白礪灘露天礦二采區(qū)燒變巖邊坡穩(wěn)定性研究

吳 楊 ，梁 冰 ，夏 冬 ，賈淯斐 ，郝 碩

（1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

在露天礦山開采過程中，邊坡穩(wěn)定是保證礦山安全生產(chǎn)的前提，最終邊坡角選取的合理與否直接關(guān)系到礦山的安全和經(jīng)濟(jì)效益[1]。在邊坡穩(wěn)定性分析與最終邊坡角確定方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作[2-11]，為此以白礪灘煤礦二采區(qū)北幫和東幫燒變巖邊坡為研究對(duì)象，在礦區(qū)地質(zhì)、采礦條件、火燒區(qū)分布等信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合前期獲取的巖體物理力學(xué)參數(shù)，選取典型剖面，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果為最終邊坡角的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及剖面選取和巖石力學(xué)參數(shù)

白礪灘煤礦火燒區(qū)主要集中在東北部、東南部以及北部地區(qū)。礦田內(nèi)西山窯組火燒基本沒有露出地表，幾乎被第四系覆蓋，主要集中在東北部、北部和東南部，面積約3 km2，并通過鉆探工程進(jìn)行了驗(yàn)證。鉆孔中燒變巖多呈磚紅色、紫紅色、紫黑色等，巖石裂隙極發(fā)育，質(zhì)地堅(jiān)硬。鉆孔中燒變巖構(gòu)造特征有氣孔構(gòu)造、燒流構(gòu)造、層狀構(gòu)造和角礫狀構(gòu)造4種，其中層狀構(gòu)造發(fā)育普遍。代表值剖面線主要技術(shù)參數(shù)見表1。邊坡穩(wěn)定性分析中所用的巖體物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 代表性剖面主要技術(shù)參數(shù)

2 固定邊坡角時(shí)邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 50197—2005《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，非工作幫邊坡安全系數(shù)在1.2～1.3之間，矮小邊坡取1.2，高大邊坡取1.3，由于白礫灘邊坡較高，應(yīng)有較大的安全儲(chǔ)備。根據(jù)設(shè)計(jì)邊坡角36°，對(duì)研究區(qū)3個(gè)邊坡剖面穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分別計(jì)算天然水位和疏干排水時(shí)邊坡穩(wěn)定性。

表2 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.1 Ⅰ剖面邊坡穩(wěn)定性分析

當(dāng)設(shè)計(jì)邊坡角為36°時(shí)，Ⅰ剖面天然水位下計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖1，由于邊坡高度為249.57 m，邊坡較高，火燒區(qū)范圍大，且呈順傾分布，潛在的滑坡面在坡面下形成圓弧-順層滑弧。

圖1 36°邊坡角時(shí)Ⅰ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果

由圖1可見，在天然水位情況下，Ⅰ剖面的最小安全系數(shù)為1.043，小于1.1，不滿足規(guī)范要求。采用疏干排水措施后，Ⅰ剖面疏干排水措施后的計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 36°邊坡角時(shí)Ⅰ剖面疏干排水后計(jì)算模型與結(jié)果

由圖2可見，采取疏干排水措施后，Ⅰ剖面的最小安全系數(shù)為1.147，基本能滿足規(guī)范要求，但因該處邊坡高度較高，為保證邊坡的安全穩(wěn)定，需采取降低邊坡角的措施來(lái)提高邊坡的安全系數(shù)，當(dāng)邊坡角降低到34°時(shí)，Ⅰ剖面天然水位下計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 34°邊坡角時(shí)Ⅰ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果

由圖3可見，邊坡的安全系數(shù)為1.129，此時(shí)邊坡的安全系數(shù)仍較低，當(dāng)采用疏干排水后，計(jì)算得到邊坡的安全系數(shù)為1.22，此時(shí)，邊坡可保持安全穩(wěn)定。

2.2 Ⅱ剖面邊坡穩(wěn)定性分析

設(shè)計(jì)邊坡角為36°時(shí)，Ⅱ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果如圖4，此處邊坡高度為276.94 m，邊坡順傾，火燒區(qū)面積較大，滑坡面與Ⅱ剖面類似。

圖4 36°邊坡角時(shí)Ⅱ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果

由圖4可見，天然水位狀態(tài)下，邊坡角為36°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.369，此時(shí)邊坡安全穩(wěn)定，當(dāng)邊坡角不變，對(duì)邊坡進(jìn)行疏干排水，Ⅱ剖面疏干排水措施后計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 36°邊坡角時(shí)Ⅱ剖面疏干排水后計(jì)算模型與結(jié)果

由圖5可見，疏干排水狀態(tài)下，邊坡的安全系數(shù)為1.417，說明邊坡角為36°時(shí)，在疏干排水狀態(tài)下，邊坡能保持穩(wěn)定。

2.3 Ⅲ剖面邊坡穩(wěn)定性分析

設(shè)計(jì)邊坡角為36°時(shí)，Ⅲ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果如圖6，Ⅲ剖面處邊坡高度為286.62 m，邊坡順傾，火燒區(qū)面積較大，滑坡面與Ⅰ剖面類似。

