内蒙古西部某矿层状边坡稳定性对周边建筑物安全影响研究

封海洋 韩 猛 杨 骏

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室）

露天煤矿边坡的稳定与露天煤矿人员、设备、生产的安全以及采煤剥离的进度息息相关，是保障露天煤矿开采工作正常有序进行的关键［1-3］。边坡的变形失稳伴随着露天矿生产时常发生，是露天煤矿常见的安全问题之一，边坡一旦出现变形失稳情况，不仅威胁露天矿人员、设备安全以及露天矿的正常开采，而且当其地表存在建筑物等设施时，亦会造成建筑物等设施损坏［4-6］。

为了研究内蒙古西部某矿层状边坡稳定性对周边建筑物安全的影响，展开层状边坡稳定性研究，并根据研究结果提出合理的采剥安全控制距离，以确保层状边坡的稳定及周边建筑物的安全［7］。

1 工程概况

研究区域为低山丘陵高原地貌，地形起伏较大，多为沟谷小山崖，小沟谷纵横；最高点位于研究区西南部，海拔标高为1 318 m，最低点位于东部，海拔标高为1 240 m，海拔相对高差为78 m；地形总体地势西高东低，南高北低，矿区地表境界南北长0.94 km，地表东西宽1.021 km，面积为0.96 km2。开采标高为1 250～1 000 m，平均开采深度为190 m。该矿地层由老至新分别为石炭系上统太原组（C2t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、第四系全新统（Q4），其中含煤地层为石炭系上统太原组（C2t）及二叠系下统山西组（P1s）。可采煤层分别为8、9、10、12、13上2、13、15、16、17 号煤层。南帮为该矿工作帮，其边坡为层状边坡，主要地层为风积沙层、冲积层、粉砂质泥岩、泥岩、砂岩、泥质灰岩和煤层等，其中部分岩层为软岩，易发生边坡安全问题。南帮上部建成有某井工矿的风井主扇及瓦斯电站，为井工矿的重点保护建筑，最近点距现状边坡边界仅30 m，露天矿工作帮的采煤及剥离作业引起边坡的缓慢变形，导致井工矿的风井主扇及瓦斯电站出现裂缝，现状边坡与风井主扇及瓦斯电站位置关系图如图1所示，该露天矿南帮层状边坡工程地质模型如图2所示。

2 岩土物理力学参数

岩土体物理力学参数是进行本次层状边坡稳定性对周边建筑物安全影响研究的基础及重要资料，要获取准确的岩土体物理力学参数需要进行大量的钻探及试验。该矿自建矿至今，通过钻探及实验已积累了丰富的岩土体物理力学参数研究成果，本次研究将使用岩土体工程地质性质类比的方法，收集、归纳、分析以往得岩土体试验研究成果，得到本次研究所推荐的岩土体物理力学指标。本次研究推荐的岩土体物理力学指标见表1。

3 层状边坡稳定性对周边建筑物安全影响

为了研究层状边坡对周边建筑物安全的影响，在南帮正对风井主扇及瓦斯电站位置选取剖面1 及剖面2（图1），展开层状边坡稳定性对周边建筑物安全影响的研究。本次研究方法选用Morgensternprice 法，该方法具有计算模型简单化、计算参数相对固定化、计算结果物理意义明确化等特点，并且考虑了全部平衡与边界条件来消除计算方法的误差，使得计算结果更加精确。

本次研究中南帮边坡安全储备系数的确定主要依据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB 50197—2015）。规范中规定，当边坡上有特别重要建筑物或边坡滑落会造成生命财产重大损失，且服务年限大于20 a 者，边坡稳定系数Fs＞1.5。因风井主扇及瓦斯电站相对于该井工矿为重点保护建筑，其稳定与井下人员、设备的安全息息相关，而南帮边坡的稳定性与风井主扇及瓦斯电站的安全又紧密相连，鉴于该情况，本次研究中南帮边坡的安全储备系数确定为1.5。

