安太堡露天矿排土场边坡稳定性分析

袁 远，郭夏飞

（1.中煤平朔集团有限公司 安太堡露天矿，山西 朔州 036006；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.煤炭科学研究总院，北京 100013）

露天开采是我国煤炭开采的重要方式之一，而露天开采的诱发的地质灾害问题也逐步凸显，如何防止滑坡等地质灾害的发生成为重要的研究课题[1-2]。随着露天开采技术和时效边坡理论的发展，露天煤矿正朝着安全高效的方向发展，资源回收率越来越高，同时剥离物的长期堆积形成了许多高台阶排土场。排土场是露天矿重要生产场地之一，大量剥离松散物流堆积，易诱发大量地质灾害问题。

黑岱沟露天矿阴湾排土场，在基底长期水浸影响，形成软弱层，在排土增高作用西下，阴湾排土场西帮发生了大变形[3]。以大孤山铁矿粉质黏土基底排土场为研究背景，王玉凯，孙书伟等[4]采用底摩擦试验方法，研究软弱基底排土场的卸荷变形机制，研究表明饱和基底排土场稳定性明显低于天然基底排土场，天然基底排土场变形破坏形态呈现滑塌→牵引→推移态势，形成了张拉裂隙为均匀水平变形产生，饱和基底排土场卸荷变形模式主要受软弱基底控制，不均匀卸荷沉降产生错动裂隙。软弱倾斜基底研究以蒙东西二露天矿排土场边坡为工程背景，曹兰柱，张剑锋等[5]基于刚体极限平衡与三维数值模拟方法，研究了基底倾斜条件下排土场边坡稳定性变化规律，分析了软弱倾斜复合基底排土场边坡失稳机理。排土场边坡的稳定性严重影响着作业人员及施工设备安全。研究露天矿排土场边坡稳定性分析及控制措施[6-8]对保障安全生产具有重要意义。

1 工程地质概况

安太堡露天矿位于平朔矿区中部，东侧为东露天矿田，南与二号井田和安家岭露天矿田毗邻，北为安太堡三号井田，西接双碾合作区井田、井东井田和潘家窑合作区井田，其地理坐标为东经112°19′03″～112°24′17″、北纬39°30′29″～39°35′26″，隶属朔州市平鲁区。安太堡露天矿向东推进过程中遇到芦子沟背斜，背斜区宽1.2 km，走向为SE-NW 方向，受背斜影响，矿坑由近水平煤层变为倾斜煤层，煤层平均倾角达到8°～12°（14%～21%），局部最大倾角为22°（40%），背斜区地表和基岩下降50～100 m，煤层下降更为剧烈，最深下降达270 m，11#煤底板标高达到1 050 m 水平左右。受芦子沟背斜构造影响，南端帮边坡岩层层理面与帮坡面由逆倾状态（岩层层理面与水平面夹角约为8°～12°）变为顺倾状态（岩层层理面与水平面夹角约为4°～12°），极不利于内排土场边坡稳定，对露天矿安全生产构成了严重威胁。

按照安太堡露天矿的实际生产位置和生产规划，大倾角背斜引起的剥采比急剧增大、剥离成本大幅增加、内排空间严重不足、内排运距超出卡车合理运距等问题已经制约了安太堡露天矿的正常生产。目前，安太堡露天矿剥离物在背斜翼部区域进行排土作业，形成了顺倾基底上部排土作业；为有效解决内排运距及物料排弃高差，通过加高内排解决排土空间不足的问题。因此，过背斜期间内排土场高边坡稳定问题也是安太堡露天矿面临的边坡稳定关键问题之一。

2 安太堡内排土场边坡变形及研究剖面选取

2020 年5 月安太堡露天矿内排土场运输道路形成，在南部区域形成高段排土边坡，在坡脚设置监测点，5 月上旬监测点显示边坡出现变形。边坡监测位移方向为北东东方向。在5 月时在排土场变形区域下部进行9#煤开采作业，该区域为背斜倾角最陡区域，局部最大倾角22°。排土场位于顺倾基底上部，存在顺层滑动的可能，且下部爆破及采动影响，不利于排土边坡稳定，形成区域滑坡。

根据矿区地质资料及边坡现状资料，在内排土场变形区域选取了3 个剖面模型，分析边坡稳定性及控制措施，剖面位置如图1。在此基础上展开内排土场多台阶和单台阶变形失稳差异研究及边坡稳定性评价，工程地质模型如图2。