圖6 36°邊坡角時(shí)Ⅲ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果

由圖6可見，天然水位狀態(tài)下，邊坡角為36°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為0.995，安全系數(shù)小于1，說明此時(shí)邊坡不能保持穩(wěn)定，存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)邊坡角不變，采取疏干排水措施，Ⅲ剖面疏干排水措施后計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 36°邊坡角時(shí)Ⅲ剖面疏干排水后計(jì)算模型與結(jié)果

如圖7，疏干排水后，邊坡的安全系數(shù)為1.113，此時(shí)安全系數(shù)雖大于1，但小于相關(guān)規(guī)范的要求。通過降低邊坡角的方式可增加邊坡的安全系數(shù)，當(dāng)邊坡角降低到32°時(shí)，Ⅲ剖面天然水位下計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖8。

圖8 32°邊坡角時(shí)Ⅲ剖面天然水位下計(jì)算模型與結(jié)果

由圖8可見，天然水位狀態(tài)下，邊坡角為32°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.024，達(dá)不到相關(guān)規(guī)范的要求，此時(shí)，采取疏干排水措施，32°邊坡角時(shí)Ⅲ剖面疏干排水后計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖9。

圖9 32°邊坡角時(shí)Ⅲ剖面疏干排水后計(jì)算模型與結(jié)果

由圖9可見，疏干排水狀態(tài)下，邊坡角為32°時(shí)，邊坡的安全系數(shù)為1.249，此時(shí)，邊坡可保持安全穩(wěn)定。

綜合上述分析可知，疏干排水和放緩邊坡角是提高邊坡安全系數(shù)的2種基本措施，邊坡角為36°時(shí)，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面、Ⅲ剖面在天然水位狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為1.043、1.369、0.995，在疏干排水狀態(tài)下，安全系數(shù)分別為1.147、1.417、1.113，在此條件下，Ⅱ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態(tài)下均可保持穩(wěn)定；邊坡角為34°時(shí)，Ⅰ剖面在天然水位和疏干排水狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為1.129和1.22，此時(shí)邊坡在疏干排水狀態(tài)下可保持穩(wěn)定；邊坡角為32°時(shí)，Ⅲ剖面在天然水位和疏干排水狀態(tài)下的安全系數(shù)分別為1.024和1.249，此時(shí)邊坡在疏干排水狀態(tài)下可保持穩(wěn)定。

3 安全系數(shù)為1.15時(shí)極限邊坡角計(jì)算

3.1 安全系數(shù)為1.15狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性分析

通過分析礦區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及礦區(qū)的氣候條件可知，巖質(zhì)邊坡為二類一型，屬于易于疏干的簡(jiǎn)單邊坡，參照相鄰礦區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)的規(guī)范，以安全系數(shù)1.15為標(biāo)準(zhǔn)確定邊坡角。在上述計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)安全系數(shù)在1.2以上的剖面進(jìn)行了38°邊坡角的計(jì)算分析。為了得到安全系數(shù)隨邊坡角的變化趨勢(shì)曲線，個(gè)別剖面進(jìn)行了數(shù)據(jù)補(bǔ)充，分別考慮邊坡天然水位狀態(tài)下和疏干排水后2種情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到邊坡安全系數(shù)隨邊坡角變化趨勢(shì)（表3）。

表3 不同邊坡角情況邊坡安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)

為了更直觀分析邊坡安全系數(shù)變化，繪制了邊坡安全系數(shù)Fs隨邊坡角變化趨勢(shì)曲線（圖10）。依此可以從理論上判斷安全系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)為1.15時(shí)的最終邊坡角。

3.2 安全系數(shù)為1.15狀態(tài)下境界邊坡角計(jì)算

以邊坡安全系數(shù)1.15作為邊坡分析安全標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)天然水位狀態(tài)下和疏干排水之后對(duì)應(yīng)的邊坡角（表4）。

表4 安全系數(shù)1.15下的邊坡角

通過以上分析，以邊坡安全系數(shù)1.15為安全標(biāo)準(zhǔn)，在疏干排水工程配套到位的情況下，Ⅲ剖面（>280 m）邊坡的邊坡角為 33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面為36°，但要承擔(dān)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，只有在疏干排水及其他采礦工藝如內(nèi)排、工作面推進(jìn)方式合理布置的情況有可能達(dá)到。

4 結(jié)語(yǔ)

1）疏干排水和放緩邊坡角是提高邊坡穩(wěn)定性的2種重要措施，邊坡角為36°時(shí)，Ⅱ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態(tài)下均可保持穩(wěn)定；邊坡角為34°時(shí)，Ⅰ剖面邊坡在天然水位和疏干排水狀態(tài)下可保持穩(wěn)定；邊坡角為32°時(shí)，Ⅲ剖面僅在疏干排水狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

2）以邊坡安全系數(shù)1.15為安全標(biāo)準(zhǔn)，在疏干排水工程配套到位的情況下，Ⅲ剖面的邊坡角為33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面為36°，但要承擔(dān)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，只有在疏干排水及其他采礦工藝如內(nèi)排、工作面推進(jìn)方式合理布置的情況有可能達(dá)到。