某露天煤礦邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

高煥然 呂淑然 王婉青 張博倩

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院)

在露天煤礦的日常生產(chǎn)當(dāng)中，邊坡高度隨著采掘深度的增加不斷上升，邊坡穩(wěn)定性也隨之變差，可能導(dǎo)致滑坡、坍塌等事故的發(fā)生，露天煤礦的安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。近年來(lái)，礦山邊坡發(fā)生的滑坡、坍塌等事故造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷害。因此，對(duì)露天煤礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析顯得尤為重要。針對(duì)礦山的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，已有很多學(xué)者進(jìn)行研究。張江偉、李小軍[1]分析總結(jié)了地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析的研究現(xiàn)狀和特征，從特點(diǎn)和適用性2個(gè)角度對(duì)不同理論和方法進(jìn)行了分析，并對(duì)該領(lǐng)域研究存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望；姜海濤[2]通過(guò)理論分析和FLAC3D模擬軟件研究了排土場(chǎng)邊坡變形與破壞的相關(guān)特征和規(guī)律，得出排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部應(yīng)力及位移分布特征和排土場(chǎng)邊坡變形及破壞規(guī)律；何怡等[3]利用離散元軟件3DEC對(duì)工作臺(tái)階邊坡在自然狀況及爆破下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量研究；王婉青等[4]利用slide軟件對(duì)某礦山的西幫邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，并針對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素提出了一些治理措施；向章波等[5]通過(guò)slide軟件模擬了川南某紅層路塹邊坡，對(duì)不同工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；楊清峰、陳玉明[6]通過(guò)slide軟件對(duì)某尾礦庫(kù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)整改方案。在學(xué)習(xí)總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)slide模擬軟件構(gòu)建某露天煤礦北幫邊坡的3個(gè)典型剖面模型，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果和礦山實(shí)際情況提出相應(yīng)的治理意見(jiàn)。

1 礦山邊坡概況

某礦區(qū)位于云貴高原，南北長(zhǎng)約7 km，東西寬2～3 km，面積約17 km2，其中含煤面積為9.03 km2。北幫邊坡位于溶蝕構(gòu)造中低山區(qū)，坡高約210 m，整體坡度為15°～25°。地表溶蝕溝槽較發(fā)育，區(qū)內(nèi)發(fā)育3條沖溝，溝內(nèi)無(wú)常流水，屬季節(jié)性沖溝。

該礦區(qū)為新第三紀(jì)地層構(gòu)成的山間向斜盆地。四周高山由二迭系和三迭系灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖及始新世小花山礫巖所組成，巖溶發(fā)育。露天壩北幫新第三系地層共分為4個(gè)巖性段。泥灰?guī)r段巖性為淺灰、灰色厚層；主煤層段是一套巨厚褐煤層，煤層中有百余層黏土巖，粉砂質(zhì)黏土巖、炭質(zhì)黏土巖夾矸，另有2～3層含炭生物碎屑灰?guī)r夾矸；薄煤層段上部由層數(shù)較多的薄層褐煤與含薄層炭質(zhì)黏土巖及黏土巖組成，下部多為黏土巖、炭質(zhì)黏土巖、薄層炭質(zhì)頁(yè)巖及較少薄層褐煤。

本區(qū)屬于亞熱帶氣候，氣溫較高，雨量充沛。暫時(shí)氣溫的極限值為-2.4～39℃。夏季酷熱，局部地區(qū)氣溫可高出40 ℃。據(jù)降雨量統(tǒng)計(jì)資料，最小年降雨量為542 mm，最大年降雨量為1 140 mm，雨季匯集地表水流大部分沿截洪溝排泄入江。

井田內(nèi)褶皺有2處向斜，東部有近南北走向的F2斷層和東北走向的F3斷層，西部有走向北西的F4斷層，西北有走向南北的F7斷層和走向北東的F8斷層。從總的情況來(lái)看井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不復(fù)雜，地震烈度為7度。

根據(jù)礦山相關(guān)資料顯示，北幫邊坡地質(zhì)災(zāi)害為特大型地質(zhì)災(zāi)害，危害性大，是該礦山生產(chǎn)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。近年來(lái),由于開(kāi)采強(qiáng)度加大和雨季的強(qiáng)降雨等原因，北幫邊坡開(kāi)始發(fā)生變形，曾發(fā)生過(guò)局部滑坡事故，盡管經(jīng)過(guò)治理，情況有所見(jiàn)好，但該礦北幫邊坡仍存在一定的安全隱患,需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)該露天煤礦北幫邊坡a-a′、b-b′和c-c′地質(zhì)剖面圖和相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，在slide軟件中建立3個(gè)典型剖面的模型，見(jiàn)圖1。

圖1 典型剖面slide模型

根據(jù)該礦提供的勘探資料，列出各巖層巖石力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各巖層巖石力學(xué)參數(shù)

在已經(jīng)建好的3個(gè)典型模型上賦予巖層物理力學(xué)參數(shù)值，地震烈度為7度，使用瑞典法(Ordinary/Fellenius)、簡(jiǎn)化的Bishop法、簡(jiǎn)化的Janbu法對(duì)a-a′、b-b′和c-c′3個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。a-a′剖面穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。各剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)匯總見(jiàn)表2。

