劉志強(qiáng)

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 況

露天煤礦產(chǎn)能的釋放對促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展及國民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義，在保證安全生產(chǎn)的前提下，不影響礦山正常生產(chǎn)，對露天礦進(jìn)行擴(kuò)建十分重要。河曲露天煤礦原設(shè)計8 Mt/a，為了符合當(dāng)前的需求，需要將產(chǎn)能增加2 Mt/a，達(dá)到10 Mt/a。為了保證安全，需要對增產(chǎn)后的采掘場邊坡和內(nèi)排土場的穩(wěn)定性進(jìn)行重新計算。

2 采掘場邊坡穩(wěn)定計算

2.1 計算方法

河曲露天煤礦采掘場幫坡地層的構(gòu)成主要為馬蘭組黃土、第三系砂土、砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖和煤等的混合型邊坡，邊坡上部大部分為第四系覆蓋，井田東北部發(fā)育2 條正斷層，傾角均大于70°，2 個背斜和2 個向斜，傾角均小于8°，通過分析可知，其對礦山邊坡穩(wěn)定性影響較小，但隨著礦山的開采，在斷層處不排除發(fā)生小的片幫滑落可能。總的來說，河曲露天煤礦邊坡屬于中—軟巖類邊坡，認(rèn)為該礦滑坡模式可能為張裂縫—圓弧型滑坡或圓弧直線型滑坡。根據(jù)地質(zhì)報告，該礦地層內(nèi)含水量較小、富水性弱，雖具微承壓性，但可采取水平放水孔，放水降壓解除地下水對邊坡的作用力。

根據(jù)上述分析，采用摩根斯坦—普瑞斯法(Morgenstern-Price)對采掘場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。摩根斯坦—普瑞斯法是對Janbu 法的更精確表達(dá)，主要是考慮了全部平衡和邊界條件，使計算誤差更小。在利用該方法進(jìn)行計算時，將邊坡劃分為n 個條塊，取第i 條塊為隔離體，如圖1 所示。

圖1 條塊受力分析

式中：Fs為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)；Wi為自重，kN；KC為地震影響系數(shù)；li為滑塊底部的長度，m；Ti為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的滑力，kN；Ri為除了條塊間力由所有作用在條塊上的力引起的剪力，kN；Ui為孔隙壓力，MPa；αi為方位角，°。

2.2 計算數(shù)據(jù)選取

目前河曲露天礦首采區(qū)采掘場深度為908～1 028 m，形成了完整的11 個采剝臺階，其中主采煤臺階1 個，煤巖組合臺階4 個，土、巖剝離臺階6 個，臺階高度12 m，整體坂坡角9.6°；東側(cè)端幫形成944～1 064 m 共11 個臺階，臺階高度12 m，幫坡角33°，工作幫及東側(cè)端幫均未發(fā)生過滑坡。

采場邊坡穩(wěn)定取決于巖體強(qiáng)度，巖體強(qiáng)度與巖塊強(qiáng)度和節(jié)理密度有關(guān)。根據(jù)以上分析情況可知，地質(zhì)報告中的巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)不足，需要根據(jù)現(xiàn)有的《山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》 《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》 及設(shè)計經(jīng)驗[4-6]選取巖石力學(xué)參數(shù)，具體見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters

在計算時，巖塊的抗剪強(qiáng)度要大于巖體的抗剪強(qiáng)度，需要進(jìn)行折減。折減大小取決于折減系數(shù)。折減系數(shù)與巖體中的結(jié)構(gòu)面有關(guān)，結(jié)構(gòu)面從大到小依次為斷層、節(jié)理、裂隙。需要折減的參數(shù)主要是黏聚力和內(nèi)摩擦角。巖層和煤層的黏聚力折剪系數(shù)的取值為：對于長期暴露的巖體，且經(jīng)歷了3 a 以上的劣化效應(yīng)，折減系數(shù)取為0.045；對于剛剛揭露的工作幫臺階，裸露時間小于半年，折減系數(shù)取為0.2。

2.3 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

河曲露天礦開采境界劃分為5 個采區(qū)，其中首采區(qū)、二采區(qū)、五采區(qū)邊界相連，形成一個連續(xù)大范圍開采境界；三采區(qū)、四采區(qū)受煤層賦存影響，為獨(dú)立采區(qū)。結(jié)合露天礦開采現(xiàn)狀及采區(qū)劃分，選取了9 個邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。剖面位置如圖2 所示。

圖2 邊坡剖面位置示意Fig.2 Position of slope section

原設(shè)計露天礦采掘場各終幫邊坡角34°，露天礦現(xiàn)狀揭露邊坡工程地質(zhì)無重大變化，此次設(shè)計擬按原設(shè)計執(zhí)行，并結(jié)合新的開采境界圈定結(jié)果，對設(shè)計的終幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，按上述研究，計算各個邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

