红沙泉北露天煤矿边坡破坏模式及稳定性研究.pdf

Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎ ｏ ． ６ １ ４ Ｊ ｕ ｎ ｅ ２ ０ ２ ０ 现 代 矿 业 Ｍ Ｏ Ｄ Ｅ Ｒ ＮＭ Ｉ Ｎ Ｉ Ｎ Ｇ 总 第６ １ ４ 期 ２ ０ ２ ０ 年 ６月第 ６期 李 双（ １ ９ ８ ６ ） ， 男， 副总工程师， 工程师， 硕士，８ ３ １ ８ ０ ０新疆昌 吉州奇台县。 红沙泉北露天煤矿边坡破坏模式及稳定性研究 李 双 （ 河南能源化工集团中联润世新疆煤业有限公司） 摘 要 为保证露天矿安全生产， 研究分析边坡可能破坏模式、 掌握边坡稳定状况是基本且必要 的手段。针对红沙泉北露天煤矿边坡， 采用工程地质调查、 野外钻探、 槽探等手段， 查清地质特征， 建 立准确的工程地质模型； 采用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ进行数值模拟分析， 对边坡的破坏模式进行了研究， 边坡可能的 破坏模式为圆弧滑移破坏； 采用极限平衡法对边坡的稳定性进行了计算， 各剖面边坡稳定系数均大于 储备系数要求。结果为边坡治理工作提供了理论依据。 关键词 露天煤矿 边坡稳定性 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ 极限平衡法 Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４  ６ ０ ８ ２ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ６ ． ０ ５ ２ 我国大中型露天矿山众多， 边坡稳定问题是最主 要的危险因素之一。如何科学地对边坡岩体抵抗变 形和破坏的能力和可靠性作出评价， 保障边坡工程的 稳定性， 成为岩体力学学术理论和工程实践的重要课 题。红沙泉北露天煤矿自建矿以来缺少对边坡稳定 性的分析评价， 对影响边坡稳定存在的问题没有科学 系统地研究分析。在内排土场曾出现过底鼓， 外排土 场边坡局部也出现变形， 就目前采场边坡是否稳定， 能否保证生产计划安全顺利实施， 进行边坡破坏模式 及稳定性研究具有现实意义， 也具有理论价值［ １ ］。 １ 工程概况 红沙泉北露天矿位于新疆准东经济技术开发区 西黑山矿区， 矿区面积为 １ ２ ． ８ ８ｋ ｍ ２， 储量为 ５ ３ ８ ． ２ ２ Ｍ ｔ ， 设计规模为 ４ ． ０ ０Ｍ ｔ ／ ａ ， 剥离采用单斗卡车开 采工艺， 采煤选用单斗卡车半移动式破碎站带 式输送机半连续开采工艺。开拓运输系统采用工作 帮移动折返坑线自卸卡车运输。露天矿采场各帮设 计最终帮坡角为 ３ ８ ； 外排土场设计排土台阶高度为 １ ０ｍ ， 最终帮坡角为 ２ ２ ． ６ ； 内排土场设计排土台阶 高度为 ２ ０ｍ ， 最小工作平盘宽 ５ ０ｍ ， 设计帮坡角为 ２ ２ ， 排土跟踪距离最小为 ５ ０ｍ 。 目前， 露天矿开采首采区， 主采 Ｂ ２煤层， 工作线 沿煤层走向方向即南北向布置， 向东推进。