通常把邊坡的穩(wěn)定性等級(jí)分為四類[7]，見(jiàn)表3。

由圖2、表2、表3可知，為了安全起見(jiàn)，選取3種計(jì)算方法所得結(jié)果的最小值作為北幫邊坡某一剖面的安全系數(shù)，a-a′ 剖面為1.04，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);b-b′剖面為1.16，c-c′剖面為1.20，均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該礦北幫邊坡a-a′剖面的安全系數(shù)很接近安全系數(shù)臨界值1，北幫邊坡為非工作幫，為永久性邊坡，服務(wù)年限大于20 a?！睹禾抗I(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中要求非工作幫服務(wù)年限大于20 a的，安全穩(wěn)定性系數(shù)要求大于1.3。從得到的結(jié)果來(lái)看，邊坡已經(jīng)處于臨界狀態(tài)，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，如果遇到雨季或者其他破壞條件，邊坡容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，所以要對(duì)北幫邊坡采取一定的治理措施以防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3 治理措施

(1)完善疏干排水系統(tǒng)。疏干排水可以降低該礦山北幫邊坡巖體受到的雨水侵蝕，阻礙雨水侵入北幫邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面中，進(jìn)而提高巖體的強(qiáng)度，減少巖體受地下水壓力的影響。

(2)減載及加固。通過(guò)挖去邊坡上部的巖體并回填至邊坡腳部來(lái)減小位移滑力。采用護(hù)坡措施或者局部加固措施，防止滑坡。由于北幫邊坡的總體坡度已經(jīng)很緩，局部失穩(wěn)時(shí)可以采用錨固點(diǎn)為堅(jiān)硬巖石的錨桿加固，還可以將滑體分為上下兩部分，采用分級(jí)支撐，樁墻聯(lián)合加固。此外，在礦山開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)定期或不定期地清掃邊坡，同時(shí)加強(qiáng)治理，定期維護(hù)，避免出現(xiàn)局部滾石或者局部滑坡。

圖2 不同方法的a-a′剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

剖面瑞典法簡(jiǎn)化的Bishop簡(jiǎn)化的Janbu法a?a′1．041．131．04b?b′1．171．271．16c?c′1．231．351．20

表3 穩(wěn)定性等級(jí)劃分[7]

(3)處理拉伸裂縫與破碎帶。邊坡在發(fā)生破壞前，往往會(huì)在其頂部出現(xiàn)拉伸裂縫，這些拉伸裂縫也通常是坡體破壞面的開(kāi)始。因此，采用強(qiáng)力錨桿加固的方法預(yù)防拉伸裂縫的出現(xiàn)，此外還可以通過(guò)預(yù)注漿對(duì)斷層、軟弱夾層和破碎帶進(jìn)行加固。

(4)注意露天礦山邊坡的復(fù)雜性、時(shí)效性和動(dòng)態(tài)性等特性，堅(jiān)持動(dòng)態(tài)治理的原則。該露天煤礦具有邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，在異常點(diǎn)附近建立3條邊坡傾向方向的監(jiān)測(cè)線以確定滑坡范圍，必要時(shí)設(shè)置地下位移監(jiān)測(cè)孔，確定滑動(dòng)面位置，為治理滑坡提供依據(jù)。此外，應(yīng)健全巡查制度，對(duì)邊坡進(jìn)行定期巡視，特別是雨季和出現(xiàn)破面裂縫時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施，防止事故發(fā)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)某露天煤礦北幫邊坡的3個(gè)典型剖面進(jìn)行建模計(jì)算，得出北幫邊坡的安全系數(shù)為1.04，說(shuō)明北幫邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，如果遇到雨季或者其他破壞條件，邊坡容易發(fā)生滑坡等事故。

(2)根據(jù)該露天煤礦北幫邊坡的欠穩(wěn)定狀態(tài)和礦山實(shí)際情況，建議采取完善疏干排水系統(tǒng)、挖去邊坡上部的巖體并回填至邊坡腳部、采用強(qiáng)力錨桿加固的方法預(yù)防拉伸裂縫等治理措施，以保證邊坡安全穩(wěn)定。

(3)邊坡的治理工作中應(yīng)堅(jiān)持動(dòng)態(tài)治理、長(zhǎng)期治理的原則，加強(qiáng)邊坡地表和地下位移監(jiān)測(cè)，建立蠕動(dòng)邊坡加速變形的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)和臨滑預(yù)報(bào)，更好地掌握邊坡變形破壞規(guī)律，采取有力措施控制邊坡的變形破壞過(guò)程，及時(shí)預(yù)防邊坡災(zāi)害。

[1] 張江偉,李小軍.地震作用下邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].地震學(xué)報(bào)，2015，37(1)：180-191,205.

[2] 姜海濤.基于FLAC3D復(fù)合排土場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程研究[J].露天采礦技術(shù),2017,32(5):16-18.

[3] 何 怡,郭麗芳.爆破影響下露天礦邊坡的穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2017(6):1-4.

[4] 王婉青,陳 印,楊 溢.某露天煤礦采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析[J].煤礦機(jī)械，2016，37(12):63-65.

[5] 向章波,張家銘,周曉宇,等.基于Slide的某紅層路塹邊坡穩(wěn)定性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2015,42(4):90-95.

[6] 楊清峰,陳玉明.基于Slide的尾礦庫(kù)壩體穩(wěn)定性分析[J].煤礦機(jī)械,2017,38(6):164-167.

[7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50330—2013 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[8] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2015.