剖面1 位于首采區(qū)東幫邊坡最高處，邊坡高110.3 m，設(shè)計邊坡角34°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.248。剖面2 位于二采區(qū)北幫邊坡最高處，邊坡高84 m，設(shè)計邊坡角34°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.213。剖面3 位于五采區(qū)西幫邊坡最高處，邊坡高92.6 m，設(shè)計邊坡角34°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.220。剖面4 位于二采區(qū)西幫邊坡最高處，邊坡高124.4m，設(shè)計邊坡角34°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.110。

剖面5 位于二采區(qū)東幫，該位置與首采區(qū)排土場邊坡形成復(fù)合邊坡。下部原始土巖邊坡高40.3 m，設(shè)計邊坡角34°；上部棄土邊坡高113.3 m，邊坡角16°；剖面5 處邊坡總高153.6 m，邊坡角17°。經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.346，滑面位于下部采剝邊坡段，復(fù)核邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)2.076。

剖面6 位于現(xiàn)狀采坑南幫，邊坡高139.0 m，現(xiàn)狀邊坡角33°，經(jīng)計算，最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)1.011，位于邊坡下部，局部邊坡角47°，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.209。

剖面7 位于三采區(qū)終幫最高處（北幫），終幫北側(cè)為既有外排土場，邊坡高142.1 m，設(shè)計采剝終幫邊坡角33°，上部排土臺階按設(shè)計排土終幫考慮。經(jīng)計算，最不利滑面穩(wěn)定性系數(shù)1.182，位于邊坡下部采剝邊坡，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.395。

剖面8 位于四采區(qū)終幫最高處（西南），邊坡高142.1 m，設(shè)計采剝終幫邊坡角33°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.279。

根據(jù) 《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》（GB50197-2015）6.0.8 條，采掘場邊坡服務(wù)年限小于10 a，邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.1～1.2。剖面6 處現(xiàn)狀采掘場端幫下部較陡，邊坡穩(wěn)定系數(shù)小于1.1，不滿足安全要求，應(yīng)盡快內(nèi)排壓幫。其他各幫安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，因此，此次設(shè)計露天礦終幫各邊坡角度為34°。

剖面9 位于選煤廠東部內(nèi)排土場邊坡，邊坡高129 m，邊坡角19°，經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.286。結(jié)合露天礦的工程地質(zhì)條件和周邊礦區(qū)的實(shí)際情況，第四系坡面角確定為65°，巖石臺階和煤臺階坡面角確定為70°。

3 排土場邊坡穩(wěn)定分析

在露天礦增產(chǎn)后，每年的排土量會增加，這在一定程度上會影響排土場的穩(wěn)定性。為了保證生產(chǎn)的安全性，需要對排土場的邊坡穩(wěn)定進(jìn)行重新分析。根據(jù)地質(zhì)報告的試驗資料、露天礦的實(shí)際經(jīng)驗以及相似露天礦經(jīng)驗數(shù)據(jù)，首采區(qū)邊坡穩(wěn)定計算采用的排土場排棄物料參數(shù)，其內(nèi)摩擦角為21°，凝聚力為20 kPa。物料容重為1.88 t/m3。

現(xiàn)排土場最大排棄高度209 m（剖面1），邊坡角19°，經(jīng)計算，安全系數(shù)為1.234。既有選煤廠東側(cè)邊坡排棄高度128 m（剖面2），邊坡角19°，經(jīng)計算安全系數(shù)1.286，剖面位置如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)排土場剖面位置示意Fig.3 Section position of the current dump site

在增產(chǎn)后，內(nèi)排土場最大排棄標(biāo)高1 076 m，最大內(nèi)排高度191 m，工作幫坡角19°，經(jīng)計算，安全系數(shù)1.257，剖面位置如圖4 所示。

圖4 內(nèi)排土場（191 m）剖面位置示意Fig.4 Location of the inner dump(191 m)profile is illustrated

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB51289-2018)，內(nèi)排土場服務(wù)年限小于10 a，穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2，露天礦內(nèi)排工作幫屬于穩(wěn)定邊坡，排土場現(xiàn)狀邊坡及達(dá)產(chǎn)年內(nèi)排邊坡均屬于穩(wěn)定邊坡。

內(nèi)排壓幫可以將剝離土巖堆積在滑體下部抗滑部分，可增大抗滑力，控制邊坡穩(wěn)定性，同時減小剝離運(yùn)距。因此應(yīng)加快工程推進(jìn)速度盡量減少邊坡暴露時間，確保采剝與排棄同步進(jìn)行，提高邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

結(jié)合河曲露天礦實(shí)際情況，對采掘場邊坡和內(nèi)排土場的穩(wěn)定進(jìn)行重新計算。計算結(jié)果表明，露天礦終幫各邊坡角度為34°，內(nèi)排土場的角度為19°，可以滿足安全生產(chǎn)的需要?？紤]到生產(chǎn)過程中一些不確定因素的影響，還應(yīng)該做好邊坡穩(wěn)定的監(jiān)，測防止滑坡。