楊國(guó)成，胡鐵男

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

邊坡穩(wěn)定性直接影響露天礦構(gòu)建筑物、設(shè)備及人員安全[1]。近年來(lái)新疆天池能源南露天煤礦開(kāi)采的規(guī)模和速度得到了迅速的擴(kuò)張和發(fā)展，隨著采坑深度的不斷降深，南端幫臺(tái)階自上而下逐一到界后，端幫角度提高，需要驗(yàn)算南幫的穩(wěn)定性，保障轉(zhuǎn)向的順利實(shí)施[2]。同時(shí)從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，南幫如果能實(shí)施陡幫開(kāi)采，能以很小的剝采比開(kāi)采出下部煤炭，創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)效益，因此在保障安全的前提下分析南幫陡幫開(kāi)采的可行性有較高的經(jīng)濟(jì)意義。

1 南幫穩(wěn)定性的影響因素

綜合分析南露天礦工程地質(zhì)條件與采礦條件，影響端幫、排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的主要因素如下：

1）堆載等導(dǎo)致邊坡應(yīng)力分布發(fā)生變化。在坡體上堆置其他物料或新修建筑物使坡體承受載荷，或因設(shè)備運(yùn)行、爆破震動(dòng)等因素改變了邊坡體原有的應(yīng)力分布。

2）降水和地下水等引起巖體整體強(qiáng)度降低。受降水、地表水和地下含水層等的影響，水體進(jìn)入巖體結(jié)構(gòu)中的豎向裂隙，導(dǎo)致巖體含水量上升或裂隙內(nèi)部水壓力增加，導(dǎo)致巖體抗剪強(qiáng)度降低，抗滑力下降，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[3]。

3）排土場(chǎng)排棄高度。當(dāng)排土場(chǎng)排棄較高時(shí)，會(huì)對(duì)排土場(chǎng)基底產(chǎn)生巨大的荷載，再加上水對(duì)巖體的滲透作用，容易形成沿承載基底的軟弱層，導(dǎo)致滑坡。當(dāng)基底承載力允許的條件下，合理增加排土場(chǎng)的臺(tái)階數(shù)可以減小排土場(chǎng)的整體邊坡角，能夠在一定程度上有效改善排土場(chǎng)的穩(wěn)定性[4]。由于南露天礦南幫上部為三采區(qū)排土場(chǎng)，采場(chǎng)邊坡與排土場(chǎng)邊坡構(gòu)成復(fù)合邊坡，隨著排土作業(yè)進(jìn)行，邊坡上部負(fù)載逐漸升高，影響邊坡穩(wěn)定性。

4）基底承載力。當(dāng)排土場(chǎng)的基底為軟弱巖土體時(shí)，排土場(chǎng)的基底承載力便成為影響排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的重要因素，只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的核算后滿足承載要求的條件下，才能考慮排土參數(shù)的優(yōu)化[5]。

5）風(fēng)氧化煤弱層的影響。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，煤層露頭區(qū)域存在風(fēng)化弱層，結(jié)合該弱層抗剪強(qiáng)度較小的因素，上部巖土體沿該弱層發(fā)生順層滑動(dòng)的可能性較高，在分析整體邊坡穩(wěn)定性時(shí)是必不可少的關(guān)鍵因素。

此外，邊坡體各巖層巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及巖體構(gòu)造，邊坡的整體坡形與臺(tái)階坡面角度以及地下水在邊坡中滲流所引起的滲流力等，都是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定的相關(guān)理論和其它露天礦的邊坡管理實(shí)踐，這些影響邊幫穩(wěn)定性的主要影響因素可以量化為下列指標(biāo)：內(nèi)摩擦系數(shù)、黏聚力、邊坡的巖層構(gòu)成、分布、地下水的水位、地震等因素有關(guān)的值，通過(guò)指標(biāo)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

