平朔东露天矿东北帮滑坡区边坡稳定性分析与治理

石光耀，赵登娟

（中煤平朔煤业有限责任公司东露天矿，山西朔州036006）

平朔东露天矿东北帮滑坡区边坡稳定性分析与治理

石光耀，赵登娟

（中煤平朔煤业有限责任公司东露天矿，山西朔州036006）

露天矿首采区东北帮已发生3次滑坡，针对滑坡的治理，对东北帮边坡的稳定性进行分析研究，为首采区端帮边坡灾害治理提出生产和工程措施建议，保证边坡的稳定性及矿坑的安全生产。

露天矿；稳定性；边坡；经济

0 引言

为了降低开采成本、提高矿山经济效益与煤炭回收率，露天矿形成了高陡边坡，如果边坡变形失稳，将会直接威胁人员、设备和周边建筑的安全，严重影响露天矿山的安全生产[1-4]。东露天矿首采区东北帮已发生3次滑坡，第3次滑坡规模较大，滑坡体平面形似扇形，横宽236 m，纵长206 m。滑坡总体坡度26°～28°，总滑坡体体积约78万m3。

滑坡事故严重影响到了东露天矿的安全生产，特别是对东露天矿的前期剥离成本和今后的煤炭开采安全将产生重大影响。

1 滑坡区域治理

为了更好的治理东北帮滑坡，以确保东露天矿的安全生产，根据当时东北帮滑坡现状，制定了3种治理方案。

1.1 方案1：清塌缓坡+预留宽平台

1）在东露天矿现有回填滑坡区的基础上，对1305—1340区间滑坡体进行整平，清除坡面及平台上散体；

2）在清塌缓坡基础上进行后续开挖，开挖后滑坡区域保持现有1290平台宽度不变（自北向南平台宽10～50 m），调整1275平台宽度以保证1275平台及1290平台宽度总和为76 m，1275平台以下同原设计方案。

方案1清塌缓坡示意图如图1所示。

图1 方案1清塌缓坡示意图

1.2 方案2：清塌缓坡+反压坡脚

1）按照方案1的方法进行边坡修复；

2）在1290平台至1 320 m进行堆载压坡，1290平台向坑内方向反压22 m碎石，反压高度30 m，反压坡脚30°；

3）堆载压坡后，1290平台宽度及1290平台以下同原设计方案。

方案2清塌缓坡反压示意图如图2所示。

图2 方案2清塌缓坡反压示意图

1.3 方案3：清塌缓坡+注浆、锚索加固

1）按照方案1的方法进行清塌缓坡；

2）对滑坡体下部，1305平台采用二次中高压注浆进行岩土改性。注浆孔按3 m×3 m布设，孔深10 m，孔口以下3 m开始布置出浆孔；

3）1340—1305坡面上1323—1330布置3排锚索，锚索长度分别为50、45、45 m，锚索沿水平间距6 m，坡面上间距6 m，同时利用锚索孔进行二次中高压注浆实现岩土改性；

4）锚索间采用格构梁进行连接；

5）1340—1305坡面上锚索加固区下部1323—1305区间布置注浆孔，采用二次中高压注浆进行岩土改性。注浆孔密度3 m×3 m，注浆孔深10～25 m不等，注浆孔应穿过破碎风化层；

