露天矿端帮边坡形态优化

黄浩轩

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

边坡稳定性与露天矿的安全生产息息相关。近年来，随着露天矿产量和规模的不断扩大，露天矿端帮不断加高加陡，随之而来的边坡稳定性问题也日渐凸显[1]。露天矿端帮边坡稳定性问题及防治措施逐渐成为众多学者关注的焦点，如曹兰柱[2]等对胜利西二露天煤矿西端帮逆倾软岩边坡工程，采用刚体极限平衡软件和数值模拟软件FLAC3D相结合的方法，通过不断调整边坡参数，研究分析了不同留设煤柱长度到界边坡滑移模式及稳定性变化规律，优化设计了胜利西二露天煤矿西端帮最终边坡形态；王东[3]等针对黑山露天煤矿底帮上赋存大量稳定性极差的烧变岩且含Y 字形弱层的边坡失稳与破坏问题，采用刚体极限平衡法从二维角度确定了底帮边坡的形态参数，研究了含Y 字形弱层顺倾层状边坡留煤柱和不留煤柱的2 种设计方案；刘震[4]以河曲露天矿为工程背景，采用Geo-studio 边坡稳定性计算软件对其2018—2020 年端帮边坡稳定性进行了计算，并根据计算结果对其端帮运输道路进行了优化设计，并提出相应加固措施；王东[5]等为解决三道岭露天矿西采区南帮逆倾软岩边坡滑坡规模大、治理困难的问题，基于已有监测数据，明确了最危险滑坡区域范围，通过滑坡变形反分析，确定了岩土体物理力学参数，基于极限平衡法及数值模拟方法，研究了不同压帮高度条件下边坡稳定性变化规律，提出了逆倾软岩边坡变形治理措施，根据压帮后监测数据，对南帮边坡治理效果进行了评价；陈爽[6]等以顺兴露天矿西帮为工程背景，研究分析了拉裂缝发育程度对边坡稳定性的影响规律，提出了锚索加固结合挂网喷浆防护的治理措施建议，防止裂隙继续向下部岩层延伸扩展，并建议在端帮上裂隙的控制区域进行GPS 监测；陈亚飞[7]等以国内某露天煤矿为依托进行边坡稳定性研究，通过现场测试与室内岩土物理力学性质试验，获得某露天矿南端帮岩土物理力学性质参数，结合滑坡反分析方法，确定边坡稳定性评价指标，通过建立工程地质模型，利用极限平衡法分析南端帮边坡稳定情况，并提出边坡变形破坏综合治理措施。

1 矿山概况

宝日希勒露天矿位于海拉尔河以北，莫勒格尔河东南的楔型地带。矿区内无河流湖泊等水资源组聚积的区域存在，区外仅有少量湿地。露天矿开采境界南部以南7 km 处有海拉尔河，开采境界西北处3 km 有莫勒格尔河。该区地层第四系广泛覆盖，区内发育地层由老至新为颜家沟群、龙江组、甘河组、南屯组、大磨拐河组、第四系。主要可采煤层3 层，平均厚度22.11 m，资源储量39 188 万t。

露天矿现场人员在巡视过程中，发现东帮地表有长约400 m 的裂缝。整体走向为东北-西南走向，裂隙长度约400 m，裂隙宽度约0～30 cm，在东帮610 平盘处发现多处出水点，结合现场调研与以往资料判断610 平盘处软弱夹层是东帮产生裂隙的主要因素。潜在滑坡模式为以该演化弱层为底界面的切层-顺层滑动。典型工程地质剖面如图1。

图1 典型工程地质剖面

2 岩体物理力学参数反分析

反分析即是基于边坡在临滑时处于临界状态对参数进行估算的。反分析也称之为反演，是岩土工程领域尤其是边坡工程领域确定岩土体及弱层抗剪强度参数的行之有效的方法之一[8]。由于滑体受到自身重力的作用，滑体前缘先滑动生成了动载荷，致使滑体后缘再发生滑动。该方法是通过恢复已破坏边坡的原始状态，在分析其变形破坏机理的基础上，建立极限平衡方程[9]。对于该露天矿参照以往的地质成果与传统反分析方法，假定弱层黏聚力为0 kPa，弱层的密度为1.9 t/m3；拟定弱层的内摩擦角为φ，不断折减弱层的内摩擦角，直至当边坡的整体稳定系数介于0.95～0.96 之间时，此时的弱层的内摩擦角记为φ 弱层。通过参数反分析得出的岩体物理力学参数能够更好地反应当下的边坡稳定状态。分别计算了φ 弱层为10°、9°、8°、7°时的边坡稳定性，由计算结果可知，当φ 弱层=8°时，边坡稳定系数为0.953，介于0.95～0.96 之间。最终确定的岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

3 边坡稳定性

露天矿边坡变形治理措施共可整理为3 种措施：削坡减载减小下滑力、在坡脚处排弃废弃物料增加抗滑力；改变边坡内部各地层岩石强度，使其更为稳定；在适当位置建造支挡物如抗滑桩、挡墙等。由于东帮裂隙较长，发展速度较快，又由于坑底有煤炭资源，故选择削坡减载的措施进行治理。根据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》相关规定，东帮服务年限较长，且上部存在运输道路，选取东帮边坡的安全储备系数为1.2。分别计算了东帮地表向东推进50、100、150、200 m 时的边坡稳定性[10-12]。不同推进距离时的东帮边坡稳定系数如图2，推进距离与边坡稳定系数的关系曲线如图3。

图2 不同推进距离时的东帮边坡稳定系数

图3 推进距离与边坡稳定性的关系曲线

通过计算结果可知露天矿东帮边坡的滑坡模式为以610 平盘处弱层为底界面的切层-顺层滑动。通过推进距离与边坡稳定性的关系曲线图当东帮地表向东推进的距离逐渐增加时，东帮边坡的稳定性越来越好，但随着推进距离增加至一定程度时，边坡稳定系数增长速度逐渐变缓。当东帮地表向东推进100 m 时，边坡稳定系数Fs=1.251，满足安全储备系数的要求，此时的东帮边坡形态为最优形态。

4 结语

1）610 平盘处的弱层是影响该露天矿东帮边坡稳定性的主要因素，潜在滑坡模式为以610 平盘处弱层为底界面的切层-顺层滑动。东帮边坡稳定性随推进距离增加而更为稳定。

2）对于该露天矿参照以往的地质成果与传统反分析方法，通过计算不同内摩擦角时的边坡稳定性，最终确定弱层的黏聚力为0 kPa，密度为1.9 t/m3，内摩擦角为8°。

3）对露天矿东帮边坡进行了形态优化设计，最终确定当东帮地表向东推进100 m 时，边坡稳定系数Fs=1.251，满足安全储备系数的要求，此时的东帮边坡形态为最优形态。