露天矿开采边坡稳定性分析

2022-09-26安振华

山西冶金 2022年4期

安振华

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，山西河曲 036506）

露天矿开采过程中边坡失稳是最为常见的工程问题，该问题能否得到妥善处理直接关系到露天采场的正常开采生产及工作人员的生命安全。某露天矿由于其地层岩性较软，且边坡倾向与岩层倾向一致，很容易发生蠕动变形。在长期开采扰动及大气降水的影响下边坡的稳定性更加难以保证，因此决定采用削坡减载技术及数值模拟技术对整体边坡进行治理，保证开采生产安全。

1 边坡概况

1.1 开采现状

某露天矿在开采过程中一侧边帮已达开采境界，而该边帮由于长期的风化侵蚀以及地下水的软化，已发生较严重的蠕动变形，呈现出扇形变形特点。两侧剪切裂隙在中上部较为明显，下部出现底鼓现象高度约1.2 m 左右，右侧出现羽状裂缝。因此决定采用削坡减载工程治理方案对该边坡进行治理。

1.2 边坡岩体地质条件

1）岩体岩性。经现场实际勘探数据以及地质资料显示，该边坡变形区域的岩体特征为人类活动层、第四系坡洪积层、新第三系煤层段、新第三系薄煤层炭质黏土岩段等组成。整体岩性较软，在开采过程中易发生膨胀变形，且容易受到地下水的影响。

2）地下水特征。该边坡内的岩溶水以白云质灰岩为主，有埋藏较深、对边坡稳定性影响较小的特点；在第四系坡洪积层岩系中含孔隙水，透水性以及连通性较差且受季节影响严重，埋藏也浅，水量较小，因此对边坡稳定性较小；裂隙水大部分赋存在新第三系岩层中，且分布大多无明显界限，由于炭质黏土层以及黏土岩对裂隙水的阻隔作用，地下水很容易在这一地带积聚，且大气降水也会积聚在此处，很容易由于长期浸泡作用对岩体进行软化侵蚀形成软弱结构面，因此对边坡稳定性危害较大。

3）工程地质。由于该边坡倾向与岩层倾向接近，因此容易发生顺层滑动；表层岩性以黏土及褐煤等软弱结构为主，在长期地下水地表水软化作用下稳定性大幅降低；采动过后岩层裸露在地表下长期的风化作用也降低了岩体稳定性[1]。

1.3 边坡蠕动变形因素分析

结合该露天矿边坡开采现状以及岩体地质条件进行分析，边坡的整体蠕动变形原因为沿软弱结构面发生滑移失稳，受重力及地下水影响较为严重。表层岩性较软且具膨胀性，因此易发生边坡变形，而且边坡倾角与地层接近加剧了边坡蠕动变形现象的发生；地下水及地表水历来是边坡变形的主要影响因素，在大气降水过程中地表水大量的渗流，导致岩体稳定性急剧下降。水体的富集降低了岩体力学强度并产生了孔隙水压，加速了岩层破坏，因此水的作用成为边坡蠕动变形的主要影响因素。

2 边坡破坏机制及力学参数

该露天矿边帮界限清晰，在地质勘探过程中表明了具体的滑面位置，因滑面处岩层岩性为黏土岩夹杂薄煤层，边缘陡壁约为0.7 m 左右分布不均匀，且该滑面裂隙较为发育。在弱结构面上发生的滑动主要以顺层滑动（见图1-1）以及底部的圆弧滑动（见图1-2）为主，边帮处由于其厚度较大存在着蠕动型滑坡，边坡破坏机制大致为：边坡发生变形、整体开始蠕动滑移、后缘推移滑移三个阶段，具体形式见图1。

图1 露天矿边坡滑动破坏形式

岩层物理力学参数，该露天矿边坡主要以黏土、褐煤夹矸为主。表层砂土饱和密度为1.866 t/m3，黏聚力为23.5 kPa；粉质黏土饱和密度为1.787 t/m3，黏聚力为30.34 kPa；下部煤层中褐煤饱和密度为1.332 t/m3，黏聚力为27.56 kPa；褐煤夹矸饱和密度为1.924 t/m3，黏聚力为32.04 kPa；黏土岩层的饱和密度为2.011 t/m3，黏聚力为30.18 kPa。此处仅对主要岩层参数进行列举，经地质勘探后所得数据汇总各岩层的力学参数值见表1。

表1 边坡表面岩体力学参数

3 边坡稳定性分析治理

露天矿的边坡稳定性分析治理是一项综合工程，根据不同矿区的地质条件呈现出不同的时效性。该矿边坡的稳定性基本取决于较软的岩性以及地表水、地下水的作用。在工程实际中该因素下发生的边坡破坏类型有：平面滑动、楔形破坏、圆弧滑动等等[2]。而数值模拟中常用的破坏形式为圆弧滑动。该露天矿的边坡剖面示意图如图2 所示，现根据其剖面图分析边坡可能发生滑移的滑移面稳定效果。

图2 露天矿边坡剖面示意图

根据表1 中的岩体力学参数建立地质模型，并利用数值模拟对边坡在地下水条件下以及边坡自重条件下的稳定性进行计算，得出该矿进行边坡治理前的稳定性系数见表2。

表2 露天矿边坡治理前稳定性系数

分析表内数据并结合现场地质勘探数据进行分析可知，该矿边坡的实际情况与第二组数据较为接近，也就是符合在地下水影响下的边坡稳定性系数，取值均在1.103 以下，根据滑坡防治工程技术规范要求，该露天矿边坡设计不能满足设计规范。因此应对边坡设计方案进行边坡稳定性处理，根据受地下水较为严重的特点进行削坡减载工程治理，即对边坡进行平整以及边帮锚喷加固，改变边坡形状以提高边坡的稳定性。处理后该露天矿边坡稳定性系数见表3。可以看出，在削坡减载治理工程完成后剖面的稳定性系数均可满足滑坡防治技术规范，稳定性系数保持在1.1 以上。

表3 露天矿边坡治理后稳定性系数

4 工程实际效果

根据该露天矿边坡的蠕动变形情况进行治理，以削坡减载的治理方案，减少边坡岩体上的载荷，下方煤层避免因受到压力发生推移变形，保证边坡的稳定性即开采生产安全，在长达18 个月的治理过程中，累计削坡排土量达83 万m3，锚固费用约200 万元。对完成治理后的边坡进行监测发现其变形量大幅下降，已可进行煤炭正常开采工作，根据实地勘测数据对边坡稳定性系数进行分析，结果见表4。

表4 露天矿边坡削坡减载治理稳定性系数

从表4 可以看出，在对边坡进行削坡减载过程治理后，边坡由于其整体坡角变缓且边帮得到锚固，稳定性大大加强，边坡稳定性系数保持在1.2 左右，满足边坡防治设计规范。能够保障采区的正常开采生产安全。该露天矿边坡治理的良好成效，也可以看出削坡减载边坡治理工程在实际工程应用中的合理性，可将该成熟的技术方案应用于各露天煤矿的边坡治理防护工程当中[3]。