6）处治后下部开挖过程中，1290平台宽度及1290平台以下同原设计方案。

方案3清塌缓坡注浆锚索加固示意图如图3所示。

图3 方案3清塌缓坡注浆锚索加固示意图

2 Slide边坡稳定性分析

根据东露天矿东北帮平面分布及其空间地形位置，利用Slide软件对第3次滑坡区域剖面进行边坡稳定性分析，剖面地层关系如图4所示。

图4 东北帮滑坡区域剖面地层分布关系

2.1 岩土力学参数选取

岩土力学参数主要根据场区岩体基本质量级别及岩土试样的力学性质指标等因素综合确定[5-6]，各岩土参数具体取值见表1。

表1 边坡岩土体参数数值计算取值

2.2 极限平衡分析方法

计算时，滑面形式选择折线形滑面，采用简化Bishop极限平衡分析法对边坡进行稳定性分析。

2.3 安全系数选取及稳定性判断

根据GB50197—2005煤炭工业露天矿设计规范第6章关于露天煤矿边坡安全系数的规定，以简化Bishop法安全系数为基础，边坡稳定性初步判别标准为：

1）边坡安全系数大于1.20，边坡稳定；

2）边坡安全系数1.10～1.20，边坡基本稳定；

3）边坡安全系数小于1.10，边坡不稳定。

在初步判别的基础上，综合考虑折线型滑面，边坡岩土层分布、软弱结构面产状，平朔地区类似工程经验等，确定边坡的稳定性[7-8]。

2.4 技术方案

为治理东北帮滑坡及确保以后露天矿安全开产的可靠程度，根据当前东北帮滑坡现状，制定的分析技术方案如下：

1）对剖面原开挖模型进行稳定性分析，判断边坡的稳定情况；

2）对不稳定边坡进行治理，并对治理后的边坡进行稳定性分析。

3）边坡治理后，对后续开采进行稳定性分析，为矿山安全生产提供依据。

2.5 边坡稳定性分析

2.5.1 滑坡前稳定性分析

根据边坡CAD图形，在Slide中建立东露天矿东北帮滑坡前剖面的极限平衡计算模型，通过对剖面现状计算结果表明，在边坡原开挖情况下，边坡最小安全系数计算结果为1.008，不满足规范要求，在外部因素影响的条件下极易发生滑动，这与现场情况一致。

2.5.2 方案1稳定性分析

1）处治现状稳定性分析。方案1回填碎石内摩擦角取32°，粘聚力取0 kPa，重度取22 kN/m3；下部垮塌的砂岩散体内摩擦角取20°，粘聚力取40 kPa，重度取20 kN/m3，建立剖面清塌缓坡后的Slide模型，通过对剖面清塌缓坡后极限平衡计算分析，清塌缓坡后，边坡单台阶坡度以及总坡度都有所降低，边坡稳定性有所提高，最小安全系数由1.008提高到1.056。

2）下部开挖稳定性分析。根据方案1下部继续开挖，建立剖面清塌缓坡后继续开挖的Slide模型，根据现场实际情况进行稳定性分析，边坡最小安全系数与下部未开挖的计算结果基本一致，说明下部开挖整体上对边坡稳定性影响不大。方案1下部开挖计算结果如图5。

2.5.3 方案2稳定性分析

1）边坡现状并坡脚反压稳定性分析。方案2，反压后1290平台宽度为10 m，根据剖面建立反压后的Slide模型，方案2处治后，边坡最小安全系数为1.201，边坡处于稳定状态。

可见，当岩体裂隙面倾角α=0时，即为水平平板裂隙情况，退化后的公式(18)—公式(20) 与文献[8]的推导结果一致，表明本文的构建的注浆扩散理论模型更具有一般性，可以求解任意空间产状裂隙的注浆时空扩散分布特征，而以往的水平平板裂隙扩散模型只是本文的一个特例。研究还表明，对于C-S速凝类浆液，其在岩体倾斜裂隙中的扩散特征主要取决于浆液性质、裂隙产状和地下水压力。

2）下部开挖稳定性分析。根据方案2下部继续开挖，建立剖面下部开挖Slide边坡模型，根据现场实际情况进行稳定性分析，假设滑动滑面仍在破碎带，边坡最小安全系数与下部未开挖的计算结果基本一致，说明下部开挖整体上对边坡稳定性影响不大。方案2下部开挖计算结果（折线滑面-破碎带）如图6。

图5 方案1下部开挖计算结果（折线滑面-破碎带）

图6 方案2下部开挖计算结果（折线滑面-破碎带）

2.5.4 方案3稳定性分析

1）边坡现状及注浆锚索加固稳定性分析。在Slide中建立方案3注浆锚索加固后的模型，注浆后的岩体内摩擦角取28°，粘聚力取120 kPa，重度取22 kN/m3，注浆锚索加固后极限平衡计算结果表明，剖面注浆锚索加固后最小安全系数为1.547。

