河曲旧县露天煤矿增产后边坡设计

刘志强

（山西煤炭进出口集团 河曲旧县露天煤业有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 况

露天煤矿产能的释放对促进当地经济社会发展及国民经济健康稳定发展都具有重要意义，在保证安全生产的前提下，不影响矿山正常生产，对露天矿进行扩建十分重要。河曲露天煤矿原设计8 Mt/a，为了符合当前的需求，需要将产能增加2 Mt/a，达到10 Mt/a。为了保证安全，需要对增产后的采掘场边坡和内排土场的稳定性进行重新计算。

2 采掘场边坡稳定计算

2.1 计算方法

河曲露天煤矿采掘场帮坡地层的构成主要为马兰组黄土、第三系砂土、砂质泥岩、砂岩、泥岩和煤等的混合型边坡，边坡上部大部分为第四系覆盖，井田东北部发育2 条正断层，倾角均大于70°，2 个背斜和2 个向斜，倾角均小于8°，通过分析可知，其对矿山边坡稳定性影响较小，但随着矿山的开采，在断层处不排除发生小的片帮滑落可能。总的来说，河曲露天煤矿边坡属于中—软岩类边坡，认为该矿滑坡模式可能为张裂缝—圆弧型滑坡或圆弧直线型滑坡。根据地质报告，该矿地层内含水量较小、富水性弱，虽具微承压性，但可采取水平放水孔，放水降压解除地下水对边坡的作用力。

根据上述分析，采用摩根斯坦—普瑞斯法(Morgenstern-Price)对采掘场边坡进行稳定性分析。摩根斯坦—普瑞斯法是对Janbu 法的更精确表达，主要是考虑了全部平衡和边界条件，使计算误差更小。在利用该方法进行计算时，将边坡划分为n 个条块，取第i 条块为隔离体，如图1 所示。

图1 条块受力分析

式中：Fs为边坡的稳定系数；Wi为自重，kN；KC为地震影响系数；li为滑块底部的长度，m；Ti为除了条块间力由所有作用在条块上的力引起的滑力，kN；Ri为除了条块间力由所有作用在条块上的力引起的剪力，kN；Ui为孔隙压力，MPa；αi为方位角，°。

2.2 计算数据选取

目前河曲露天矿首采区采掘场深度为908～1 028 m，形成了完整的11 个采剥台阶，其中主采煤台阶1 个，煤岩组合台阶4 个，土、岩剥离台阶6 个，台阶高度12 m，整体坂坡角9.6°；东侧端帮形成944～1 064 m 共11 个台阶，台阶高度12 m，帮坡角33°，工作帮及东侧端帮均未发生过滑坡。

采场边坡稳定取决于岩体强度，岩体强度与岩块强度和节理密度有关。根据以上分析情况可知，地质报告中的岩石物理力学性质参数不足，需要根据现有的《山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司煤矿生产地质报告》 《工程岩体分级标准》 及设计经验[4-6]选取岩石力学参数，具体见表1。

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters

在计算时，岩块的抗剪强度要大于岩体的抗剪强度，需要进行折减。折减大小取决于折减系数。折减系数与岩体中的结构面有关，结构面从大到小依次为断层、节理、裂隙。需要折减的参数主要是黏聚力和内摩擦角。岩层和煤层的黏聚力折剪系数的取值为：对于长期暴露的岩体，且经历了3 a 以上的劣化效应，折减系数取为0.045；对于刚刚揭露的工作帮台阶，裸露时间小于半年，折减系数取为0.2。

2.3 边坡稳定系数

河曲露天矿开采境界划分为5 个采区，其中首采区、二采区、五采区边界相连，形成一个连续大范围开采境界；三采区、四采区受煤层赋存影响，为独立采区。结合露天矿开采现状及采区划分，选取了9 个边坡剖面进行稳定性分析。剖面位置如图2 所示。

图2 边坡剖面位置示意Fig.2 Position of slope section

原设计露天矿采掘场各终帮边坡角34°，露天矿现状揭露边坡工程地质无重大变化，此次设计拟按原设计执行，并结合新的开采境界圈定结果，对设计的终帮边坡进行稳定性分析，按上述研究，计算各个边坡的稳定系数。

