河曲露天煤矿西端帮边坡稳定性研究

罗 科，李天翔，吕贵龙，马 力

（1.山西焦煤山煤国际河曲露天煤业有限公司，山西 忻州 036500；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 露天开采技术研究所，陕西 西安 710054）

露天矿端帮边坡下部往往埋藏着大量的煤炭资源，但因技术及条件的影响未能被合理开采[1-2]。随着开采工艺的提高及煤炭资源的缩减，回收端帮压煤从而提高经济效益势在必行[3-4]。

周永利等[5]结合理论分析与数值模拟的手段，对端帮陡帮开采结束后逐步进行内排压帮这一过程进行了边坡稳定性分析；王伟[6]、王创业等[7]运用相似模拟手段分析了不同采掘长度下端帮开采边坡稳定性；曹兰柱等[8]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；杨添[9]以典型工程地质剖面为研究对象，分析了边坡角与边坡稳定性的关系，确定了能够满足安全储备系数的边坡角。

河曲露天煤矿西端帮主要为采场与内排土场提供主要运输道路。内排过程中，受端帮运输系统影响，限制了边坡角度的提高，为了实施陡帮开采，需要对端帮陡帮开采经济效益进行分析，在保证边坡稳定、边坡角提升的前提下，均衡运输与边坡角间的关系。首先在开采过程中应不断提高端帮边坡角度，减少压煤量，其次开采期间还需研究西端帮稳定性保障人员与设备的安全作业，进一步优化设计边坡角度，实现综合效益的最大化。

为此，以河曲露天煤矿采掘场西端帮边坡为研究对象，利用极限平衡法与有限元强度折减法[10-13]对端帮边坡进行稳定性分析，确定了端帮边坡采用凸形边坡形态进行开采，并确定了各剖面的开采角度。深入系统的研究端帮边坡稳定性并对其进行陡帮开采对减少端帮压煤、优化陡帮开采设计，保障矿山安全生产及提高矿山经济效益。

1 边坡稳定性分析方法

极限平衡法将滑体视为刚体，不考虑变形，只考虑滑体沿滑面的位移，是边坡稳定性分析采用的一种较为普遍的计算方法，尤其是在边坡稳定性分析中常假定滑动面为圆弧滑动模式。其中，极限平衡法主要是通过试算各种不同位置圆心所对应滑面的稳定系数，并以全局稳定系数最小滑面为该剖面的稳定系数，而有限元强度折减法则是通过不断折减，使边坡达到极限破坏状态，可以确定临界破坏时岩体的应力状态分布。采用极限平衡法与有限元强度折减法进行综合分析，通过危险滑动面位置与应力云图综合说明滑面的稳定性情况，并互相验证。

1.1 极限平衡法

滑体的位移为剪切破坏，遵守Mohr－Coulumb 准则，滑体在滑面上的平衡条件，应用到滑块在斜坡上的平衡原理如图1。

图1 滑块平衡原理

1.2 有限元强度折减法

强度折减法的基本原理为将岩土体的抗剪强度除以折减系数Fr，采用有限元进行计算，如果边坡在选取的折减系数下达到破坏，此时的折减系数便是安全系数：

式中：c 为黏聚力，MPa；φ 为内摩擦角，（°）；Fr为折减系数；σ 为正应力，MPa；τr切应力，MPa。

参数φr和cr为折减后的强度指标，将φr和cr带入有限元计算，如果折减系数Fr＞1.0，则利用有限元计算的位移和应力就比实际的大，破坏的单元也比实际的多。令Fr从1.0 逐步增大，则计算的位移逐步变大，破坏单元逐步增加，当边坡整体失稳时的Fr即为安全系数。

2 河曲西端帮边坡稳定性分析

2.1 剖面选取与岩体力学参数确定

依据河曲露天煤矿采场实际，选取典型剖面并结合已知岩体力学参数，对西端帮的边坡稳定性进行验证。结合河曲露天煤矿实际开采工程平面图，在西端帮选取2 个典型剖面，进行稳定性验算。

根据选取钻孔数据来看，研究区各层岩性主要为黄土、泥岩、砂质泥岩、煤、石灰岩和黏土，岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

