陸衛(wèi)國(guó)

（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，新疆 哈密839000）

大型露天礦山的邊坡穩(wěn)定性易受氣候、地形地貌、巖性以及水文地質(zhì)等多種因素的影響，并且嚴(yán)重制約著礦山的安全經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)，而且露天礦山邊坡巖土性質(zhì)、組成成分復(fù)雜，風(fēng)化及采場(chǎng)剝離易引起邊坡巖土力學(xué)性質(zhì)的改變從而影響邊坡的穩(wěn)定性[1-2]。滑坡作為邊坡穩(wěn)定性事故最為常見(jiàn)的安全隱患，隨著露天礦坑深度的延伸，排土場(chǎng)增高，邊坡穩(wěn)定性越來(lái)越差，如何避免滑坡等安全事故的發(fā)生，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性成為露天礦山進(jìn)行下一臺(tái)階開采工作的重要組成部分[3]。呂一鳴[4]通過(guò)整合外排土場(chǎng)邊坡工程簡(jiǎn)化模型并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。韓萬(wàn)東[5]采用Spencer 和bishop 2 種方法對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)其破壞機(jī)理和模式進(jìn)行分析，為邊坡治理和預(yù)防提供了理論基礎(chǔ)。趙沖[6]采用Flac3D數(shù)值模擬軟件對(duì)露天礦邊坡滑動(dòng)破壞問(wèn)題進(jìn)行分析并提出了一系列防治措施。任國(guó)柱[7]通過(guò)分析扎哈淖爾露天礦滑坡的影響因素并對(duì)此提出了預(yù)防及防治措施。周子涵[8]建立了自重應(yīng)力作用下斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變理論力學(xué)模型，探討了巖石力學(xué)性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)對(duì)其邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)邊坡巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與失穩(wěn)預(yù)判提供了一定的理論支持。針對(duì)大南湖二號(hào)露天煤礦邊坡特定地質(zhì)條件，采用Spencer 法在Morgenstern-Price 法對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)分析，并基于此提出經(jīng)濟(jì)合理的邊坡防治措施，為大南湖二號(hào)露天煤礦經(jīng)濟(jì)安全高效生產(chǎn)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 礦井邊坡地質(zhì)概況

大南湖二號(hào)露天煤礦位于大南湖礦區(qū)西北部，與大南湖一號(hào)礦井相鄰，地處于國(guó)家大型煤炭基地新疆吐哈區(qū)東部，屬哈密市南湖鄉(xiāng)管轄，礦區(qū)走向長(zhǎng)約6.21 km，傾向長(zhǎng)度約6.19 ～6.88 km，面積大約為40.52 km2。該礦區(qū)煤層賦存厚度約為122.34 ～466.96 m，平均305.76 m，其中可采及局部可采煤層3、5、8、9、11 等總共21 層，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a。

大南湖二號(hào)露天煤礦邊坡工程主要以泥巖、煤層、粉砂巖、粗砂巖、中細(xì)砂巖組成的侏羅系地層結(jié)構(gòu)為主，該地層邊坡以軟弱巖體為主，間夾少量半堅(jiān)硬巖體或堅(jiān)硬巖體，地層巖性組合比較復(fù)雜，各巖層的滲透性能差別較大，富水性弱，但易于疏干，易風(fēng)化，軟化變形，大部分樣品遇水濕脹崩解，屬一類二型邊坡類型。首采區(qū)邊坡工程北幫屬順向邊坡，即巖層傾向與邊坡坡向一致，巖層傾角一般小于10°，邊坡穩(wěn)定性差，易發(fā)生順層滑坡；東幫巖層傾向在北部比較平緩，南部與邊坡坡向同向，屬順向邊坡，巖層傾角一般10°左右，邊坡穩(wěn)定性差，易發(fā)生順層滑坡；而南-南東幫的巖層傾向與邊坡坡向相反，利于邊坡穩(wěn)定?？傮w來(lái)講首采區(qū)邊坡工程屬侏羅系地層，裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，巖體破碎，穩(wěn)固性差，降低了邊坡巖體的強(qiáng)度，不利于邊坡穩(wěn)定。該礦區(qū)邊坡潛在弱層主要以煤層直接底板的泥巖層為主，受邊坡體應(yīng)力條件的變化以及及水對(duì)弱面活化作用影響下，巖層極易產(chǎn)生滑動(dòng)，嚴(yán)重制約著邊坡的穩(wěn)定性；同時(shí)由于地表降雨，爆破工藝和開采工藝等不確定因素的影響，極易導(dǎo)致弱層活化，影響邊坡的穩(wěn)定性。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)大南湖二號(hào)露天煤礦邊坡及排土場(chǎng)邊坡地質(zhì)條件，選取畢肖普法和Spencer 法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算，同時(shí)選用Geo-slope 軟件和Stab 軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算，綜合評(píng)價(jià)重點(diǎn)區(qū)域的邊坡穩(wěn)定性，提高了穩(wěn)定性分析的科學(xué)性和指導(dǎo)性。

