安家岭露天矿北帮边坡稳定性研究

马熹焱

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122）

安家岭露天矿北帮边坡稳定性研究

马熹焱

（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122）

以采矿科学和力学学科知识为指导思想，采用理论研究、力学参数测试实验、数值计算、现场试验相结合的研究方法，对安家岭露天矿北帮复杂地质条件区域进行研究，为露天矿开采方案优化和相应灾害的防治措施合理选择提供理论基础和科学依据。

露天矿；边坡；稳定性

0 引言

平朔矿区地质构造简单，煤层倾角较小，近水平埋藏，适宜大规模的露天开采，其采用的生产工艺为单斗卡车剥离工艺[1]。目前安家岭露天矿已经形成了一个由露天矿矿坑与内排土场、外排土场、井工矿同时多元布局的空间形态。

安家岭北帮E11400—E11700于2012年10月下旬出现变形，1375平盘出现裂缝，1360—1375台阶出现局部片帮，1360平盘距离挡墙约10 m的范围内形成环形裂缝。通过对变形区揭露边坡体踏勘及该区地质资料查阅，此处为逆断层影响区域，按照断层走向及产状等指标反推，该片帮区域为逆断层破碎带影响区域，该区域变形破坏主要受断层破碎带控制[2]。现场调研确定破碎带夹杂大量风化泥岩，发生局部片帮现象。

1 地质概况

研究区域为宁武向斜西部矿井，整体构造单斜构造，北东倾向。矿区内地层倾角平缓，地层走向北偏西-南东向，局部可见有波状起伏现象。陷落柱南部倾向南东，最大倾角可达52°。研究区内构造主要有1个背斜，5条断层，断层落差均大于10m。本次钻探布置了6个钻孔，对其中3条断层进行了验证；陷落柱1个，布置了4个钻孔对其进行验证。

本井田含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组，共含煤12层。山西组地层厚12.20～94.34 m，平均厚46.79 m，含煤3层。太原组地层厚65.04～108.33 m，平均厚88.31 m，含煤9层，总厚31.41 m。

各煤层颜色均为深黑色，条痕色为黑色，以弱玻璃光泽为主，沥青光泽为辅，条带结构，水平层理，参差状断口，块状构造，致密性脆，内生裂隙较发育，偶见有碳酸盐类矿物充填，除4-1#、4-2#煤层外其它煤层可见黄铁矿的结核、颗粒及薄膜。

在研究区域布置10个钻孔，结合原有地质资料，确定断层走向影响区域和陷落柱影响范围，并采集了土样45个、岩样598个，共计643个。

2 力学指标的确定

煤岩力学特性是煤岩力学的主要研究对象，也是煤岩工程必须面对的基本问题。从强度、变形以及损伤、断裂和破坏等各个方面对煤岩力学特性进行了深入而持久的研究，并取得了许多重要的研究成果，以防止或减小与煤岩工程相关的自然灾害，如岩体滑坡、地基失稳以及矿柱岩爆等。为分析岩体开挖过程中内部应力变化，以合理设计煤矿边坡及保证边坡的稳定性，需要针对煤岩的物理力学性质进行实验。

本项目研究区域中，通过岩土物理力学性质试验，选取平朔安家岭露天矿复杂地质区域内的煤、岩试样，进行了岩石力学性质试验（单轴抗压试验、单向抗拉试验、岩石直剪试验、弹性参数测试、含水率和密度试验），取得了该区域岩石的相关力学参数。通过Hoek-Brown强度准则，计算安家岭露天北帮边坡岩体强度[3]；由于地质条件复杂，与以往揭露地层相比，边坡岩体破碎，特别是破碎带区域岩石风化严重，通过反分析，以往平朔矿区相似地质情况下力学试验参数及本次北帮边坡岩体强度，综合建立了岩体物理力学演化特性的指标体系，为复杂地质区域条件下边坡稳定提供基础数据。

3 安全储备系数的确定

3.1 稳定分析方法的选取

3.1.1 极限平衡法

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，特点是计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果可直接应用。随着计算机行业的发展，又出现了一些更为精确的方法，如Morgenstern-Price法、Spencer法等。