2）下部开挖稳定性分析。根据方案3，在Slide中建立剖面继续开挖形成的边坡极限平衡计算模型，选择折线型滑动面对边坡整体进行稳定性分析，重点分析下部开挖后对边坡上部稳定性的影响，以及开挖形成的下部边坡的稳定性。假设滑面仍在破碎带，其计算结果如图7所示，边坡最小安全系数是1.547，说明下部开挖对上部边坡稳定性影响不大。

图7 方案3下部开挖边坡稳定性计算结果

2.5.5 稳定性分析汇总

各方案在分析下部继续开挖的稳定性时，假设滑面都在破碎带，现对滑面发生于2#、4#与9#煤时边坡的稳定性也分别进行分析，分析安全系数统计见表2。

表2 各方案计算分析安全系数统计

2.6 Slide极限平衡计算结果分析

1）边坡在原设计下处于极限平衡状态，在爆破等动荷载作用下，容易引发滑坡；

2）方案1，由于1290以上清塌缓坡后，边坡单台阶坡度及总坡度都有所降低，上部边坡稳定性有所提高。此外，由于在1290和1275预留宽平台，使得总坡度进一步降低，保证了1275以下开挖过程中边坡的整体稳定性；而且，由于宽平台的设置，可以起到安全平台的作用，在加强上部坡体监测和做好滑坡区截排水的情况下可以保证1275以下开挖和采煤工作的正常进行。此外，在该区域采煤完成进行回填过程中，通过预裂、小药量爆破的方法，可以对宽平台下被压的4#煤进行快速回收；

3）方案2，在边坡修整、反压坡脚后，边坡的最小安全系数满足规范要求，采用该方案继续进行开挖、煤层开采，边坡整体不会形成更大的滑裂面贯通。但从表2可以看出，与方案1相比，假设2#煤层为滑动面，上部堆载会造成边坡沿该弱层的安全系数下降10%以上，此外，在雨水入渗和爆破震动的影响下，1290至1320反压大量碎石，会对下部开挖造成安全隐患；

4）方案3，在边坡修整、注浆锚索加固后，经岩土改性及锚索支护后边坡上部(1290平台以上)计算的安全系数满足规范要求，但存在松散岩体施工质量难以控制、爆破震动及水的不利影响等因素，加固结构的持久性存在不确定因素，不易采纳。

3 治理方案经济对比

3.1 方案1经济性分析

方案1与现状(1305平台以上保持现状，1305以下按原设计)对比，采煤境界线向坑内平均推进约55 m，压煤面积约14 000 m2，煤层厚度约32 m(4#煤层厚14 m、9#煤层厚8 m、11#煤层厚10 m)，总计压煤量约67万t。在该区域采煤完成进行回填过程中，通过预裂、小药量爆破的方法，对宽平台下被压的4#煤进行快速回收后，压煤量将降低为9#和11#煤38万t（9#煤和11#煤）。

3.2 方案2经济性分析

方案2与现状(1305平台以上保持现状，1305以下按原设计)对比，采煤境界线向坑内平均推进约22 m，压煤面积约5 500m2，煤层厚度约32 m(4#煤层厚14 m、9#煤层厚8 m、11#煤层厚10 m)，总计压煤量约26万t。

3.3 方案3经济性分析

方案3与现状(1305平台以上保持现状，1305以下按原设计)对比，分析边坡注浆、锚索加固费用及压煤量。

1）在滑体250 m范围内，按6 m×6 m布置3排锚索，总计锚索长度5 600 m。按1 200元/m计算，锚索支护需670万元；锚固区域散体孔隙率按10%，水泥浆水灰比1：1计算，锚索加固区域散体体积约150 000 m3，需水泥浆15 000 m3。按500元/m3计算，需750万元。

2）1305平台上布设注浆孔，1305—1323坡面上布设注浆孔，孔径100 mm，钻孔长度分别为8 200 m及15 580 m，总计钻孔23 780 m。按130元/m计算，钻探钻孔需300万元。

3）按1305平台岩体孔隙率5%，坡面散体孔隙率10%，水泥浆水灰比1：1计算，1305平台注浆区域体积约为75 000 m3，1305—1323散体体积约为137 500 m3，1305平台及上部坡面注浆需水泥浆17 500 m3，按500元/m3计算，需870万元。