2．1 邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)

邊坡安全儲(chǔ)備系數(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。根據(jù)GB 50778—2012 露天煤礦巖土工程勘察規(guī)范明確規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍，服務(wù)年限低于10 年，同時(shí)結(jié)合目前對(duì)大南湖二礦研究區(qū)域地質(zhì)條件、構(gòu)造條件、建筑設(shè)施及邊坡重要程度等資料的掌握情況，本次穩(wěn)定計(jì)算的安全儲(chǔ)備系數(shù)的選取充分考慮邊坡穩(wěn)定的時(shí)空效應(yīng)，按非工作幫邊坡和臨時(shí)邊坡（外排土場(chǎng)）分別予以考慮，北端幫及排場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)均取1.2。

2．2 邊坡穩(wěn)定性

2．2.1 礦坑邊坡

礦坑邊坡上部巖層為火燒巖，選取北幫邊坡剖面進(jìn)行現(xiàn)狀邊坡及設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算分析，在現(xiàn)狀邊坡時(shí)，邊坡中下部巖層臺(tái)階未剝離，僅有上部火燒巖臺(tái)階，局部臺(tái)階穩(wěn)定性為1.4 以上，整體穩(wěn)定性大于1.6，滑動(dòng)區(qū)域影響在火燒巖臺(tái)階內(nèi)部，滿足安全儲(chǔ)備要求；隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行，下部臺(tái)階剝離靠近火燒區(qū)，火燒區(qū)邊坡形成從火燒區(qū)至下部正常巖層的滑動(dòng)形態(tài)，局部臺(tái)階穩(wěn)定性和整體邊坡穩(wěn)定性均大于1.4，滿足安全儲(chǔ)備大于1.2 的要求，礦坑邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦坑邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

隨礦坑向深部延伸，火燒區(qū)整體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，整體邊坡受煤層間軟質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖等軟弱夾層控制，軟弱夾層出現(xiàn)整體滑移線性，潛在滑面沿底部軟弱夾層向下剪出。

2.2.2 排土場(chǎng)邊坡

大南湖二號(hào)露天煤礦共設(shè)置2 個(gè)外排土場(chǎng)，分為東排土場(chǎng)和南排土場(chǎng)，目前均處于排棄過(guò)程中，排土場(chǎng)邊坡角度及高度均小于實(shí)際設(shè)計(jì)值，其邊坡穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，滿足工程要求。

通過(guò)對(duì)南排土場(chǎng)和東排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡以及計(jì)劃設(shè)計(jì)邊坡進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均大于邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。南排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算云圖如圖1，東排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算云圖如圖2，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3 邊坡穩(wěn)定性控制方案與防治措施

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案及其邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，并不能完全排除礦坑邊坡及排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)的可能性，邊坡滑坡是露天礦安全生產(chǎn)的重大隱患之一，露天礦邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦山能否正常生產(chǎn)。因此需要加強(qiáng)大南湖二礦邊坡治理工作，以保證礦山生產(chǎn)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)和有序進(jìn)行。

圖1 南排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算云圖

圖2 東排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算云圖

表2 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3．1 防治水措施

水是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一，含水量的增加造成巖體強(qiáng)度的減小，同時(shí)由于動(dòng)水壓力和靜水壓力的增大極大程度上的影響巖體強(qiáng)度；而且含水量的增加引起巖體強(qiáng)度弱化，形成巖體弱面的改變，從而造成滑坡等邊坡失穩(wěn)事故的發(fā)生。抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線圖如圖3。

圖3 抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系曲線圖

水的來(lái)源主要有天氣變化形成的降雨和地表徑流以及巖體裂隙中流通和儲(chǔ)存的水，分別稱之為地表水及地下水。因此，水的防治主要采取“截、排”相結(jié)合的辦法，主要措施避免平臺(tái)積水過(guò)多，采場(chǎng)內(nèi)部積水及時(shí)疏干，同時(shí)加強(qiáng)火燒區(qū)積水的研究工作，避免突發(fā)涌水事故。

