劉遠(yuǎn)林，王孟雨，馮禹凡

（1.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110169）

近年來(lái)，一些具備改建條件的地下礦山轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采[1]，然而隨著露天煤礦生產(chǎn)的進(jìn)行，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題隨之而來(lái)，若減小邊坡角，雖然能保證邊坡安全，但嚴(yán)重增加剝離成本和大量煤炭資源被壓占[2-3]。因此，開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性分析，優(yōu)化邊坡角對(duì)安全生產(chǎn)以及效益最大化具有重要的工程意義[4]。

在露天礦邊坡穩(wěn)定性研究方面，研究成果頗豐。張東旭[5]通過(guò)原位試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)撫順西露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，其結(jié)果表明：境界內(nèi)開(kāi)采區(qū)域邊坡可以滿(mǎn)足生產(chǎn)安全儲(chǔ)備要求；夏冬等[6]、李巧玲等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)白礪灘露天煤礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析并優(yōu)化了邊坡角。

在邊坡角優(yōu)化方面學(xué)者們也進(jìn)行了一系列研究[8-9]。鐘春暉[10]利用強(qiáng)度折減法在考慮水滲透作用下銀山礦坡面整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析并優(yōu)化了邊坡角；賴(lài)桂華等[11]對(duì)多寶山銅礦設(shè)計(jì)境界穩(wěn)定性分析認(rèn)為不能滿(mǎn)足邊坡安全要求并建議減小最終邊坡角；楊國(guó)成等[12]應(yīng)用極限平衡法將軍戈壁一號(hào)露天煤礦北幫邊坡角進(jìn)行了優(yōu)化；陶志剛等[13]利用自主研發(fā)的MSARMA 法分析軟件對(duì)邊坡角進(jìn)行優(yōu)化研究，并與經(jīng)典平衡理論結(jié)果對(duì)比，證明了該方法的適用性。

上述學(xué)者對(duì)露天礦邊坡治理提供了重要的參考工程案例。基于此，對(duì)渝南煤礦的工程地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，并對(duì)最終邊坡角進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)水文條件

礦區(qū)地處云貴高原北部，礦區(qū)地勢(shì)中東部較高，南部、西部較低，山脈走向近北西—南東向，海拔標(biāo)高為＋810～＋1 007.5 m，相對(duì)高差197.5 m，礦區(qū)出露煤系地層標(biāo)高為＋835～＋980 m。

礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面位于東南部的河流，標(biāo)高約為＋730 m，為常年不斷流河。礦區(qū)所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候，四季分明，雨量豐沛。礦區(qū)水文地質(zhì)類(lèi)型中等。

礦區(qū)整體位于安底背斜南東翼。單斜構(gòu)造，地層總體傾向?yàn)槟蠔|，傾角6°～13°。褶皺不發(fā)育，未見(jiàn)規(guī)模較大構(gòu)造，發(fā)育的斷層整體規(guī)模較小，斷層破壞程度不大，總體構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等類(lèi)型。

1.2 礦山開(kāi)采現(xiàn)狀

渝南煤礦由原2 座地下礦山兼并重組而成，兼并重組后仍為地下開(kāi)采，擬建規(guī)模45 萬(wàn)t/a，于2019年停產(chǎn)。礦區(qū)內(nèi)老礦區(qū)主要分布于煤層露頭一帶，以開(kāi)采C5、C9 煤層居多。開(kāi)拓方式為斜井或平硐開(kāi)拓，沿煤層掘進(jìn)，主要為巷道采煤。老礦區(qū)長(zhǎng)50～100 m，其規(guī)模較小，產(chǎn)量低，亂挖亂采現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)已全部關(guān)閉。根據(jù)要求，該煤礦擬改建為生產(chǎn)規(guī)模為90 萬(wàn)t/a 小型露天礦。