综上所述，锚固加固工程造价约2 590万元。

3.4 东北帮边坡处治方案分析

3.4.1 东北帮滑坡区边坡处治方案对比

方案1通过清塌缓坡使得1290上部稳定性有所提高，预留宽平台不仅可以大大提高边坡下部开挖的稳定性，而且可以作为安全平台保证下部作业的安全，此外预留平台下的4#煤层可以通过预裂、小药量爆破的方法快速回收；方案2由于在上部反压大量碎石，会降低下部开挖过程中的边坡安全系数，且反压碎石在爆破震动以及雨水入渗的影响下也会对下部开挖造成安全隐患；方案3在岩土改性和锚索加固后其计算安全系数能够满足规范要求，但存在松散岩体施工质量难以控制的缺点。

3.4.2 东北帮其他区域边坡预防

根据东北帮区域地层产状及区域岩性的分析，基本确定了上部砂岩与泥岩分界面处破碎风化带的具体位置及其产状，对存在破碎风化带及与该种产状相似岩层的滑坡两侧区域进行稳定性计算(取滑坡区东南侧80 m剖面)，其最小安全系数为1.086，其安全系数高于滑坡区，但仍不满足规范要求。

由于目前已不存在预留宽平台的条件，且滑坡区东南侧边坡1330以下为1360—1290的斜坡道，因此，在下部开挖过程中应加强对滑坡区域两侧潜在滑体的监测工作。此外，在滑坡区域东南方向100 m范围内、西北方向80 m范围内，待开采4#煤后预留安全平台，再进行深部煤层的开采。

4 结论

1）通过对东露天矿东北帮滑坡现状的分析，给出了3种治理方案，同时通过采用Slide数值模拟方法对3种治理方案中边坡各间断的稳定性分别进行分析，得出采取3种方案治理后东北帮都可满足边坡稳定性要求；

2）通过对3种治理方案的经济及实际生产中存在的问题综合分析，得出东露天矿东北帮较适合采取方案1：清塌缓坡+预留宽平台进行治理；

3）通过对东北帮滑坡区域的治理经验及数据的掌握，为首采区端帮边坡灾害治理提出生产和工程措施建议，为东露天矿首采区端帮边坡设计调整提供了依据。

［1］孙玉科，牟会龙.边坡岩体稳定性分析方法.［M］.北京：科学出版社，1998.

［2］才庆祥，周伟，舒继森，等．大型近水平露天煤矿端帮边坡时效性分析及应用［J］．中国矿业大学学报，2008，37（6）：740-744．

［3］才庆祥，周伟，舒继森，等．近水平露天煤矿端帮靠帮开采方式与剥采比研究［J］．中国矿业大学学报，2007，36（6）：743-747．

［4］芮勇勤，徐小荷，马新民，等．露天煤矿边坡中软弱夹层的蠕动变形特性分析［J］．东北大学学报，1999，20（6）：612-614．

［5］唐燕蕾，杨石飞.大面积堆载对土地水平位移影响的因素分析［J］．建筑施工，2008，30（9）：777-779．

［6］周寿昌，杜竞中，郭增涛，等．露天矿边坡稳定［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1990：23-26．

［7］芮勇勤，徐小荷，杨天鸿，等．露天矿顺层蠕动边坡稳定性动态分析探讨［J］．中国矿业，1999，8（6）：54-57．

［8］杨天鸿，芮勇勤，李连崇，等．顺层蠕动边坡变形破坏机理及稳定性动态分析［J］．工程地质学报，2003，11（2）：156-161．

【责任编辑：陈毓】

Stability analysis and treatment of slope in northeast landslide area of Pingshuo East Open-pit Mine

SHI Guangyao,ZHAO Dengjuan
(East Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Coal.Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

There are three landslides in the northeastern slope of the first mining area.Through the control of landslide,the article analyzes the stability of the northeast slope,which proposes production and engineering measures to ensure the stability of the slope and the safe production of the mine.

open-pit mine;stability;slope;economy

TD824.7

B

1671-9816（2017）05-0034-05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.010

石光耀，赵登娟.平朔东露天矿东北帮滑坡区边坡稳定性分析与治理［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：34-38.

2017-02-24

石光耀（1991—），男，本科，2014年毕业于中北大学信息商务学院机械系车辆工程专业，现任中煤平朔东露天矿穿爆班工长。