采坑东西 方向长约 ９ ０ ０ｍ ， 南北方向长约 ９ ０ ０ｍ ， 开采深度约 ７ ０ｍ ， 形成外排土场一座， 位于采场西侧， 已形成７个 排土台阶， 排弃总高度为 ７ ０ｍ ， 整体边坡角为 ２ １ 。 露天矿已实现内排， 内排土场位于外排土场东侧， 已 形成 ４个台阶， 排弃总高度为 ６ ５ｍ ， 整体边坡角为 １ ６ 。工作帮已形成 ８个采剥台阶。上部剥离台阶水 平分层， 台阶高度为 １ ０ｍ ， 端帮进行并段后边坡角为 ２ ７ ； 采煤台阶倾斜分层， 台阶高度不大于 １ ０ｍ 。北 端帮与北山煤矿毗连， 临界端帮与北山煤矿进行了联 合开采， 回采后未及时回填， 端帮暂时消除。 红沙泉北露天矿边坡第四系松散地层主要由砾 石、 砂及少量黏土组成， 松散堆积， 不含水， 其边坡类 型为一类一型； 岩质边坡以软弱岩体为主， 其天然状 态下单轴极限抗压强度一般小于 ３ ０Ｍ Ｐ ａ ， 另有部分 半坚硬岩体， 其单轴极限抗压强度大于 ３ ０Ｍ Ｐ ａ ， 该地 层构造简单， 虽含水（ 富水性弱） ， 但易于疏干， 易风 化、 软化， 边坡类型划为二类一型。 根据红沙泉北露天煤矿边坡破坏模式和稳定性 研究的需要， 在研究区布置 ３个勘察钻孔和 ２处槽 探， 采取岩土试样进行物理力学性质试验。根据研究 区域的不同地层条件， 获取的试验岩土分为 ６类， 主 要以砂岩、 泥岩和煤为主。 岩体是由岩石和其内部构造及结构面组成的一 个整体， 其力学性质不仅取决于岩石本身物理力学指 标， 还受岩体内部构造及结构面控制。岩石试验获得 的力学参数不经合理的优化而直接用于岩体工程分 析计算是不合适的， 不能原封不动地应用于岩体工 程［ ２  ６ ］。通过岩土体物理力学参数室内试验， 同时依 据工程地质调查和部分现场的简易试验， 对岩土体力 学性质进行大量充分类比， 分析论证岩土体各项物理 力学指标， 取得了本次研究所需要物理力学性质指 标， 见表 １ 。 ２ 边坡破坏模式数值模拟 根据岩土体物理力学指标参数， 使用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ软 件开展稳定性模拟。 本次研究在采场南、 北帮及内、 ７９１ 表 １ 推荐岩土体物理力学性质指标 煤岩体 密度 ／ （ ｇ ／ ｃ ｍ ３） 弹性模量 ／ Ｇ Ｐ ａ 泊松 比 黏聚力 ／ Ｍ Ｐ ａ 内摩擦角 ／ （ ） 抗拉强度 ／ Ｍ Ｐ ａ 红褐泥岩２ ． ０ １０ ． ５ ３０ ． ３ ２ ３ ０ ． ２ ６２ ４ ． ２ ３－ 灰泥岩２ ． １ ９０ ． ６０ ． ３ ５ ２ ０ ． １ ５２ ３ ． ０ ７０ ． ０ ２ ９ 灰黄粉砂岩２ ． １ １０ ． ５ ６０ ． ３ １ ２ ０ ． ０ ８２ ８ ． ６ ２０ ． ０ ６ ２ 灰粉砂岩２ ． １ ９０ ． ６０ ． ２ ８ ８ ０ ． ６ ８３ ０ ． １ １０ ． ０ ７ ０ 煤１ ． ２ ３０ ． ６ ３０ ． ３ ４ ８ ０ ． ０ ７２ ７ ． ５ ２－ 灰泥岩弱层２ ． ０ ００ ． ３ ９０ ． ４ ６０ ． ２ ５７ ． １ ６－ 排弃物料１ ． ９ ３０ ． ６０ ． ４ ６ ０ ． ０ ０ ５２ ６ ． ５ １－ 外排土场边坡共建立 ７个剖面模型进行验算分析， 本 文选取采场南帮 Ｐ ２剖面， 模型沿边坡倾向长度为 ２ ８ ３ｍ ， 边坡垂直最高高度为 １ ０ ０ｍ ， 所建剖面模型见 图 １ 。 