排水系统、完善边坡监测系统、完善边坡巡查、加 强废料排弃管理及优化爆破工艺等。