該煤礦在原采礦權(quán)范圍內(nèi)進(jìn)行露天開(kāi)采，適合露天開(kāi)采的煤層有C5、C9、C15 煤層，采場(chǎng)地表境界平均長(zhǎng)3.4 km，寬1.1 km，地表境界面積3.218 km2，深部境界面積1.973 km2；最低開(kāi)采水平標(biāo)高為＋750 m，最高開(kāi)采水平標(biāo)高為＋1 010 m，平均開(kāi)采深度為150 m。

1.3 巖體力學(xué)參數(shù)取值

礦區(qū)及其附近出露的地層，與煤層開(kāi)采相關(guān)的各巖組自上而下分別是第四系表土（Q）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）、長(zhǎng)興組（P3c）、上二疊系樂(lè)平統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），構(gòu)成該礦邊坡的巖性屬于層狀軟硬相間巖類(lèi)，煤系地層為二疊系龍?zhí)睹航M薄至中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)炭質(zhì)泥巖以及煤層等軟弱巖組。各地層物理力學(xué)參數(shù)最終取值見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)計(jì)算指標(biāo)取值表

2 采場(chǎng)邊坡破壞模式

本次計(jì)算分析采用剛體極限平衡法中的簡(jiǎn)化畢肖普法。

2.1 西采場(chǎng)西幫邊坡

P1剖面破壞模式示意圖如圖1 。

圖1 P1 剖面破壞模式示意圖

西采場(chǎng)西幫最終邊坡由P3l、P3c 地層的巖體組成，為順傾邊坡，地層傾角5°～9°。邊坡下部出露的巖體以C15 煤為主，弱層（煤層）傾向與潛在滑體下滑力方向所組成的夾角較小，弱層所提供的抗剪強(qiáng)度比例較大，弱層上覆巖層連續(xù)性較好，因此，在邊坡自重及外部擾動(dòng)共同作用下，將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞模式。

2.2 東采場(chǎng)東幫邊坡

P2剖面破壞模式示意圖如圖2。

圖2 P2 剖面破壞模式示意圖

東采場(chǎng)東幫最終邊坡P2剖面由T1y、P3l、P3c 地層的巖體組成，為近水平邊坡。邊坡下部出露的巖體以C15 煤層為主，弱層傾向與潛在滑體下滑力方向組成的夾角較大，潛在滑體后緣弱層所提供的抗剪強(qiáng)度比例較小，煤層間巖體連續(xù)性較好，潛在滑體后緣破壞模式為圓弧型剪切破壞，滑體前緣則可能發(fā)生沿著弱層的平面滑動(dòng)或從坡體下部以圓弧形軌跡剪出。破壞模式為轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞模式或圓弧型剪切破壞。

2.3 東采場(chǎng)南幫邊坡

P3剖面破壞模式示意圖如圖3。

圖3 P3 剖面破壞模式示意圖

東采場(chǎng)南幫最終邊坡P3剖面由T1y、P3l、P3c 地層的巖體組成，為逆傾邊坡，地層傾角8°～9°。邊坡下部出露的巖體以C15 煤層為主，弱層傾向與潛在滑體下滑力方向組成的夾角較大，潛在滑體后緣弱層所提供的抗剪強(qiáng)度比例較小，煤層間巖體連續(xù)性較好，潛在滑體后緣破壞模式為圓弧型剪切破壞，滑體前緣則可能發(fā)生沿著弱層的平面滑動(dòng)或從坡體下部以圓弧形軌跡剪出。破壞模式為轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞模式或圓弧型剪切破壞。

2.3 東采場(chǎng)西北幫邊坡

P4剖面破壞模式示意圖如圖4。

圖4 P4 剖面破壞模式示意圖

東采場(chǎng)西幫最終邊坡由P3l、P3c 地層的巖體組成，為順傾邊坡，地層傾角5°～9°。邊坡下部出露的巖體為C15 煤，在坡體的開(kāi)挖過(guò)程中，坡體沿弱層、結(jié)構(gòu)面向臨空方向位移，如果大氣降雨滲透，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度指標(biāo)降低，將可能出現(xiàn)沿著煤層發(fā)生剪切破壞或沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)。煤層上覆巖體較厚，連續(xù)性較好，失穩(wěn)時(shí)將發(fā)生圓弧型剪切破壞。邊坡經(jīng)過(guò)剝離、風(fēng)化、爆破及雨水等不良因素影響以后，其力學(xué)參數(shù)將可能進(jìn)一步的弱化，可能使邊坡發(fā)生沿地層的結(jié)構(gòu)面整體滑出。因此西幫邊坡可能出現(xiàn)的滑坡模式為轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞模式或圓弧型剪切破壞。