边坡位移矢量变化见图 ２ ， 可知， 边坡底部煤层 底板下部基岩中存在泥岩弱层， 边坡坡脚处的位移矢 量最大， 有效抗滑动能力非常小， 在边坡上部载荷和 岩土体的重力作用下， 会在煤层底板泥岩弱层处出现 剪切变形。 图 １ 南帮 Ｐ ２剖面数值计算模型 图 ２ 边坡位移云图 边坡剪应变增量云图见图 ３ ， 可知， 岩土体向边 坡体的临空自由面产生滑移， 边坡体上部岩土体以向 下竖直滑动变形为主， 边坡可能的破坏模式为圆弧剪 切顺层滑移破坏。 图 ３ 边坡剪应变增量云图 边坡速度云图见图 ４ ， 可知， 模型计算稳定时， 边 坡的岩土体移动速率基本为零， 变形已达稳定， 且此 时边坡移动量较小， 最大仅为 ０ ． ０ １ ３ｍ 。 应力分布见图５ ， 可知， 由于边坡开挖， 引起边坡 图 ４ 边坡位移速度云图 岩土体应力重新分布， 由于边坡表面开挖后应力被释 放， 应力水平比较低， 且应力方向发生偏转。坡体内 并未出现应力集中现象。 边坡塑性区分布见图 ６ ， 可知， 坡体在泥岩弱层 处仅出现少量的剪切屈服， 且未向上发展， 没有出现 明显的滑带并形成贯通的趋势， 结合边坡的位移量， 可以确定边坡稳定性状况良好。 图 ５ 边坡应力分布 ８９１ 总第 ６ １ ４期现代矿业２ ０ ２ ０年 ６月第 ６期 图 ６ 边坡塑性区分布 剩余剖面破坏模式分析结果如下 南端帮现状边 坡潜在滑坡模式表现为圆弧剪切， 边坡的位移矢量最 大位置位于边坡坡脚处， 产生向临空面的滑移， 边坡 体上部岩土体以竖直向下移动为主； 内排土场的现状 边坡潜在滑坡模式可能为“ 上部圆弧剪入下部顺 层” 破坏模式， 内排土场边坡的最大位移矢量位于内 排土场边坡顶部台阶处， 顶部的位移以垂直位移为 主， 说明边坡的总高度方向上以土体的固结为主， 在 靠近临空面的土体位移由垂直固结逐渐过渡为水平 位移为主， 主要是由主应力引起的位移， 而边坡的坡 脚处的位移量较小， 以微小的水平位移为主； 外排土 场边坡可能破坏模式表现为圆弧型滑移。 ３ 边坡稳定性分析 ３ ． １ 边坡安全储备系数的确定 煤炭工业露天矿设计规范 明确规定了边坡稳 定性安全系数 Ｆ ｓ的选用范围 ［ ７  ８ ］。本次边坡稳定性 研究依据规范中的相关规定， 根据不同边坡有针对性 确定稳定性系数。红沙泉北露天矿边坡端帮边坡安 全储备系数 Ｆ ｓ取 １ ． ２ ， 外排土场边坡安全储备系数 Ｆ ｓ取 １ ． ３ ， 内排土场边坡（ 临时） 安全储备系数 Ｆｓ取 １ ． ２ 。 ３ ． ２ 边坡稳定性计算 选取南端帮 Ｐ ２剖面作为研究典型， 采用极限平 衡法中的 Ｓ ｐ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ 法对现状边坡进行稳定性计算， 结 果见图 ７ 。 