顺倾多弱层复合边坡稳定性分析及参数优化

李文尧，黄科伟，李营作，姜海涛，韦永豪

（1.哈密市和翔工贸有限责任公司，新疆 哈密 839000；2.北方工业大学，北京 100144）

随着露天矿山生产的进行，滑坡等矿山安全问题日益显著，导致边坡滑坡事故频发，因此边坡稳定性分析与滑坡治理是露天矿生产首要解决的问题[1-2]。目前已有不少学者进行了研究，田宇等[3]根据断层-多弱层构造复合顺倾边坡变形机理优化了边坡设计；侯成恒[4]研究了顺倾边坡失稳破坏问题得到不同压脚高度与其之间的变化规律；钟晓勇等[5]通过研究了顺层软岩边坡顺层失稳的问题运用极限平衡法确定了最优边坡角；杨鹏程等[6]通过研究软弱层对复合边坡稳定性影响揭示了失稳机制；王珍等[7]、曹兰柱等[8]研究分析了顺倾岩质边坡的变形机理及滑移模式并对治理前后边坡进行稳定性分析。

综上所述，研究顺倾多弱层复合边坡稳定性具有重要的意义。为此，以新疆东北部某露天煤矿南帮典型边坡为研究对象，选用极限平衡方法，研究复合边坡回采煤前后的稳定性并对最终边坡坡面进行优化设计，确保工作帮到界边坡的最优剥采比，同时为类似露天煤矿滑坡防治提供参考。

1 工程概况

该露天煤矿地形总体趋势为北南低、东高西低；南帮为“顺倾边坡”，亦为最终境界边坡，整体边坡角度为26°～29°，局部边坡角度达到36°；局部位置有残留挂壁煤，部分区域岩层有倒转现象，地质构造复杂。2020 年中部边坡出现片帮，直接影响下部煤层开采。同时随着采场推进降深，南帮与地表排土场形成高陡复合边坡。

根据煤矿现场揭露地层情况，初步判断“南帮”煤层底板以下可能赋存泥岩弱层，同时该区域含有地下水，局部台阶有较大涌水现象，地下水对“南帮边坡”岩体产生浸润与软化作用，存在滑坡风险。

2 边坡稳定性

根据工程地质勘察建立典型的地质剖面模型，模型长为866 m，底部标高为1 000 m，左右两侧高程分别为1 119、1 397 m，工程地质典型剖面图如图1。对于边坡典型位置进行工程地质补充勘察工作，在关键层位岩心取样，进行岩石物理力学实验，边坡岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 工程地质典型剖面图

在进行边坡参数优化前必须进行边坡稳定性分析研究，在确保边坡稳定的情况下尽可能提高边坡角，提高经济收益。根据《煤炭工业露天矿设计规范》及生产计划可知10 年内“南帮边坡”开始实施内排压脚工作，本次边坡稳定分析验算确定1.20 作为边坡稳定性是否满足规范要求的标准，边坡控制开采方案中选取1.10 作为临时边坡安全储备系数进行边坡评价工作。

采用Geo-studio 软件中SLOPE/W 模块，对B2煤回采前、后进行稳定性计算，得出边坡稳定性系数分别为回采前1.204、局部1.012、回采后1.079。回采后整体边坡稳定性计算结果如图2。

图2 回采后整体边坡稳定性计算结果

根据《煤炭工业露天设计规范》可知边坡整体稳定性系数不满足1.2 的储备要求，临界滑移面出现在中下部边坡。

3 边坡治理方案

经过边坡稳定性分析及现场勘察可知，边坡稳定性系数1.079<1.20 不满足规范要求，边坡+1 180 m 标高以下台阶出现了明显的岩层里“拉裂破坏”现象，若不采取任何措施则不具备完全采出煤炭资源的条件。因此需要开展边坡影响因素和治理措施研究，确保煤炭资源安全、高效的采出。

3.1 边坡影响因素

影响露天矿边坡稳定性的因素有很多，主要分为2 大类：人为因素和自然因素[9]，结合本矿特征对边坡稳定性影响因素进行分析。

1）地质构造及地层产状。本矿地质构造相对简单，但地层产状变化较大，目前坑底地层倾角较小，从坑底向南帮方向，地层倾角急剧增大，在边坡中上部台阶，通过现场测量，地层倾角整体为49°～62°，局部小范围地层倾角达到82°，甚至出现地层倒转的现象。通过现场勘查，可知“南帮边坡”的软弱结构面的走向与边坡的走向接近且倾向一致为顺倾边坡，不利于边坡的稳定。