綜上所述，該礦邊坡破壞模式為轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞模式或圓弧型剪切破壞。在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，盡可能回收煤炭資源，需要對(duì)各幫邊坡角進(jìn)行優(yōu)化。

3 最終邊坡角優(yōu)化

為了在確保邊坡安全的前提下最大限度地利用煤炭資源，采場(chǎng)最終邊坡角須進(jìn)行合理地確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，首先對(duì)采場(chǎng)每個(gè)剖面分別擬定了4個(gè)最終邊坡角度，獲得各邊坡最終邊坡角與穩(wěn)定性系數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)各剖面的最終邊坡角和對(duì)應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)利用最小二乘法進(jìn)行擬合分析，建立各剖面的“邊坡角－穩(wěn)定性系數(shù)”函數(shù)曲線，根據(jù)函數(shù)曲線找尋安全儲(chǔ)備系數(shù)所對(duì)應(yīng)的邊坡角度，此邊坡角度即為理論上最合理的邊坡角，計(jì)算結(jié)果如下：

1）西采場(chǎng)西幫P1剖面。邊坡角25°、28°、30°、33°下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.279、1.270、1.245、1.071。

2）西采場(chǎng)東幫P2剖面。邊坡角30°、32°、36°、42°下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.391、1.359、1.242、1.104。

3）東采場(chǎng)南幫P3剖面。邊坡角38°、41°、42°、43°下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.172、1.124、1.114、1.082。

4）東采場(chǎng)西北幫P4剖面。邊坡角24°、27°、30°、33°下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.371、1.323、1.289、1.104。

利用最小二乘法獲得的采場(chǎng)各剖面的“邊坡角－穩(wěn)定性系數(shù)”函數(shù)關(guān)系曲線如圖5。

圖5 不同剖面“邊坡角－穩(wěn)定性系數(shù)”函數(shù)關(guān)系

采場(chǎng)邊坡P1～P4剖面擬合所得到的“邊坡角－穩(wěn)定性系數(shù)”函數(shù)曲線的R2分別為0.964 2、0.996 7、0.9 55 2、0.900 2，平均為0.954 1，擬合結(jié)果良好。采場(chǎng)各幫的服務(wù)年限均小于10 年，考慮到露天礦邊坡有一定的復(fù)雜性，且端幫生產(chǎn)時(shí)期需布置運(yùn)輸?shù)缆罚勒誈B 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定采場(chǎng)邊坡安全系數(shù)取1.10。為了確保安全生產(chǎn)，現(xiàn)取安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.15 進(jìn)行最終邊坡角的反算。計(jì)算結(jié)果表明，擬合所得采場(chǎng)最終邊坡角所對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均＞1.10，滿(mǎn)足規(guī)范安全要求。最終邊坡角度及高度見(jiàn)表2。

表2 采場(chǎng)各剖面最終邊坡角

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)邊坡穩(wěn)定性破壞模式分析，渝南煤礦露天邊坡在邊坡自重及外部擾動(dòng)共同作用下，可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)－平動(dòng)破壞或圓弧型剪切破壞。

2）通過(guò)邊坡角優(yōu)化計(jì)算，得到渝南煤礦西采場(chǎng)西幫32°，邊坡高度124 m；東采場(chǎng)東、南幫邊坡角40°，邊坡高度85～145 m；東采場(chǎng)西北幫32°，邊坡高度145 m。其邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均＞1.10，滿(mǎn)足露天礦山安全生產(chǎn)要求。