从计算结果可知， 南端 Ｐ ２剖面处边坡潜在滑坡 模式为圆弧剪切顺层滑移破坏， 稳定系数大于 １  ２ ， 没有滑动的可能， 系数满足安全储备要求。另对 剩余剖面进行稳定性计算， 采场北帮现状边坡、 外排 土场各个位置处边坡潜在滑坡模式均为圆弧滑动破 坏。北端帮边坡稳定系数为 ２  ７ ６ ５ ； 内排土场边坡稳 定系数分别为 １  ４ ５ ４ 、 １  ９ ２ ３ ； 外排土场边坡稳定系数 分别为 １  ６ ０ ４ 、 １  ３ ３ ４ 、 １  ３ ９ ７ 。北帮、 南帮、 内外排土 场现状与设计边坡稳定性系数均满足安全储备要求， 各位置边坡没有发生滑坡灾害的可能性。 ４ 结 语 （ １ ） 结合地质勘查报告及补充钻探勘察成果， 通 过现场简易试验和室内岩土物理力学参数试验， 确定 了本次研究的岩土体物理力学指标。 （ ２ ） 采场北帮现状边坡、 外排土场各个位置处边 图 ７ 南端帮 Ｐ ２剖面稳定性分析结果 坡潜在滑坡模式均为圆弧滑动破坏； 北帮、 南帮、 内外 排土场现状与设计边坡稳定性系数均满足安全储备 要求， 各位置边坡没有发生滑坡灾害的可能性。 （ ３ ） 煤层底板弱层对内排土场边坡稳定有一定 影响。在现状开采及边坡条件下， 弱层对边坡稳定的 影响较小， 现状和设计内排土场边坡稳定， 可不对弱 层进行处理。但在排土过程中必须控制排土推进强 度， 严禁集中高强度排土。 （ ４ ） 内排土场在满足稳定性系数的前提下， 初始 台阶极限堆高为可提升至 ３ ２ｍ ， 结合目前内排土场 建设及露天矿设计验收的实际情况， 建议仍遵循原设 计排土参数， 初始排土段高仍采用 ２ ０ｍ 。 参 考 文 献 ［ １ ］ 张金贵． 露天煤矿工作帮边坡破坏模式及稳定性控制研究［ Ｊ ］ ． 煤炭工程， ２ ０ １ ９ ， ５ １ （ ９ ） １ ３ ２  １ ３ ５ ． ［ ２ ］ 肖 平， 李惠发． 露天矿高陡边坡变形破坏机理及稳定性研究 ［ Ｊ ］ ． 露天采矿技术， ２ ０ １ ６ ， ３ １ （ ９ ） ２ ５  ２ ９ ． ［ ３ ］ 张 波， 刘来新， 陈金祥． 某大型露天矿岩质高陡边坡稳定性分 析与评价［ Ｊ ］ ． 中国矿业， ２ ０ １ ７ ， ２ ６ （ １ ） １ ６ ２  １ ６ ７ ． ［ ４ ］ 林达明， 尚彦军， 孙福军， 等． 岩体强度估算方法研究及应用 ［ Ｊ ］ ． 岩土力学， ２ ０ １ １ ， ３ ２ （ ３ ） ８ ３ ７  ８ ４ ８ ． ［ ５ ］ 徐 君， 马海渊， 高 峰， 等． 基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ（ 下转第 ２ ２ ３页） ９９１ 李 双 红沙泉北露天煤矿边坡破坏模式及稳定性研究 ２ ０ ２ ０年 ６月第 ６期 脚散落有部分块石， 块石体积均小于 １ ０ ０ｍ ３， 块石距 坡脚不大于 １ ０ｍ ， 散落块石多为人工扰动掉落。边 坡面局部存在浮石、 松石， 受雨水冲刷块石易崩落。 边坡两侧、 坡顶、 坡底等区域未见边坡有变形迹象。 现状条件下， 区内地质灾害隐患点有 ３处， 见表 １ 。 