露天煤礦礦採場邊坡穩定性淺析

紅沙樑露天煤礦礦採場邊坡穩定性淺析

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（酒泉天寶煤業有限公司** ）

摘要：本文結合紅沙樑露天煤礦邊坡工程地質特徵及類型，分析了採掘場邊坡影響因素，預想了邊坡滑動模式和計算方法的選擇，提出了保持採場邊坡穩定性的措施。

關鍵詞：露天煤礦 邊坡工程 影響因素 預防措施

引言

露天煤礦的邊坡穩定性不僅對露天煤礦的安全有着緊密的聯繫，而且與露天礦的經濟效益緊密相關，對於露天礦來説，不是邊坡穩定性越高越好，應根據既經濟又安全的原則，確定合理的邊坡角[1]。如果邊坡穩定性過高，雖然可以保證生產的安全，但會使生產剝採比增大而增加生產成本，影響企業的經濟效益；相反，如果邊坡穩定性降低，邊坡將會出現失穩現象，為了達到安全生產的目的，就必須對邊坡加固或採區其他工程措施，這不僅會影響會影響正常的生產，也會給企業增加額外的投入，使生產成本上升，降低經濟效益，只有根據露天煤礦的工程地質特徵及類型，科學合理分析邊坡穩定性，才能既保證安全，又不影響生產，使露天礦經濟效益最大化，實現安全高效開採的目的。本文對酒泉天寶煤業有限公司紅沙樑露天煤礦採場邊坡穩定性進行了簡要的分析，為同等條件下露天煤礦邊坡穩定性分析和邊坡的安全管理提供了理論和實踐依據。

1紅沙樑露天煤礦概況

紅沙樑露天煤礦由窯街煤電集團酒泉天寶煤業有限公司開發建設，是窯街煤電集團全資子公司，地處絲綢之路經濟帶河西走廊最西端-甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣馬鬃山鎮紅沙樑礦區，礦田南北長約2.82km，東西寬約2.34km，面積6.60km2，其中心點直角座標為X=4622365；Y=32551442。露天礦田總體構造為一向南傾伏的向斜構造，含煤地層為白堊系下統老樹窩羣，煤1層為本區唯一的可採煤層。煤1層賦煤面積5.92km2，可採面積5.44km2，真厚度平均13.25m，煤層結構複雜，煤類為褐煤和長焰煤，原煤高位發熱量平均20.79MJ/kg，浮煤高位發熱量平均26.66MJ/kg，屬中低熱值煤。紅沙樑露天礦田煤1層查明資源量9323萬噸，其中探明資源量5702萬噸，控制資源量2090萬噸，推斷資源量1531萬噸。設計服務年限25.8年。現已形成兩個採場，其中：

一採場南北長約750m，東西寬約562m，剝離面積：42.1×104m2，現已形成1910、1900、1890、1880、1870、1860六個水平台階；

二採場南北長約675m，東西寬約410m，剝離面積27.6×104m2，現已形成1910、1900、1890、1880四個水平台階。

5採掘場邊坡設計影響因素分析與措施

5.1邊坡設計影響因素分析

採掘場的邊坡穩定取決於巖體的強度，而巖體的強度與巖塊的強度和節理的密度有關，此外氣候條件、地質構造、地下水以及採礦工藝等諸項因素亦將影響邊坡巖體的穩定性。

5.1.1氣候條件

礦田屬大陸性氣候，乾旱多風，冬為風季，夏季酷熱，冬季嚴寒。據肅北縣馬鬃山氣象站氣象資料顯示：日温差可達13℃，年平均温度3.5～4.8℃，最高達34.4℃，最低為-34℃。多年年平均降水量96mm，最高167mm，最低36mm，多年年平均蒸發量3070mm，年最大蒸發量3261mm，年最小蒸發量2877mm。年平均風速4.4～5.0m/s，最大風速23m/s，風向以西及西北風為主。冰凍期為11月至翌年3月，凍土層深度1m左右。

5.1.2巖石性質

目前，根據煤層頂板30m以上及煤層底板20m以下巖石物理力學性質檢測報告，露天採區巖石在天然狀態下抗壓強度一般為4.0～12.0MPa，飽和單軸抗壓強度一般為2.0～5.0MPa，屬極軟巖。巖石遇水後軟化變形，甚至崩解破壞，軟化係數全部小於0.75，均為軟化巖石。區內巖體質量基本等級為Ⅴ級，巖石與巖體的總體質量較差。

5.1.3地下水

礦內構造中等，且沒有發現第四紀以來形成的斷裂，巖石裂隙不發育。對礦井充水有影響的直接充水含水層埋藏淺，地表水系不發育，大氣降水量少，其上又有隔水層覆蓋，地表水和礦井直接充水含水層聯繫差。主採煤層頂、底板直接充水含水層含水量小，單位湧水量小於0.1L/s.m。按《煤、泥炭地質勘查規範》判定，該露天礦田水文地質勘探類型應為“一類一型”，屬於以孔隙充水為主，水文地質條件簡單的礦牀。