通过稳定计算，确定边坡的安全系数的方法是摩根斯坦-普瑞（Morgenstern-Price）法。该方法考虑了全部平衡条件与边界条件，可以更好的消除计算方法上的误差，更加精确的解答Janbu推导出来的近似解法。对方程式的求解采用的是数值解法（即微增量法），滑面的形状为任意的，安全系数采用力平衡法。

3.1.2 有限元强度折减系数法

抗剪强度折减系数定义为在外荷载保持不变的情况下，边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比[4]。所谓抗剪强度折减系数就是将土体的抗剪强度指标，用一个折减系数进行折减，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标取代原来的抗剪强度指标，如式（1）—（3）所示。

式中：CF为折减后土体虚拟的粘聚力；φF为折减后土体虚拟的内摩擦角；τfF为折减后的抗剪强度。

折减系数的初始值取得足够小，然后不断增加的值。折减后的抗剪强度指标逐步减小到某一个折减抗剪强度，整个土坡发生失稳。那么排土场边坡体的实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值，也就是发生整体失稳之前的那个折减系数值，就是该排土场边坡体的稳定安全系数。

3.2 安全储备系数的确定

本项目安全储备系数的确定主要按照GB50197—2005露天煤矿工程设计规范之有关规定，边坡稳定系数K见表1，依据我们对研究区域工程地质条件的认识程度和对所收集到的资料的掌握程度[5-7]，以及边坡稳定性对露天矿生产中的重要性，确定北帮边坡安全储备系数为1.3。

表1 边坡稳定系数K

4 采矿方案设计

安家岭露天矿北帮运输系统从E11400开始，由西向东受FB22逆断层、芦子沟背斜、陷落柱等影响。芦子沟背斜西侧主要受逆断层影响，煤岩及地表在背斜东翼出现明显下降趋势，因此北帮复杂地质区域只开采上盘煤层。目前露天矿北帮E11400～E11900区间内，下方已剥离到1270平盘，上方已剥离完1345平盘，受芦子沟背斜影响，1345平盘将沿背斜东翼逐渐进行降盘剥离。考虑到北帮受逆断层、陷落柱、露天矿转向、背斜下降及与930E维修车间安全距离等诸多因素的影响，结合露天矿生产状况及已有的采矿设计方案［8]，在保证北帮边坡安全的基础上提出3种采矿方案。

根据露天矿北帮工程地质剖面可知，剖面1—剖面5主要受FB22逆断层与芦子沟背斜的影响，由工程地质钻探和现场岩层揭露情况可知，此区域内FB22逆断层走向变化较大。受芦子沟背斜影响，从剖面1开始煤层底板等高线逐渐抬升，剖面2、3、4、5位于背斜轴部。剖面7—剖面10位于芦子沟背斜东侧，原设计方案降盘位置主要在该区域，运输系统将面临连续降盘，需在原设计方案中采取提前降盘措施，减缓车辆连续爬坡或下坡引起的设备消耗，即提前降盘方案。

4.1 方案1：露天矿原设计方案

露天矿北帮原设计方案将从背斜轴东侧开始降盘，共降低90 m左右，单次降盘高度为15 m，降盘设计不超过8°，连续降盘中间缓冲平台不少于80 m。

图1 露天矿端帮原运输系统设计方案

4.2 方案2：提前降盘方案

提前降盘方案可以有效降低运输道路坡角，同时减小陷落柱上方荷载。该方案中将降盘位置提前至背斜轴西侧，而转向位置与原运输系统设计方案相同。

4.3 方案3：提前转向并降盘方案

提前转向并降盘方案即在逆断层影响区域和陷落柱区间向外扩帮；转向和降盘可以减小陷落柱上方荷载，并且向外转向可以放缓边坡角，对提高边坡的稳定性有益。该方案中转向和降盘同时进行，均位于背斜轴西翼，转向主要在逆断层影响区域和陷落柱区间，在经过陷落柱后运输系统恢复到原运输系统设计方案上。