图1 剖面位置图

图2 工程地质模型

对工程地质补充勘查取得的岩土样进行岩土的物理力学性质实验，得到岩块的物理力学性质指标，然后通过强度折减最终获得能够用于本研究的岩土体物理力学性质指标。岩土样物理力学性质指标推荐值见表1。

表1 安太堡矿岩土物理力学性质推荐值

3 边坡破坏机理

3.1 内排土场现状边坡破坏机理分析

3 个剖面位置从北向南布置，NP-2005-XZ-01剖面位于1190 平台的北侧区域位置，变形区域坡顶最大范围50.5 m，影响区域为单台阶范围；NP-2005-XZ-03 剖面位于1165 平台最北侧区域，变形范围为1 个大变形区域，1165 平台与1 165～1 190 m 水平之间联络道形成整体滑动区域，整体影响区域为83.53 m；NP-2006-YC-02 剖面，位于1165 南部区域，该区域形成2 个大变形区域，1 165～1 190 m 水平之间联络道和矿区主干道形成局部台阶的变形区域，1 165～1 190 m 水平之间影响区域约为53.3 m，主干道变形区域34 m。现状边坡破坏规律如图3。

图3 现状边坡破坏规律图

3.2 内排土场在1 150 m 水平压脚变形分析

从南侧1 150 m 水平在1165 平盘下部形成新的压脚平盘，NP-2005-XZ-01 剖面位于1190 平台的北侧区域位置，变形区域从坡顶50.5 m 减少至32.5 m，影响区域为单台阶范围；NP-2005-XZ-03剖面位于1165 平台最北侧区域，压脚至1 150 m 水平后，变形范围为由1 个大变形区域变形为局部3个变形区域，其中1 165～1 190 m 水平之间联络道和新排土台阶变形量最大区域。NP-2006-YC-02 剖面（位于1 165 m 水平南部区域），压脚后该区域形成2 个变形区域，1150 平盘和矿区主干道形成局部台阶的变形区域，1150 平盘变形范围为34.7 m，（现状边坡中1 165～1 190 m 水平之间影响区域约为53.3 m），主干道变形区域由34 m 减至24.6 m。压脚后边坡破坏规律如图4。

图4 边坡压脚后破坏规律图

通过在1 150 m 水平压脚，有效控制了边坡的变形范围，在1 190 m 水平区域减小了平盘的变形范围，也改变了1165 平盘变形趋势，同时，新形成的1 150 平盘同样存在新的变形区域。

4 结论

1）通过对内排土场南部区域高段排土边坡变形监测数据分析，确定该区域滑动方向为北东东方向，排土场在南部区域标高为1 390 m，缩界区域排土标高标高为1 210 m，坑底标高1 063 m；排土场上部荷载作用在西南方向，西侧排土较南侧高。排土场荷载作用方向与边坡变形方向一致。同时，坡脚开采卸载，是排土场变形的另一诱素。

2）通过3 个剖面位置从北向南布置，NP-2005-XZ-01 剖面在高陡单台阶坡顶形成50.5 m 变形区域；NP-2005-XZ-03 剖面在坡底1 165～1 190 m 水平联络道之间，形成整体变形水平影响区域为83.53 m；NP-2006-YC-02 剖面形成2 个大变形区域，1 165～1 190 m 水平联络道约53.3 m，排土场主干道高陡台阶变形区域约34 m。边坡现场变形区域与破坏机理分析区域相一致，因此，该区域主要为单台阶或多台阶沿排弃物料内部的滑动变形。

3）通过研究压脚1 150 m 水平方案的变形破坏机理，NP-2005-XZ-01 剖面变形范围减少20 m；NP-2005-XZ-03 剖面压脚后边坡变缓，变形范围为由1个大变形区域变形为局部3 个变形区域。NP-2006-YC-02 剖面压脚后该区域形成2 个变形区域，1150平盘变形范围为34.7 m，而现状边坡中1 165～1 190 m水平影响区域约为53.3 m，主干道变形区域由34 m 减少至24.6 m。压脚有效控制了边坡的变形范围，在1 190 m 水平区域减小了平盘的变形范围，压脚后改变了1 165 m 水平平盘变形趋势，同时，压脚新形成的1 150 m 水平平盘存在新的变形区域。因此，压脚可以有效减小边坡变形，提高边坡稳定性。