2.1.4採礦工藝

紅沙樑露天礦剝離工藝採用液壓挖掘機—自卸卡車間斷開採工藝，採煤工藝液壓挖掘機—自卸卡車—地面半固定破碎站—帶式輸送機半連續開採工藝，剝離和採煤直接進行採掘，不需要進行穿孔爆破，開採工藝對邊坡的主要影響為卡車運輸過程產生的震動。

5.2採掘場邊坡工程地質簡化模型

邊坡穩定性分析需要根據不同的工程地質條件，結合邊坡走向和幾何形態分區，分區進行穩定性分析，相同的分區可以用單一的剖面和相同的巖體計算參數來表徵。邊坡分區原則是將工程地質條件、邊坡幾何形態和邊坡傾向基本相同的區段化為同一區，它是在工程地質分區的基礎上進行劃分的。

依據《窯街煤電集團酒泉天寶煤業有限公司紅沙樑露天礦田煤炭資源儲量核實報告》及現場地質調查，地質報告中未將採場邊坡進行工程地質分區。通過對整個礦區的巖性、地質構造和水文地質的分析，結合本礦採區劃分情況，設計分別對露天煤礦西幫南段、西幫北段、南幫、東幫、北幫做了穩定性分析。

設計結合《儲量核實報告》提供的工程地質剖面，並根據工程地質鑽孔數據通過地質模型繪製相關工程位置剖面對採掘場內各區域進行邊坡穩定性計算。各剖面平面位置見圖5.2-1，邊坡工程地質簡化模型見圖5.2-2~6。

5.3邊坡穩定計算指標的選取

計算採掘場邊坡穩定需要巖體的抗剪強度，這些指標是通過巖塊的抗剪強度指標，並利用巖體粘結力隨節理密度增大而降低的關係來確定的。由於地質報告中僅有煤層頂板上30m及下20m的巖塊的抗剪強度指標，本設計邊坡穩定計算所需參數參照巖塊的抗剪強度指標按現場調研紅沙樑露天礦南部已經開採的亨通吐魯露天煤礦及地區經驗進行折減並結合首採區南區露天採場邊坡反分析成果確定。具體邊坡穩定計算參數見表5.2-1，此邊坡穩定計算參數作為露天礦進行圈定露天礦開採境界及計算資源儲量的依據，最終邊坡穩定性評價待補充露天礦工程地質資料後進行補充評價，目前安全生產最終幫坡角主要根據相鄰開採的露天礦進行類比。

表5.2-1邊坡穩定計算參數表

5.4預想滑動模式及計算方法選擇

5.4.1預想滑動模式

針對露天礦開採境界的大小和開採深度，選取了西幫東幫南幫的典型位置，根據鑽孔數據通過地質模型繪製剖面，剖面佈置平面圖見5.2-1，計算剖面分別為A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’共5個邊坡工程地質剖面進行邊坡穩定性計算，見圖5.2-2~6。本區巖層構造為中等構造，斷層發育以近南北向展布的正斷層為主，因此判斷邊坡的破壞模式為圓弧滑坡。

5.4.2計算方法的選擇

極限平衡法是當前邊坡穩定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數量化準確、計算結果直接實用的特點。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現過一系列簡化計算方法，諸如瑞典條分法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學機理與適用條件均有所不同。隨着計算機的出現和發展，又出現了一些求解步驟更為嚴格的方法，設計採用Ordinary（瑞典條分）法和Bishop（畢肖普法）來確定邊坡的安全係數。

計算方法採用瑞典條分法總應力法，計算公式如下：

式中：

K——整個滑體剩餘下滑力計算的安全係數；

l——單個土條的滑動面長度（m）；

W——條塊重力（kN）；

θ——條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角（度）；

C、φ——土的抗剪強度指標，採用總應力法時，取總應力指標。

根據採區劃分和開採順序的採區接續關係以及內排條件，露天煤礦各幫的服務年限均小於10年,按照《煤炭工業露天煤礦設計規範》中有關規定，穩定係數應取1.1～1.2，考慮本礦開採深度大，露天煤礦邊幫穩定性要求高，故其餘各幫設計中各邊幫的穩定係數取值在滿足《煤炭工業露天煤礦設計規範》規定的條件下儘可能取上限。

5.5採掘場邊坡穩定計算

根據確定的巖性強度指標，按境界內煤層底板深度確定的邊坡高度分區進行計算。計算結果見表5.2-2。根據不同邊幫的邊坡穩定係數要求，其搜尋計算結果圖5.2-7～11，本次計算結果為露天礦臨時最終穩定幫坡角，邊坡穩定計算參數作為露天礦進行圈定露天礦開採境界及計算資源儲量的依據，待露天礦進行邊坡工程巖土工程專門勘察，並進行重新評價完善露天礦最終穩定幫坡角，在露天未完成最終穩定幫坡角評價前，露天礦各幫不宜按照最終幫開採。