4.4 方案4：避让陷落柱方案

陷落柱方案即在经过陷落柱时，加宽过陷落柱的运输平盘，将运输道路布置在靠近矿坑的一侧，并绕过陷落柱，运输系统跨过陷落柱后再进行降盘工作。

5 最终方案的选取

最终采矿方案采取优化提前降盘为基础，采取陷落柱区域避让方法，优化边坡区域平盘参数。具体优化方案为陷落柱区域加宽运输系统平盘到50 m，1255以上保安平盘加宽至15 m，放缓各个台阶边坡角至56°；剖面7—剖面10区间运输平盘加宽至50 m。

根据最终设计方案边坡稳定性计算结果可知，剖面1—剖面3边坡受FB22逆断层影响较大，采矿

图2 北帮运输系统提前降盘方案

图3 北帮运输系统提前转向并降盘方案

图4 北帮运输系统避让陷落柱方案

过程中可能出现单台阶片帮，计算结果表明在逆断层破碎带处边坡稳定性偏低，但边坡整体安全储备系数可以达到1.2以上。由于剖面1—剖面4区间处于芦子沟背斜轴部、背斜西翼区域和安家岭逆断层下盘区域；在11煤层采出后，该区域即可以实现从西向东的内排压脚，因此可认为该区域满足安全储备要求。剖面6、Z1、Z2在陷落柱影响区域边坡整体安全储备系数均在1.2以上，破碎带以外区域边坡稳定系数大于1.3，而且在破碎带区域边坡台阶预留较宽，因此可以认为边坡满足安全储备要求。其余剖面区域整体边坡安全储备系数大于1.3，满足安全储备要求。

6 结论

通过对安家岭露天矿北帮复杂构造带工程地质条件研究、岩土力学评价指标体系确定、边坡变形演化机理研究，并通过方案比选和大量边坡稳定性计算，结合露天矿生产状况及已有的采矿设计方案，在保证北帮边坡安全的基础上提出3种采矿方案，并确定了最终方案。

［1］刘如成，刘峰，许昌．安家岭露天煤矿开拓运输系统优化［J］．露天采矿技术，2008（8）：11-13．

［2］王振伟，王来贵，王建国，等．弱面控制蠕动边坡变形机制及滑坡控制技术［J］．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010（2）：197-200．

［3］蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002．

［4］王敬义.哈尔乌素露天煤矿西排土场变形区滑坡治理方案研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2011．

［5］王振伟，郝哲，尚文凯，等.安家岭矿北帮滑坡区深部边坡稳定性分析与评价［J］．采矿技术，2011（3）：70-72．

［6］李志强，秦建明，王振伟．安家岭矿北端帮E8200—E8600区段滑坡分析［J］．露天采矿技术，2006（S1）：1-2．

［7］秦建明，贺昌斌，邓有燃．安家岭露天矿复杂环境边坡稳定性研究与控制［J］．露天采矿技术，2010（6）：35-37．

［8］刘峰，贺昌斌，邓有燃，等．安家岭露天矿采掘方案与排土空间优化方案［J］．露天采矿技术，2011（2）：17-18．

【责任编辑：解连江】

Study on the stability of north slope in Anjialing Open-pit Mine

MA Xiyan
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

Taking the mining science and mechanics knowledge for guiding ideology,by the methods of theoretical research, mechanical parameter test experiment,numerical calculation,field test,the article researches the complex geological condition of north slope,which provides the theoretical basis and scientific basis for the optimization of open-pit mining scheme and the reasonable selection of the corresponding prevention measures.

open-pit mine;slope;stability

TD824.7

B

1671-9816（2017）05-0008-05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.003

马熹焱.安家岭露天矿北帮边坡稳定性研究［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：8-11.

2017-01-23

国家自然科学基金面上资助项目（51274122）；国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目（U1361211）

马熹焱（1984—），女，辽宁沈阳人，硕士，毕业于辽宁工程技术大学环境工程专业，从事露天开采安全研究工作。