边坡稳定性分析依据《煤炭工业露天矿设计规范》要求，端帮为非工作帮，储备系数在1.1～1.5 以内。考虑河曲露天煤矿采用内排模式，储备安全系数以1.2 为依据。

2.2 当前剖面稳定性

西帮剖面最大剪应变云图如图2。

图2 西帮剖面最大剪应变云图

首先针对该剖面的当前现状进行分析，采用极限平衡法和有限元法分别分析西帮1－1’剖面（28°）、2－2’剖面（27°）稳定性情况，确定在当前边坡角度条件下其稳定系数FS分别为1.30 和1.36，可以满足储备系数要求。从该剖面现状图中可以看出，该帮具有显著的凸型边坡特点，稳定性情况良好。

2.3 平直边坡稳定性

当1－1’剖面28°局部边坡稳定性分析如图3。模拟结果显示有限元强度折减法和极限平衡法计算的危险滑面区域一致，其平均稳定系数在28°时能保证储备系数要求。显然，按均一边坡角度确定的28°条件下的稳定性低于现状的凸型边坡条件的稳定系数，说明上部黏土边坡是该边坡稳定的限制性因素，应重点关注并尽量减少其上部台阶扰动。

图3 1－1’剖面28°局部边坡稳定性分析

对2－2’剖面以27°平直结构边坡进行分析模拟，结果显示有限元强度折减法和极限平衡法计算危险滑面区域一致，其平均稳定系数在27°时能保证储备系数要求。显然，按平直边坡角度确定的27°条件下的稳定性高于现状的凸型边坡条件的稳定系数。目前2－2’剖面的边坡角为27°，稳定性较强，其滑移形态为整体滑移。

2.4 凸型边坡稳定

结合当前西端帮典型凸边坡结构特征，在平直边坡稳定性分析基础上，进一步优化分析西端帮凸型边坡结构条件下的边坡角度，对优化河曲露天煤矿西端帮边坡角度具有切实研究意义。

对1－1’剖面，上部边坡保持28°，下部边坡依次31°、34°、37°、40°、43°进行稳定性分析。1－1’剖面凸边坡整体稳定性分析如图4。

图4 1－1’剖面凸边坡整体稳定性分析

由图4 已知：当下部台阶边坡角度从31°增大至40°时，该边坡危险滑动面均处于上部黏土层边坡中，因此其稳定系数结果无变化；而当下部台阶边坡高度增大至43°时，危险滑面变为下部台阶，稳定系数出现变化。综合考虑推荐该剖面下部台阶边坡角度为40°、上部台阶边坡角为28°。

针对2－2’剖面，保持上部边坡27°，下部边坡依次按照30°、33°、42°、45°、48°进行稳定性分析，2－2’剖面凸边坡稳定系数与下部边坡角度关系如图5。2－2’剖面凸型边坡下部边坡角42°稳定性如图6。

图6 2－2’剖面凸型边坡下部边坡角42°稳定性

由图5 已知：当下部边坡角提升到45°时，计算的稳定系数为1.20，与储备1.2 相比可知，当下部边坡角大于45°不能满足边坡稳定性要求。

图5 2－2’剖面凸边坡稳定系数与下部边坡角度关系

由图6 已知：为保证工程实际中人员与设备安全要求，在下部台阶42°时满足边坡稳定性要求，即保证上部台阶27°，下部台阶42°，整体边坡角36°。

3 结语

1）结合河曲露天煤矿岩体力学参数，综合采用极限平衡法和有限元强度折减法，分析了西端帮稳定性情况，确定稳定系数和危险滑面。

2）1－1’剖面整体边坡角度从原来28°调整为40°，提高了12°。结合凸型边坡结构特点，综合考虑该剖面下部台阶边坡角度为40°、上部台阶边坡角为28°、整体边坡角度34°可满足工程实际要求。

3）2－2’剖面整体边坡角度从原来27°调整为39°，提高了12°。结合凸型边坡结构特点，综合考虑该剖面保证上部台阶27°、下部台阶42°、整体边坡角36°可满足工程实际要求。