白砺滩露天矿二采区烧变岩边坡稳定性研究

吴 杨 ，梁 冰 ，夏 冬 ，贾淯斐 ，郝 硕

（1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210）

在露天矿山开采过程中，边坡稳定是保证矿山安全生产的前提，最终边坡角选取的合理与否直接关系到矿山的安全和经济效益[1]。在边坡稳定性分析与最终边坡角确定方面，国内外学者做了大量的研究工作[2-11]，为此以白砺滩煤矿二采区北帮和东帮烧变岩边坡为研究对象，在矿区地质、采矿条件、火烧区分布等信息的基础上，结合前期获取的岩体物理力学参数，选取典型剖面，对边坡的稳定性进行分析，分析结果为最终边坡角的优化设计提供依据。

1 研究区概况及剖面选取和岩石力学参数

白砺滩煤矿火烧区主要集中在东北部、东南部以及北部地区。矿田内西山窑组火烧基本没有露出地表，几乎被第四系覆盖，主要集中在东北部、北部和东南部，面积约3 km2，并通过钻探工程进行了验证。钻孔中烧变岩多呈砖红色、紫红色、紫黑色等，岩石裂隙极发育，质地坚硬。钻孔中烧变岩构造特征有气孔构造、烧流构造、层状构造和角砾状构造4种，其中层状构造发育普遍。代表值剖面线主要技术参数见表1。边坡稳定性分析中所用的岩体物理力学指标见表2。

表1 代表性剖面主要技术参数

2 固定边坡角时边坡稳定性分析与评价

根据GB 50197—2005《煤炭工业露天矿设计规范》的要求，非工作帮边坡安全系数在1.2～1.3之间，矮小边坡取1.2，高大边坡取1.3，由于白砾滩边坡较高，应有较大的安全储备。根据设计边坡角36°，对研究区3个边坡剖面稳定性进行分析，分别计算天然水位和疏干排水时边坡稳定性。

表2 边坡岩体物理力学参数

2.1 Ⅰ剖面边坡稳定性分析

当设计边坡角为36°时，Ⅰ剖面天然水位下计算模型与计算结果如图1，由于边坡高度为249.57 m，边坡较高，火烧区范围大，且呈顺倾分布，潜在的滑坡面在坡面下形成圆弧-顺层滑弧。

图1 36°边坡角时Ⅰ剖面天然水位下计算模型与结果

由图1可见，在天然水位情况下，Ⅰ剖面的最小安全系数为1.043，小于1.1，不满足规范要求。采用疏干排水措施后，Ⅰ剖面疏干排水措施后的计算模型与计算结果如图2。

图2 36°边坡角时Ⅰ剖面疏干排水后计算模型与结果

由图2可见，采取疏干排水措施后，Ⅰ剖面的最小安全系数为1.147，基本能满足规范要求，但因该处边坡高度较高，为保证边坡的安全稳定，需采取降低边坡角的措施来提高边坡的安全系数，当边坡角降低到34°时，Ⅰ剖面天然水位下计算模型与计算结果如图3。

图3 34°边坡角时Ⅰ剖面天然水位下计算模型与结果

由图3可见，边坡的安全系数为1.129，此时边坡的安全系数仍较低，当采用疏干排水后，计算得到边坡的安全系数为1.22，此时，边坡可保持安全稳定。

2.2 Ⅱ剖面边坡稳定性分析

设计边坡角为36°时，Ⅱ剖面天然水位下计算模型与结果如图4，此处边坡高度为276.94 m，边坡顺倾，火烧区面积较大，滑坡面与Ⅱ剖面类似。

图4 36°边坡角时Ⅱ剖面天然水位下计算模型与结果

由图4可见，天然水位状态下，边坡角为36°时，边坡的安全系数为1.369，此时边坡安全稳定，当边坡角不变，对边坡进行疏干排水，Ⅱ剖面疏干排水措施后计算模型和计算结果如图5。