表 １ 地质灾害隐患点统计 编号位置隐患点描述 Ｂ Ｔ １ Ｘ＝ ３７ ５ ７４ ９ ４ Ｙ＝ ３ ９５ ６ ３１ ９ ７ 崩塌隐患区长约 ２ ５ｍ ， 节理裂隙发育， 岩体 被切割成块体， 岩体裂缝中充填碎石、 黏土， 部分岩体已经脱离母岩体。 Ｂ Ｔ ２ Ｘ＝ ３７ ５ ７４ ７ ７ Ｙ＝ ３ ９５ ６ ３１ ７ ９ 崩塌隐患区长约 １ ６ｍ ， 节理裂隙发育， 坡顶 局部形成伞形岩体。 Ｂ Ｔ ３ Ｘ＝ ３７ ５ ７４ ４ ５ Ｙ＝ ３ ９５ ６ ３０ ９ ２ 崩塌隐患区长约 ４ ０ｍ ， 节理裂隙发育， 岩体 被切割成块体， 中等风化， 岩体裂缝中充填碎 石、 黏土， 部分岩体已经脱离母岩体。 综上所述， 矿山地质灾害发生主要类型为崩塌， 发生可能性中等， 单个崩塌体均小于 １ ０ ０ｍ ３， 地质灾 害规模为小型。治理区周围无重要公路， 仅偶有村民 在拟治理区附近经过或逗留， 发生灾害的直接经济损 失小于 １ ０ ０万， 受威胁人数小于 １ ０人， 地质灾害发生 的危险性较小。 ４ 治理措施 根据治理区地形、 地质条件， 治理工程规划， 将治 理区总体分为边坡治理区（ Ａ区） 、 废弃地治理区（ Ｂ 区） 和水塘区（ Ｃ区） ， 其中， 根据边坡坡度、 坡面岩层 分布特征及产状， 将边坡治理区分为 Ａ １ 、 Ａ ２ 、 Ａ ３ 、 Ａ ４ 、 Ａ ５ 、 Ａ ６６个亚区； 根据地形变化， 废弃地治理区分为 Ｂ １ 、 Ｂ ２ １ 、 Ｂ ２ ２ 、 Ｂ ３及 Ｂ ４５个亚区。采取的边坡治理 措施主要有削坡减载， 留设安全平台， 挂网客土喷播， 普通喷播； 废弃地治理措施主要有场地挖填方、 场地 平整区、 场地覆土绿化、 坡脚覆土绿化； 其他辅助工程 治理措施主要有截（ 排） 水工程、 水塘护栏工程、 治理 区施工便道工程、 植被养护工程等。各区占地面积及 治理方法见表 ２ 。 ５ 结 论 （ １ ） 现状条件下， 治理区内主要地质灾害类型为 崩塌， 发生的可能性中等， 危险性较小； 对含水层影响 程度较轻； 对地形地貌景观影响和破坏程度严重； 对 土地资源影响较轻。目前该区土地资源难以得到有 效利用。 因此， 现状条件下综合评估该区域矿山地质 表 ２ 治理区分区及治理方法 治理区分区号占地面积／ ｍ ２ 治理方法 边坡 治理区 Ａ Ａ １ Ａ ２ Ａ ３ Ａ ４ Ａ ５ Ａ ６ ４０ ０ ０ ３０ ０ ０ ６７ ２ ３ １ ０３ ２ ６ １５ １ ７ ７ ４ ３ 削坡、 留设安全平台 挂网喷播 削坡、 清坡 废弃地 治理区 Ｂ Ｂ １ Ｂ ２ １ Ｂ ２ ２ Ｂ ３ Ｂ ４ ６３ ７ １ ６８ ９ ６ ４２ ８ ２ ５７ ５ ６ ２１ ８ ２ 场地平整、 绿化 挖方、 绿化 填方、 绿化 场地平整、 绿化 场地平整、 绿化 水塘Ｃ６８ ９ ７安装护栏 环境影响严重。 （ ２ ） 治理区面积为 ７ ３３ ６ ２ｍ ２， 根据治理区地形、 地质条件、 治理工程规划， 对 １ ２个分区采取边坡治理 和废弃地治理综合治理措施， 消除采矿遗留的地质灾 害隐患； 改善地形地貌景观， 使治理区生态环境与周 边自然环境协调一致； 提高土地利用率， 治理区土地 整治后进行综合利用， 促进当地经济可持续发展。 