2）岩土物理力学性质及地下水。边坡中泥岩强度明显低于砂岩，强崩解性泥岩经过雨水入渗后会迅速崩解成1 cm 左右的小块体，降低岩体整体性、稳定性。第四系松散层岩性单一在外力及爆破开采作用下容易产生滑坡。煤层孔隙大多为含水层，坑底煤层往下0.5 m 即可见煤层水。边坡岩体节理、裂隙发育导致岩体强度进一步降低；在雨水及爆破开采的影响下，处于长期疲劳损伤的岩体沿着节理裂隙发生变形，导致边坡整体物理力学参数偏低。

3）边坡形态。边坡上部排土场已经形成2～4 个排土台阶，最大排土高度74 m 左右，排土场基底为第四系松散物料，基底地势较为平坦。从排土场基底的地形、目前矿坑深度及排土场与矿坑之间的相对距离而言，排土场边坡相对较为稳定。随着煤炭开采，边坡外部轮廓发生变化，内应力得到释放，边坡形态将对边坡稳定性造成不利的影响。

3.2 边坡治理措施

目前常规的边坡预防滑坡工程措施主要分为5类：削坡、支挡、加固、束腰、压脚[10-11]。结合本矿边坡地质条件特征及采矿计划对各工程措施进行论证，得出技术可行、经济合理的防治措施。边坡坑底为主采煤层，煤层较厚且地层倾角较大，边坡削坡可以放缓边坡和降低下滑力从而抑制坡体下滑。边坡岩层使用预应力锚索加固效果较差、成本较高，但可用于局部不稳定区域边坡治理。该露天矿典型边坡临空面大，节理裂隙发育主要在中、上部，若采用压力注浆会增加边坡下滑体的重力，进而增加下滑力不利于边坡稳定性。边坡剖面下部分叉煤和主采煤合并成一层且已揭露煤层，在完全回收煤炭资源需要剥离量较大的情况下，选择前期预留压脚煤柱，后期快速置换开采方法可节约大量的剥离费用。

综上，边坡治理整体边坡进行削坡治理，在厚层煤层区域采用预留煤柱+置换开采方案。

3.3 边坡优化

3.3.1 整体边坡设计

边坡下部剖面处“分叉煤”与主采煤层合并，约28 m 厚煤炭资源需要回收，采取回收煤炭边坡削坡设计方案，边坡坡角设计模型图如图3。

图3 边坡坡角设计模型图

方案以煤层底板进水平位置为基准，分别建立了坡角为28°、27°、26°边坡轮廓线，按照整体边坡角度递减的顺序进行边坡稳定验算，确保满足规范要求下尽可能提高坡角，最大化减少削坡土方量，得出上述坡角对应边坡稳定性计算结果分别为1.126、1.270、1.426。经过边坡稳定性计算，边坡参数优化整体角度确定为27°，此时边坡稳定性系数1.270，满足规范1.20 的储备要求。

3.3.2 局部开采设计

厚煤层区域采用预留煤柱+置换开采方案。边坡下部存在边坡变形区域，采取预留煤柱开采，保障矿区生产接续，同时对变形区域进行削坡治理；当预留煤炭开采完成后，对该区域进行回填压脚。因此在临时生产边坡安全储备系数选取中，整体稳定性应大于1.10，局部岩体稳定性须大于1.05。

厚煤层区域煤炭具体开采方案：首先在“坡脚留设”50 m 宽保安煤柱和上部变形区域削坡；其次当下部空间展开和削坡治理完成后，进行下部保安煤柱回收；最后对保安煤柱区域进行压脚回填，实现置换开采。局部边坡设计模型如图4，回采预留煤柱后边坡稳定计算如图5。

图4 厚煤层局部边坡设计模型图

图5 回采预留煤柱后边坡稳定计算

通过计算可知边坡剖面“留设”50 m 宽保安煤柱及削坡后，整体边坡稳定系数为1.169；保安煤柱开采后局部岩体台阶稳定性为1.097，整体边坡稳定系数为1.104，基本满足规范规定要求。

4 结语

1）回采B2 煤之后边坡稳定性系数Fs=1.079<1.20不满足规范要求，边坡+1 180 m 标高以下台阶出现了明显的岩层“拉裂破坏”现象。

2）在边坡优化设计中对整体边坡进行削坡减载治理，当设计整体坡角为27°时，回采B2 煤能满足边坡稳定性的要求。

3）厚层煤层区域采用预留煤柱+置换开采措施。对下部边坡进行煤层优化开采设计，得到厚煤层区域煤炭开采方案：首先在坡脚留设50 m 宽保安煤柱，在上部变形区域进行削坡，之后对下部保安煤柱回收，最后进行压脚回填，实现置换开采。