图5 36°边坡角时Ⅱ剖面疏干排水后计算模型与结果

由图5可见，疏干排水状态下，边坡的安全系数为1.417，说明边坡角为36°时，在疏干排水状态下，边坡能保持稳定。

2.3 Ⅲ剖面边坡稳定性分析

设计边坡角为36°时，Ⅲ剖面天然水位下计算模型与结果如图6，Ⅲ剖面处边坡高度为286.62 m，边坡顺倾，火烧区面积较大，滑坡面与Ⅰ剖面类似。

图6 36°边坡角时Ⅲ剖面天然水位下计算模型与结果

由图6可见，天然水位状态下，边坡角为36°时，边坡的安全系数为0.995，安全系数小于1，说明此时边坡不能保持稳定，存在滑坡风险。当边坡角不变，采取疏干排水措施，Ⅲ剖面疏干排水措施后计算模型和计算结果如图7。

图7 36°边坡角时Ⅲ剖面疏干排水后计算模型与结果

如图7，疏干排水后，边坡的安全系数为1.113，此时安全系数虽大于1，但小于相关规范的要求。通过降低边坡角的方式可增加边坡的安全系数，当边坡角降低到32°时，Ⅲ剖面天然水位下计算模型与计算结果如图8。

图8 32°边坡角时Ⅲ剖面天然水位下计算模型与结果

由图8可见，天然水位状态下，边坡角为32°时，边坡的安全系数为1.024，达不到相关规范的要求，此时，采取疏干排水措施，32°边坡角时Ⅲ剖面疏干排水后计算模型与计算结果如图9。

图9 32°边坡角时Ⅲ剖面疏干排水后计算模型与结果

由图9可见，疏干排水状态下，边坡角为32°时，边坡的安全系数为1.249，此时，边坡可保持安全稳定。

综合上述分析可知，疏干排水和放缓边坡角是提高边坡安全系数的2种基本措施，边坡角为36°时，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面、Ⅲ剖面在天然水位状态下的安全系数分别为1.043、1.369、0.995，在疏干排水状态下，安全系数分别为1.147、1.417、1.113，在此条件下，Ⅱ剖面边坡在天然水位和疏干排水状态下均可保持稳定；边坡角为34°时，Ⅰ剖面在天然水位和疏干排水状态下的安全系数分别为1.129和1.22，此时边坡在疏干排水状态下可保持稳定；边坡角为32°时，Ⅲ剖面在天然水位和疏干排水状态下的安全系数分别为1.024和1.249，此时边坡在疏干排水状态下可保持稳定。

3 安全系数为1.15时极限边坡角计算

3.1 安全系数为1.15状态下边坡稳定性分析

通过分析矿区的工程地质、水文地质及矿区的气候条件可知，岩质边坡为二类一型，属于易于疏干的简单边坡，参照相邻矿区的设计参数，并结合相关的规范，以安全系数1.15为标准确定边坡角。在上述计算结果的基础上，对安全系数在1.2以上的剖面进行了38°边坡角的计算分析。为了得到安全系数随边坡角的变化趋势曲线，个别剖面进行了数据补充，分别考虑边坡天然水位状态下和疏干排水后2种情况进行计算分析，得到边坡安全系数随边坡角变化趋势（表3）。

表3 不同边坡角情况边坡安全系数统计

为了更直观分析边坡安全系数变化，绘制了边坡安全系数Fs随边坡角变化趋势曲线（图10）。依此可以从理论上判断安全系数判断标准为1.15时的最终边坡角。

3.2 安全系数为1.15状态下境界边坡角计算

以边坡安全系数1.15作为边坡分析安全标准，分别统计天然水位状态下和疏干排水之后对应的边坡角（表4）。

表4 安全系数1.15下的边坡角

通过以上分析，以边坡安全系数1.15为安全标准，在疏干排水工程配套到位的情况下，Ⅲ剖面（>280 m）边坡的边坡角为 33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面为36°，但要承担一定的安全风险，只有在疏干排水及其他采矿工艺如内排、工作面推进方式合理布置的情况有可能达到。

4 结语

1）疏干排水和放缓边坡角是提高边坡稳定性的2种重要措施，边坡角为36°时，Ⅱ剖面边坡在天然水位和疏干排水状态下均可保持稳定；边坡角为34°时，Ⅰ剖面边坡在天然水位和疏干排水状态下可保持稳定；边坡角为32°时，Ⅲ剖面仅在疏干排水状态下保持稳定。

2）以边坡安全系数1.15为安全标准，在疏干排水工程配套到位的情况下，Ⅲ剖面的边坡角为33°～34°，Ⅰ剖面、Ⅱ剖面为36°，但要承担一定的安全风险，只有在疏干排水及其他采矿工艺如内排、工作面推进方式合理布置的情况有可能达到。