2 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

參照相關(guān)數(shù)據(jù)資料中提供的不同巖體強(qiáng)度值，再依據(jù)地質(zhì)剖面中第四系、煤、不同組群巖層的界限，在分析中以上述巖體單元為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行工程地質(zhì)類比，最終確定不同巖土體物理力學(xué)指標(biāo)，新疆天池能源南露天礦巖體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新疆天池能源南露天礦巖體參數(shù)表

3 理論分析方法與安全儲(chǔ)備系數(shù)

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計(jì)算模型簡(jiǎn)單、計(jì)算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直接實(shí)用的特點(diǎn)[6]。在極限平衡法理論體系形成的過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)一系列簡(jiǎn)化計(jì)算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等，不同的計(jì)算方法，其力學(xué)機(jī)理與適用條件均有所不同[7]。通過(guò)對(duì)比分析，本次穩(wěn)定計(jì)算采用畢肖普法（BISHOP）來(lái)綜合確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

采用極限平衡分析方法對(duì)邊坡進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析，安全儲(chǔ)備系數(shù)或者說(shuō)穩(wěn)定系數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算中的一個(gè)定量參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)計(jì)邊坡的經(jīng)濟(jì)性與安全性[8]。

《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》6.0.8 條明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍，邊坡安全系數(shù)Fs選用表見(jiàn)表2。

根據(jù)目前對(duì)天池能源南露天礦研究區(qū)域地質(zhì)條件、賦存構(gòu)造、建筑設(shè)施及邊坡重要程度等資料的掌握情況，本次計(jì)算過(guò)程中安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取針對(duì)邊坡穩(wěn)定的時(shí)效特性進(jìn)行充分考慮后，按照永久邊坡和臨時(shí)邊坡2 種情況分別計(jì)算。對(duì)于端幫邊坡，邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)選取為1.20（服務(wù)年限10～20 年）；對(duì)于排土場(chǎng)邊坡，選取邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.20（>20 年）進(jìn)行保守計(jì)算。認(rèn)為Fs>1.2 時(shí)邊坡穩(wěn)定，1.1

表2 邊坡安全系數(shù)Fs 選用表

4 南幫陡幫開(kāi)采條件下穩(wěn)定性分析

基于邊坡穩(wěn)定分析剖面的選取原則及工作任務(wù)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置為勘探線GZB1，該勘探線位置處于南幫西段靠幫位置，能反映靠幫過(guò)程的邊坡安全系數(shù)。所選研究剖面上有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的6 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，地質(zhì)資料可靠，非常適于南幫穩(wěn)定性分析。南幫陡幫開(kāi)采臺(tái)階形態(tài)示意圖如圖1。

圖1 南幫陡幫開(kāi)采臺(tái)階形態(tài)示意圖

下部煤層的臺(tái)階分別為現(xiàn)有臺(tái)階參數(shù)開(kāi)采的邊坡形態(tài)和煤臺(tái)階陡幫開(kāi)采的臺(tái)階形態(tài)。使用Geo－Slope 計(jì)算南幫現(xiàn)有參數(shù)開(kāi)采的穩(wěn)定性，使用極限平衡法中的Bishop 法模擬計(jì)算。南幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型如圖2。計(jì)算結(jié)果為南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.271，滿足邊坡穩(wěn)定的要求。由于南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.271，不僅符合規(guī)范要求的1.2，而且略有富裕，因此可以考慮靠幫開(kāi)采，以極小的剝采比取出部分煤炭資源。

圖2 南幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型

保持上部臺(tái)階不動(dòng)，將下部采煤臺(tái)階的平盤(pán)寬度縮小至10 m，形成局部陡幫開(kāi)采，依舊在勘探線位置分析其穩(wěn)定性。

計(jì)算可得，此時(shí)南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，大于1.2，陡幫后依然滿足規(guī)范要求。根據(jù)時(shí)效邊坡理論，為了礦山安全生產(chǎn)，仍需要盡快內(nèi)排壓腳，縮短端幫暴露時(shí)間，降低出現(xiàn)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)[9]。

內(nèi)排至400 m 水平后，端幫的穩(wěn)定性大幅上升，達(dá)到1.341，南幫以陡幫開(kāi)采后內(nèi)排至400 m 水平的穩(wěn)定性如圖3。

