露天煤礦非工作幫順層邊坡致滑機(jī)理及穩(wěn)定性分析

裴彥峰,陳 貴,劉小開

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

露天煤礦開采中,邊坡穩(wěn)定性非常重要[1],如果礦山邊坡防護(hù)不及時(shí),將導(dǎo)致邊坡塌方、山體滑坡、泥石流等問(wèn)題,不僅會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失,還會(huì)威脅人們的生命安全。新疆某露天煤礦屬緩傾斜煤層,全區(qū)可采,是較穩(wěn)定煤層,開采方式為沿礦區(qū)西北部露頭煤層底板掘溝,工作幫設(shè)置移動(dòng)式開拓運(yùn)輸系統(tǒng),非工作幫邊坡走向與地層走向一致,形成順層邊坡。露天礦的邊坡與地下構(gòu)造具有差異性,故安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果有所不同[2],當(dāng)邊坡走向與地層走向一致時(shí),相對(duì)于與之相反的地層結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生危險(xiǎn)[3]。

該礦礦剝離與采煤均采用單斗-卡車間斷開采工藝,鉆機(jī)選用孔徑150 mm潛孔鉆機(jī)5臺(tái),剝離采用1.6 m液壓挖掘機(jī)6臺(tái),配20 t自卸卡車38輛,采煤采用1.6 m液壓挖掘機(jī)1臺(tái),配20 t自卸卡車2輛,排土采用220 HP履帶推土機(jī)2臺(tái)。臺(tái)階高度為10 m,臺(tái)階坡面角設(shè)計(jì)為65°,最小工作平盤寬度35 m,運(yùn)輸平盤寬度15 m。該礦巖石普氏系數(shù)f=5～6,為中硬巖石,巖石覆蓋層較簿。穿孔爆破采用垂直深孔爆破法爆破。根據(jù)該礦巖石硬度,選用剝離爆破方式為微差擠壓爆破,起爆排數(shù)為1～2排,一次起爆炮孔數(shù)15～30個(gè),起爆鉆孔數(shù)量根據(jù)工作線長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。

采場(chǎng)中邊坡不是一個(gè)均質(zhì)產(chǎn)物,由若干種類的巖層組合形成[4]。該露天煤礦邊坡巖層種類主要包括粗砂巖、細(xì)砂巖、砂礫巖、火燒巖等,各類巖體的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。巖層受到氣候影響或人為擾動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)復(fù)合滑動(dòng)及圓弧滑動(dòng)。針對(duì)該露天煤礦順層邊坡開展安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià),根據(jù)分析結(jié)果,主要對(duì)邊坡的圓弧型滑動(dòng)進(jìn)行建模分析,為礦山安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

1 滑坡原因

地質(zhì)條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)為巖土性質(zhì)。不同的巖土具有不同的巖土性質(zhì),在容重、內(nèi)摩擦角及內(nèi)黏聚力不同的情況下穩(wěn)定系數(shù)也不同。自然條件下,巖石性質(zhì)較為松散,形成的邊坡容易失滑。

邊坡各層巖土中存在各種結(jié)構(gòu)面,形成了巖土向下滑動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造條件。地層面降雨為其進(jìn)入邊坡提供了天然通道,故節(jié)理、裂隙、層理面、巖性界面、斷層較多的邊坡,特別是平行垂直于邊坡的陡坡結(jié)構(gòu)面及沿邊坡的平緩結(jié)構(gòu)面發(fā)育時(shí),更容易發(fā)生滑坡[5]。

地下水活動(dòng)對(duì)滑坡的形成具有重要作用,可降低巖土強(qiáng)度,產(chǎn)生動(dòng)水壓力及孔隙水壓力,侵蝕巖土,增加巖土容重,在透水巖石上產(chǎn)生浮力,尤其是滑坡的軟化效應(yīng)及強(qiáng)度降低效應(yīng)最為突出。地殼運(yùn)動(dòng)與人類工程活動(dòng)是滑坡的主要成因,如降雨、融雪、地表水、河流等地表水對(duì)坡腳持續(xù)侵蝕,臺(tái)階高度及施工不合理會(huì)導(dǎo)致邊坡破壞,坡腳開挖、邊坡超載、爆破震動(dòng)等都可能引發(fā)滑坡。

2 數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51289-2018)要求,邊坡的設(shè)計(jì)穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)定的穩(wěn)定系數(shù)要求,結(jié)合該礦實(shí)際情況,采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性判定依據(jù)為:K≥1.3穩(wěn)定,1.2≤K<1.3基本穩(wěn)定,1.00≤K<1.2欠穩(wěn)定,K<1.00不穩(wěn)定。