参 考 文 献 ［ １ ］ 祝介旺． 蓟县矿山高切坡地质灾害致灾模式及环境综合治理研 究 以蓟县大兴峪北矿区高切坡为例［ Ｊ ］ ． 工程地质学报， ２ ０ １ ８ ， ２ ６ （ ２ ） ３ ４ ８  ３ ５ ５ ． ［ ２ ］ 王永卿， 王来峰， 邓洪星， 等． 湖北省绿色矿山建设影响因素及 其效果分析［ Ｊ ］ ． 资源科学， ２ ０ １ ９ （ ８ ） １ ５ １ ３  １ ５ ２ ５ ． ［ ３ ］ 邓振乡， 秦 磊， 王观石， 等． 离子型稀土矿山氨氮污染及其治 理研究进展［ Ｊ ］ ． 稀土， ２ ０ １ ９ （ ２ ） １ ２ ０  １ ２ ９ ． ［ ４ ］ 海俊杰， 苏 犁， 张 林， 等． 湖南省宁乡县矿山地质环境的保 护与治理［ Ｊ ］ ． 中国矿业， ２ ０ １ ９ （ Ｓ １ ） ４ ３  ４ ６ ． ［ ５ ］ 林 海， 李 真， 贺银海， 等． 硫酸盐还原菌治理酸性矿山废水 研究进展［ Ｊ ］ ． 环境保护科学， ２ ０ １ ９ （ ５ ） ２ ５  ３ １ ． ［ ６ ］ 许洪亮， 李振民， 梅 金． 承德某矿山边坡稳定性评价及综合治 理［ Ｊ ］ ． 勘察科学技术， ２ ０ １ ８ （ ３ ） ２ ８  ３ １ ． ［ ７ ］ 石永国． 露天废弃矿山治理方式及安全措施［ Ｊ ］ ． 金属矿山， ２ ０ １ １ ， ４ ０ （ ８ ） １ ５ １  １ ５ ４ ． ［ ８ ］ 肖 飞． 露天废弃矿山治理方式及安全措施［ Ｊ ］ ． 中国金属通 报， ２ ０ １ ６ （ １ ） ４ ６  ４ ７ ． ［ ９ ］ 员 明． 浅析废弃稀土矿山环境及生态修复综合整治措施的运 用［ Ｊ ］ ． 建筑工程技术与设计， ２ ０ １ ８ （ ３ ４ ） ３ ７ ９ ３  ３ ７ ９ ６ ． （ 收稿日期 ２ ０ ２ ０  ０ ３  ２ ３ 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 ） （ 上接第 １ ９ ９页）的平朔东露天矿南帮滑坡区稳定性分 析［ Ｊ ］ ． 露天采矿技术， ２ ０ １ ９ ， ３ ４ （ ４ ） ６ ４  ６ ７ ． ［ ６ ］ 潘祖瑛， 李二宝． 基于 Ｇ Ｅ Ｏ  Ｓ Ｌ Ｏ Ｐ Ｅ的某露天矿边坡稳定性分析 ［ Ｊ ］ ． 现代矿业， ２ ０ １ ９ （ ８ ） ２ ３ ７  ２ ３ ９ ． ［ ７ ］ 韩万东， 石耀国． 基于 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ的露天矿边坡稳定性分析与研究 ［ Ｊ ］ ． 煤炭技术， ２ ０ １ ９ ， ３ ８ （ ９ ） ５ １  ５ ３ ． ［ ８ ］ 张元杰． Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ在露天矿边坡稳定性分析中的应用［ Ｊ ］ ． 煤矿现 代化， ２ ０ １ ７ （ ５ ） ９ ９  １ ０ ０ ． （ 收稿日期 ２ ０ ２ ０  ０ １  １ ６ ） ３２２ 马艳梅 王起超等 寨山废弃石灰矿山地质环境评价及治理措施研究 ２ ０ ２ ０年 ６月第 ６期