圖3 南幫以陡幫開(kāi)采后內(nèi)排至400 m 水平的穩(wěn)定性

通過(guò)上述分析可以看出：

1）南幫以30 m 和10 m 的組合臺(tái)階參數(shù)靠幫，邊坡安全系數(shù)為1.271，能保證邊坡穩(wěn)定。

2）基于時(shí)效邊坡理論可以適當(dāng)降低臨時(shí)邊坡的安全系數(shù)，推薦上部運(yùn)輸系統(tǒng)不動(dòng)，下部采煤臺(tái)階以10 m 的參數(shù)靠幫，實(shí)現(xiàn)局部陡幫開(kāi)采，臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，滿足規(guī)范要求。陡幫開(kāi)采出的煤炭基本不需要增加剝離，生產(chǎn)剝采比極小，經(jīng)濟(jì)效益好。

3）內(nèi)排壓幫至400 m 水平即煤層頂板在南幫位置的標(biāo)高時(shí)，計(jì)算南幫的穩(wěn)定性系數(shù)為1.341，滿足規(guī)范要求，能保證南幫邊坡穩(wěn)定。

4）陡幫開(kāi)采的技術(shù)關(guān)鍵在于南幫臨時(shí)邊坡的暴露時(shí)間，即400 m 水平下陡幫位置的暴露時(shí)間，基于時(shí)效邊坡理論，端幫暴露時(shí)間應(yīng)該盡可能縮短。

5）陡幫前幫坡角31°，陡幫后34°。

5 南幫－三采區(qū)外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性分析

由于南幫向外推200 m 即是三采區(qū)外排土場(chǎng)，2019 年能達(dá)到670 m 水平，而南幫坑底標(biāo)高為340 m 水平，總的高程差達(dá)到了330 m，如果將200 m 的安全距離看成是1 個(gè)寬平盤(pán)，則南幫和三采區(qū)外排土場(chǎng)構(gòu)成1 個(gè)高達(dá)330 m 的復(fù)合邊坡，雖然南幫單獨(dú)分析的安全系數(shù)能達(dá)到1.219，但是考慮外排土場(chǎng)的影響，需要分析驗(yàn)算該復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性[10]。

仍然使用GZB1 勘探線，使用BISHOP 法驗(yàn)算復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性，南幫－三采區(qū)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡臺(tái)階安全系數(shù)如圖4。

圖4 南幫－三采區(qū)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡臺(tái)階安全系數(shù)

安全系數(shù)達(dá)到1.217，與不考慮復(fù)合邊坡時(shí)的安全系數(shù)1.219 相比幾乎沒(méi)有變化?？梢?jiàn)在留足200 m的安全距離后，復(fù)合邊坡并不會(huì)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性帶來(lái)太大影響。能夠保證轉(zhuǎn)向期間邊坡的基本穩(wěn)定，但是卡車震動(dòng)和爆破的作用也會(huì)有較大影響，需要盡快內(nèi)排壓幫，確保露天礦安全生產(chǎn)。

6 結(jié)論

1）南幫按照原有設(shè)計(jì)參數(shù)以30 m 和10 m 的組合臺(tái)階參數(shù)靠幫，邊坡安全系數(shù)為1.271，能保證邊坡穩(wěn)定。

2）南幫上部剝離臺(tái)階運(yùn)輸系統(tǒng)不動(dòng)，下部采煤臺(tái)階以10 m 的參數(shù)靠幫，實(shí)現(xiàn)局部陡幫開(kāi)采，臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.219，滿足規(guī)范要求。陡幫開(kāi)采出的煤炭基本不需要增加剝離，生產(chǎn)剝采比極小，經(jīng)濟(jì)效益好。

3）南幫－三采區(qū)外排土場(chǎng)復(fù)合邊坡對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性沒(méi)有太大影響，但需要盡快內(nèi)排壓幫，確保露天礦安全生產(chǎn)。