剖面1 位于首采区东帮边坡最高处，边坡高110.3 m，设计边坡角34°，经计算，边坡稳定性系数1.248。剖面2 位于二采区北帮边坡最高处，边坡高84 m，设计边坡角34°，经计算，边坡稳定性系数1.213。剖面3 位于五采区西帮边坡最高处，边坡高92.6 m，设计边坡角34°，经计算，边坡稳定性系数1.220。剖面4 位于二采区西帮边坡最高处，边坡高124.4m，设计边坡角34°，经计算，边坡稳定性系数1.110。

剖面5 位于二采区东帮，该位置与首采区排土场边坡形成复合边坡。下部原始土岩边坡高40.3 m，设计边坡角34°；上部弃土边坡高113.3 m，边坡角16°；剖面5 处边坡总高153.6 m，边坡角17°。经计算，边坡稳定性系数1.346，滑面位于下部采剥边坡段，复核边坡整体稳定性系数2.076。

剖面6 位于现状采坑南帮，边坡高139.0 m，现状边坡角33°，经计算，最不利滑面稳定性系数1.011，位于边坡下部，局部边坡角47°，整体边坡稳定系数1.209。

剖面7 位于三采区终帮最高处（北帮），终帮北侧为既有外排土场，边坡高142.1 m，设计采剥终帮边坡角33°，上部排土台阶按设计排土终帮考虑。经计算，最不利滑面稳定性系数1.182，位于边坡下部采剥边坡，整体边坡稳定系数1.395。

剖面8 位于四采区终帮最高处（西南），边坡高142.1 m，设计采剥终帮边坡角33°，经计算，边坡稳定性系数1.279。

根据 《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2015）6.0.8 条，采掘场边坡服务年限小于10 a，边坡稳定系数1.1～1.2。剖面6 处现状采掘场端帮下部较陡，边坡稳定系数小于1.1，不满足安全要求，应尽快内排压帮。其他各帮安全系数均满足规范要求，因此，此次设计露天矿终帮各边坡角度为34°。

剖面9 位于选煤厂东部内排土场边坡，边坡高129 m，边坡角19°，经计算，边坡稳定性系数1.286。结合露天矿的工程地质条件和周边矿区的实际情况，第四系坡面角确定为65°，岩石台阶和煤台阶坡面角确定为70°。

3 排土场边坡稳定分析

在露天矿增产后，每年的排土量会增加，这在一定程度上会影响排土场的稳定性。为了保证生产的安全性，需要对排土场的边坡稳定进行重新分析。根据地质报告的试验资料、露天矿的实际经验以及相似露天矿经验数据，首采区边坡稳定计算采用的排土场排弃物料参数，其内摩擦角为21°，凝聚力为20 kPa。物料容重为1.88 t/m3。

现排土场最大排弃高度209 m（剖面1），边坡角19°，经计算，安全系数为1.234。既有选煤厂东侧边坡排弃高度128 m（剖面2），边坡角19°，经计算安全系数1.286，剖面位置如图3 所示。

图3 现排土场剖面位置示意Fig.3 Section position of the current dump site

在增产后，内排土场最大排弃标高1 076 m，最大内排高度191 m，工作帮坡角19°，经计算，安全系数1.257，剖面位置如图4 所示。

图4 内排土场（191 m）剖面位置示意Fig.4 Location of the inner dump(191 m)profile is illustrated

根据《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》(GB51289-2018)，内排土场服务年限小于10 a，稳定系数不小于1.2，露天矿内排工作帮属于稳定边坡，排土场现状边坡及达产年内排边坡均属于稳定边坡。

内排压帮可以将剥离土岩堆积在滑体下部抗滑部分，可增大抗滑力，控制边坡稳定性，同时减小剥离运距。因此应加快工程推进速度尽量减少边坡暴露时间，确保采剥与排弃同步进行，提高边坡的稳定性。

4 结语

结合河曲露天矿实际情况，对采掘场边坡和内排土场的稳定进行重新计算。计算结果表明，露天矿终帮各边坡角度为34°，内排土场的角度为19°，可以满足安全生产的需要。考虑到生产过程中一些不确定因素的影响，还应该做好边坡稳定的监，测防止滑坡。