露天煤矿非工作帮顺层边坡致滑机理及稳定性分析

裴彦峰,陈 贵,刘小开

(新疆中岩恒泰爆破工程有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引言

露天煤矿开采中,边坡稳定性非常重要[1],如果矿山边坡防护不及时,将导致边坡塌方、山体滑坡、泥石流等问题,不仅会造成巨大的财产损失,还会威胁人们的生命安全。新疆某露天煤矿属缓倾斜煤层,全区可采,是较稳定煤层,开采方式为沿矿区西北部露头煤层底板掘沟,工作帮设置移动式开拓运输系统,非工作帮边坡走向与地层走向一致,形成顺层边坡。露天矿的边坡与地下构造具有差异性,故安全稳定性计算结果有所不同[2],当边坡走向与地层走向一致时,相对于与之相反的地层结构更容易发生危险[3]。

该矿矿剥离与采煤均采用单斗-卡车间断开采工艺,钻机选用孔径150 mm潜孔钻机5台,剥离采用1.6 m液压挖掘机6台,配20 t自卸卡车38辆,采煤采用1.6 m液压挖掘机1台,配20 t自卸卡车2辆,排土采用220 HP履带推土机2台。台阶高度为10 m,台阶坡面角设计为65°,最小工作平盘宽度35 m,运输平盘宽度15 m。该矿岩石普氏系数f=5～6,为中硬岩石,岩石覆盖层较簿。穿孔爆破采用垂直深孔爆破法爆破。根据该矿岩石硬度,选用剥离爆破方式为微差挤压爆破,起爆排数为1～2排,一次起爆炮孔数15～30个,起爆钻孔数量根据工作线长度进行调整。

采场中边坡不是一个均质产物,由若干种类的岩层组合形成[4]。该露天煤矿边坡岩层种类主要包括粗砂岩、细砂岩、砂砾岩、火烧岩等,各类岩体的物理力学性质如表1所示。岩层受到气候影响或人为扰动时呈现复合滑动及圆弧滑动。针对该露天煤矿顺层边坡开展安全稳定性评价,根据分析结果,主要对边坡的圆弧型滑动进行建模分析,为矿山安全生产提供指导。

表1 岩石物理力学参数

1 滑坡原因

地质条件对边坡稳定性的影响主要体现为岩土性质。不同的岩土具有不同的岩土性质,在容重、内摩擦角及内黏聚力不同的情况下稳定系数也不同。自然条件下,岩石性质较为松散,形成的边坡容易失滑。

边坡各层岩土中存在各种结构面,形成了岩土向下滑动的地质构造条件。地层面降雨为其进入边坡提供了天然通道,故节理、裂隙、层理面、岩性界面、断层较多的边坡,特别是平行垂直于边坡的陡坡结构面及沿边坡的平缓结构面发育时,更容易发生滑坡[5]。

地下水活动对滑坡的形成具有重要作用,可降低岩土强度,产生动水压力及孔隙水压力,侵蚀岩土,增加岩土容重,在透水岩石上产生浮力,尤其是滑坡的软化效应及强度降低效应最为突出。地壳运动与人类工程活动是滑坡的主要成因,如降雨、融雪、地表水、河流等地表水对坡脚持续侵蚀,台阶高度及施工不合理会导致边坡破坏,坡脚开挖、边坡超载、爆破震动等都可能引发滑坡。

2 数值计算及优化

根据《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》(GB51289-2018)要求,边坡的设计稳定系数应满足规定的稳定系数要求,结合该矿实际情况,采场边坡稳定性判定依据为:K≥1.3稳定,1.2≤K<1.3基本稳定,1.00≤K<1.2欠稳定,K<1.00不稳定。

其中,K考虑地下水、爆破等因素影响下的最小边坡稳定性系数。

目前,矿区工作帮最小平盘宽度35 m,每层台阶高度10 m,台阶破面角65°,根据地质条件及地层赋存条件,可分为6个地层。利用CAD制图软件,对非工作帮进行初步建模,通过边坡分析软件slide,将模型数据导入各地层,赋予表1中岩土层物理力学参数,进行综合分析,结果如图1所示。

图1 不同边坡角度时安全稳定性分析结果

按规范中规定的露天煤矿最终边坡角稳定系数取1.2～1.3,根据当前边坡形态建模计算,得到边坡角为36°的边坡稳定系数为1.646>1.3,如图1(a)所示,过于稳定,不利于端帮下煤层回收,故通过改变露大矿边坡角计算合适的稳定系数。利用改变平盘宽度及边坡角的方法,将原来的工作平盘宽度35 m降到30 m,最终边坡角由36°增加到38°,进行优化安全稳定系数计算,结果如图1(b)所示。经过3次优化后,最终边坡角为40°时,安全稳定性系数为1.274,如图1(c)所示,在合理的安全稳定性系数下,符合开采标准规范。第4次优化后的安全稳定性系数为1.092,如图1(d)所示,属于潜在滑坡风险的安全稳定性系数,解决了初始不够经济的问题,但增加了发生滑坡的风险,不可取。计算结果如表2所示。

表2 不同边坡角对应的安全稳定性系数

由计算得知,当端帮平盘宽度为22 m、整体帮坡角40°时,边坡稳定性系数为1.274,是最佳状态。

3 滑坡的预防与治理

确定合理的帮坡角。边坡附近的岩石受爆破震动的影响,常常会出现岩石塌落,导致平台宽度变窄。在露天矿设计及生产中,需根据矿山的地质条件、岩石的力学性质及设备性能、规格及尺寸,确定合适的边坡角与工作平台的最小宽度。露天开采阶段,应遵循先剥离后开采的原则,严禁掏采坡脚。对需要承担爆破、运输系统的端帮平台,加强地质调查,并随着开采的推进及时跟进。

需对露天矿边坡进行定期检查及维护,以保证边坡的稳定性,防止灾害的发生。成立专业的边坡养护队伍,加强检查维修,必要时进行人工放坡、铺设草皮、种植灌木。设置排水管网,防止地表雨水流入矿坑,冲刷边坡。对于深凹露天矿山,应在周围设置山洪泥石流防护设施。排水管网包括地表排水、地下排水及立体排水。边坡附近爆破时,应采用预裂减震爆破方法,减少单孔装药量,增加孔数,减少每次延期爆破的孔数,防止露天爆破作业破坏边坡稳定。

做好抗滑工程及加固。滑坡防治工程是滑坡治理不可缺少的部分[6],抗滑工程包括抗滑挡土墙、加筋挡土墙、锚板挡土墙、预应力锚索挡土墙及锚杆挡土墙。抗滑桩为大断面排桩抗滑单桩、抗滑链、钢管桩、承台抗滑桩、桩基础挡土墙、椅式挡土墙、弯型抗滑桩、板桩抗滑桩及锚桩。

4 结论

通过改变平盘宽度及边坡角,对顺层边坡稳定性进行优化,通过4次优化,边坡稳定性系数达到了合理开采的标准。当端帮平盘宽度为22 m、整体帮坡角40°时,边坡稳定性系数为1.274,符合合理开采的标准规范。针对顺层边坡,提出了合理的开采顺序,采用加强维护检查及抗滑工程加固方法,有效提高顺层边坡稳定性及露天矿山开采的安全性。