3.1 现状边坡稳定性对周边建筑物安全影响

为研究层状边坡对周边建筑物安全的影响，根据剖面1 及剖面2 建立边坡剖面模型。该研究分为现状边坡滑动的风险研究以及现状边坡从建筑物位置剪入对建筑物安全影响的研究，研究结果如图3～图6所示。

由图3 及图5 可知，现状边坡的稳定性验算结果分别为1.346 和1.342，均小于南帮安全储备系数1.5的要求，现状边坡处于基本稳定状态，存在滑动的风险。由图4 及图6 可知，沿建筑物位置剪入的验算结果分别为1.521 和1.512，大于南帮安全储备系数1.5的要求，由此可知，现状边坡虽然存在滑动的可能，但不存在沿建筑物位置剪入的风险，因此现状条件下南帮边坡对其上部建筑的影响较小，上部建筑物损坏的风险较小。

3.2 边坡二次滑动稳定性对周边建筑物安全影响

通过对现状边坡的稳定性验算结果可知，现状边坡的稳定性系数均小于南帮边坡的安全储备系数1.5，边坡存在滑动的风险，如若现状边坡发生滑动后，南帮边坡发生二次滑动对建筑物安全的影响未可知，现选择剖面1 及剖面2 现状边坡滑坡后的工况，展开层状边坡二次滑动稳定性对周边建筑物安全影响的研究，研究结果如图7～图10所示。

通过对研究结果分析可知，层状边坡二次滑动沿建筑物边缘剪入的边坡稳定性分别为1.034 和1.294，沿建筑物内部剪入的边坡稳定性系数分别为1.088 和1.333，验算结果均小于南帮边坡的安全储备系数1.5 的要求，且部分边坡稳定性系数趋近于临界值，边坡滑坡的风险加大。由此可知，现状边坡发生滑坡后，层状边坡二次滑动从建筑物边缘及内部剪入的风险较大，一旦滑坡，会对其上部建筑物造成损坏，对人员、设备以及生产造成威胁。

3.3 采剥安全距离控制

通过对露天矿南帮剖面1 和剖面2 的分析可知，现状边坡稳定性系数均低于安全储备系数，层状边坡有滑动的风险，而且在现状边坡滑坡后，层状边坡二次滑坡的稳定性系数均小于安全储备系数，且部分趋近于临界值，边坡滑动的风险加剧。在剖面1中，滑面最远点距风井250 m，剖面2中滑面最远点距风井237 m，根据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB 50197—2015），机修车间、选煤厂或其他重要建（构）筑物与采掘场地表境界的安全距离，应经采掘场边坡稳定验算后确定。当开采深度小于200 m 时，安全距离不宜小于最大开采深度；当开采深度大于200 m时，安全距离不宜小于200 m。目前风井主扇距露天矿南帮仅70 m 左右，因此，综合边坡稳定性分析计算结果，露天矿在潜在滑坡影响范围内应禁止作业。鉴于此，建议露天矿采剥安全距离分别以风井主扇及瓦斯电站北侧以及回风井地下巷道北边界为起算点，采剥安全控制距离为250 m（图11）。

3.4 意见与建议

（1）鉴于风井主扇及瓦斯电站对井工矿的重要程度，建议对该建筑物周边以及露天矿南帮布置若干GNSS 监测点，对建筑物周边以及露天矿南帮的整体变形情况进行监测。

（2）做好露天矿南帮的防排水工作，防止雨水的渗入降低边坡的稳定性，对主扇及瓦斯电站的安全产生进一步影响。

4 结论

（1）通过对现状边坡稳定性验算结果可知，现状边坡的稳定性系数小于南帮边坡的安全储备系数，但从建筑物位置剪入的边坡稳定性系数大于南帮安全储备系数，现状条件下南帮上部建筑物损坏的风险较小。

（2）通过对层状边坡二次滑动的稳定性验算结果可知，从建筑物边缘及内部剪入的边坡稳定性系数小于南帮的安全储备系数，且部分趋近于临界值，层状边坡有滑动风险，将对建筑物造成损坏。

（3）根据研究结果确定了露天矿的采剥安全控制距离，分别以风井主扇及瓦斯电站北侧以及回风井地下巷道北边界为起算点，采剥安全控制距离为250 m。