3．2 排土場(chǎng)邊坡防治措施

排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定不僅能對(duì)礦山安全高效生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的作用，同時(shí)對(duì)礦山周邊環(huán)境保護(hù)具有重要意義。為保證排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性，提出以下措施：

1）采用分散排棄表土及強(qiáng)風(fēng)化巖的方法，保持高臺(tái)階排土的穩(wěn)定，雨季汛期控制排土物料中泥巖的含量不超過(guò)30%~40%，避免排土堆中形成軟弱界面及地下滲水隔斷層產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)。

2）控制排土場(chǎng)外推線的推進(jìn)速度，給排土場(chǎng)一定的固結(jié)時(shí)間，以便增加排土堆場(chǎng)的抗壓強(qiáng)度，采用多點(diǎn)排土或者交替排土。

3）在排土場(chǎng)下部，以排棄大塊巖石為主，增強(qiáng)排土場(chǎng)基底的抗剪強(qiáng)度。

4）控制排土強(qiáng)度，做到充分壓實(shí)。

5）在到界排土場(chǎng)的主要部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3．3 控制開采措施

露天礦山由于開采量大，開采速度快，從而造成露天礦邊坡具有如下特點(diǎn)：①工程的時(shí)效性：邊坡大多屬于臨時(shí)性邊坡，服務(wù)年限長(zhǎng)短不一，只要能保證相應(yīng)期間的生產(chǎn)與安全即可；②邊坡的可變形性：允許產(chǎn)生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產(chǎn)即可，確保露天采礦能取得最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益；③邊坡工程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：露天煤礦自始至終處于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)開挖、回填過(guò)程之中，邊坡穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程；④邊坡穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)的階段性：隨著露天礦開采，對(duì)礦山工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)不斷的深化，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的認(rèn)知也具有階段性，是與露天煤礦的生產(chǎn)不同階段相適應(yīng)的。

因此，針對(duì)不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的邊坡區(qū)段，通過(guò)局部邊坡控制開采方式，調(diào)整內(nèi)排速度、邊坡存在時(shí)間及局部邊坡角，同時(shí)可采用改善巖土參數(shù)或布置抗滑樁等措施提高邊坡抗滑能力，避免邊坡出現(xiàn)滑坡。

3．4 邊坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

邊坡安全是礦山安全生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)露天礦邊坡變形具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量大，直接危害性大的特點(diǎn)，建立有效的邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡災(zāi)害，是指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)和邊坡治理工程必不可少的重要手段。為礦山開采工程的可變更設(shè)計(jì)和信息化施工服務(wù)及礦山安全生產(chǎn)提供依據(jù)。對(duì)于礦山安全生產(chǎn)和保障礦山人員與財(cái)產(chǎn)的安全有著重要的意義。

邊坡變形監(jiān)測(cè)包括地下位移監(jiān)測(cè)和地表位移監(jiān)測(cè)，常見(jiàn)的地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有常規(guī)大地測(cè)量法、基準(zhǔn)線測(cè)量方法、測(cè)量機(jī)器人技術(shù)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)、攝影測(cè)量方法、衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)技術(shù)等。地下位移監(jiān)測(cè)包括地下側(cè)協(xié)議監(jiān)測(cè)和地下GPS 定位監(jiān)測(cè)，從礦山實(shí)際情況出發(fā)，本著經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的原則，針對(duì)地表位移監(jiān)測(cè)方面，雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)和衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)符合該礦的實(shí)際情況，可任選其一。地下位移監(jiān)測(cè)推薦地下測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)手段。目前，礦區(qū)采用衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)與地下測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1）衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)由位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)組成。通過(guò)GPRS 傳輸方式實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域及時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖4。

圖4 衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2）地下位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于坡體內(nèi)部變形的監(jiān)測(cè)，建議選用地下位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得變形區(qū)邊坡的變形動(dòng)態(tài)，特別是弱層的變形動(dòng)態(tài)及滑面位置。通過(guò)監(jiān)測(cè)滑面位置，獲取深部巖移動(dòng)態(tài)情況，為地表監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）選取大南湖二號(hào)煤礦北幫邊坡和排土場(chǎng)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2，同時(shí)采用畢肖普法和Spencer 法計(jì)算得出北幫北幫和排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡局部和整體安全儲(chǔ)備系數(shù)都能夠滿足要求。

2）為保證大南湖二號(hào)煤礦邊坡穩(wěn)定性，提出邊坡失穩(wěn)防治措施，同時(shí)建立衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地下位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證礦山安全高效生產(chǎn)。