2010年10月13日國家能源局下發的國能發煤炭〔2021〕51號《國家能源局關於甘肅吐魯礦區紅沙樑露天礦項目核准的批覆》，紅沙樑露天礦生產規模為2.0Mt/a，礦建工程量小，可實現短期內快速出煤，2021年10月27日甘肅省煤電油氣運保障工作聯合協調機制已甘協調[2021]30號印發《關於抓緊組織開展今冬明春應急保供煤礦開工復產的通知》，紅沙樑露天礦為甘肅省今冬明春應急保供煤礦之一。文件指出應加快項目前期手續的辦理，鑑於露天礦的工程地質資料不完成，因此目前露天礦開採的邊坡計算的參數參照臨近的露天礦；鑑於臨近礦井的採深為60m左右，最終穩定幫坡角為32°，設計建議本露天礦在相同採深情況下的臨時邊坡幫坡角為32°，以保證露天礦安全生產，但目前紅沙樑露天礦作為甘肅省河西地區今冬明春應急保供煤礦之一，在保證應急保供的條件下，確保煤礦供煤量滿足保供，露天在採深80m的前提下，採深標高在+1840水平之上，臨時邊坡幫破角不應超過30°且端幫不宜靠界開採，同時露天礦每年應進行邊坡穩定性評價工作，以指導露天礦安全生產，待本礦工程勘察資料提交後再變更考慮永久邊坡穩定性評價，在未完成永久邊坡穩定性評價前露天礦端幫及非工作幫不應靠界開採。

表5.2-2邊坡穩定計算結果表（僅用於圈定露天開採境界及計算資源儲量）

6保持採掘場、排土場邊坡穩定的措施

（1）地表水及淺部煤層因防止其自燃而需防滅火的常用水，可能大量匯入坡體，不但長期沖刷邊坡，使其節理裂隙發育擴大，破壞邊坡的完整性，而且軟化巖層中的泥質類巖石，在這些部位較易形成飽水帶，使其抗剪強度進一步降低形成軟弱夾層，同時增大了邊坡地下水水壓力，對邊坡穩定起到不利的作用，易發生中淺層變形順層滑移，即邊坡巖體受軟弱面控制，中上部沿軟弱面滑移，下部發生擠壓隆起變形而漸趨破壞。

由於地下水對邊坡的穩定性影響較大，對地表水、防火降塵用水要進行全面有效的管理。在地面修築沿幫固定水溝，把地面水盡最大可能攔截在地表排出，不讓地面水流入採場，做到淺水淺排。

（2）實際採掘生產中露天煤礦應建立專門的邊坡專業技術機構，配備相應的專業人員，在生產中持續進行動態的工程地質勘探工作，時刻掌握邊坡各種情況。在生產過程中，為保證邊坡穩定，需建立採礦、邊坡、地下水、地表位移和地下位移統一的監測系統，採礦設計需和邊坡穩定監測統一起來，實施全面的採礦工作動態評價，以達到安全、經濟合理的目的。

監測工程的佈置隨採掘生產過程不斷完善，貫穿始終，並根據生產實際中發生的情況及時調整、增減監測工程的內容。

（3）各煤層偽底多為泥巖，應防止沿煤層底板滑坡。不同土層的分界處，宜分段設置若干個平台作台階形邊坡，在每一個平台上都設置明排水溝，平台面根據需要具有一定的坡度。

（4）對開拓及開採過程中由於卸荷形成的地表裂縫應及時進行回填、開裂段防洪溝進行防滲處理，以儘量減少地表水的入滲。採礦棄碴的堆放要選擇正確地點及堆放方式，避免由於人為的加載改變邊坡的應力狀況和臨空狀況，從而改變坡體形態。

（5）風化作用會使原生結構面和構造結構面的規模增大，條件惡化，並可能產生風化裂隙等次生結構面和巖體自身強度有所降低。因此，長時間的風化作用勢必對邊坡穩定產生不利影響，對風化堆積物要及時清理。

7結束語

隨着露天礦採剝工程的不斷擴大，邊坡高度的不斷增高，邊坡的複雜性也不斷增大，對邊坡穩定性的分析也越來越高，所以我們在今後的邊坡穩定性分析中，應該綜合用運各種分析方法，充分利用不同分析方法的優點，取長補短，遵循採剝期間的工程地質規律[4]，有計劃有步驟的採剝，不能盲目地擴大生產和提高開採強度，從而用邊坡穩定性分析理論，合理、準確的解決安全生產問題。

參考文獻

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[2]曹勇.談黑岱溝露天煤礦本質安全管理體系的建設.露天採礦技術,2019(05).

[3]趙亞梅.論露天煤礦安全教育培訓現狀與管理對策.中國化工貿易,2019(7).

[4]張玉海.關於露天煤礦邊坡穩定性分析與治理設計.科技創新與應用,2012(3).