其中,K考慮地下水、爆破等因素影響下的最小邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

目前,礦區(qū)工作幫最小平盤寬度35 m,每層臺(tái)階高度10 m,臺(tái)階破面角65°,根據(jù)地質(zhì)條件及地層賦存條件,可分為6個(gè)地層。利用CAD制圖軟件,對(duì)非工作幫進(jìn)行初步建模,通過(guò)邊坡分析軟件slide,將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入各地層,賦予表1中巖土層物理力學(xué)參數(shù),進(jìn)行綜合分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同邊坡角度時(shí)安全穩(wěn)定性分析結(jié)果

按規(guī)范中規(guī)定的露天煤礦最終邊坡角穩(wěn)定系數(shù)取1.2～1.3,根據(jù)當(dāng)前邊坡形態(tài)建模計(jì)算,得到邊坡角為36°的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.646>1.3,如圖1(a)所示,過(guò)于穩(wěn)定,不利于端幫下煤層回收,故通過(guò)改變露大礦邊坡角計(jì)算合適的穩(wěn)定系數(shù)。利用改變平盤寬度及邊坡角的方法,將原來(lái)的工作平盤寬度35 m降到30 m,最終邊坡角由36°增加到38°,進(jìn)行優(yōu)化安全穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算,結(jié)果如圖1(b)所示。經(jīng)過(guò)3次優(yōu)化后,最終邊坡角為40°時(shí),安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.274,如圖1(c)所示,在合理的安全穩(wěn)定性系數(shù)下,符合開采標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。第4次優(yōu)化后的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.092,如圖1(d)所示,屬于潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)的安全穩(wěn)定性系數(shù),解決了初始不夠經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題,但增加了發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn),不可取。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同邊坡角對(duì)應(yīng)的安全穩(wěn)定性系數(shù)

由計(jì)算得知,當(dāng)端幫平盤寬度為22 m、整體幫坡角40°時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.274,是最佳狀態(tài)。

3 滑坡的預(yù)防與治理

確定合理的幫坡角。邊坡附近的巖石受爆破震動(dòng)的影響,常常會(huì)出現(xiàn)巖石塌落,導(dǎo)致平臺(tái)寬度變窄。在露天礦設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中,需根據(jù)礦山的地質(zhì)條件、巖石的力學(xué)性質(zhì)及設(shè)備性能、規(guī)格及尺寸,確定合適的邊坡角與工作平臺(tái)的最小寬度。露天開采階段,應(yīng)遵循先剝離后開采的原則,嚴(yán)禁掏采坡腳。對(duì)需要承擔(dān)爆破、運(yùn)輸系統(tǒng)的端幫平臺(tái),加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查,并隨著開采的推進(jìn)及時(shí)跟進(jìn)。

需對(duì)露天礦邊坡進(jìn)行定期檢查及維護(hù),以保證邊坡的穩(wěn)定性,防止災(zāi)害的發(fā)生。成立專業(yè)的邊坡養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍,加強(qiáng)檢查維修,必要時(shí)進(jìn)行人工放坡、鋪設(shè)草皮、種植灌木。設(shè)置排水管網(wǎng),防止地表雨水流入礦坑,沖刷邊坡。對(duì)于深凹露天礦山,應(yīng)在周圍設(shè)置山洪泥石流防護(hù)設(shè)施。排水管網(wǎng)包括地表排水、地下排水及立體排水。邊坡附近爆破時(shí),應(yīng)采用預(yù)裂減震爆破方法,減少單孔裝藥量,增加孔數(shù),減少每次延期爆破的孔數(shù),防止露天爆破作業(yè)破壞邊坡穩(wěn)定。

做好抗滑工程及加固?；路乐喂こ淌腔轮卫聿豢扇鄙俚牟糠諿6],抗滑工程包括抗滑擋土墻、加筋擋土墻、錨板擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索擋土墻及錨桿擋土墻。抗滑樁為大斷面排樁抗滑單樁、抗滑鏈、鋼管樁、承臺(tái)抗滑樁、樁基礎(chǔ)擋土墻、椅式擋土墻、彎型抗滑樁、板樁抗滑樁及錨樁。

4 結(jié)論

通過(guò)改變平盤寬度及邊坡角,對(duì)順層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)4次優(yōu)化,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到了合理開采的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)端幫平盤寬度為22 m、整體幫坡角40°時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.274,符合合理開采的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。針對(duì)順層邊坡,提出了合理的開采順序,采用加強(qiáng)維護(hù)檢查及抗滑工程加固方法,有效提高順層邊坡穩(wěn)定性及露天礦山開采的安全性。