露天煤矿矿采场边坡稳定性浅析范文

红沙梁露天煤矿矿采场边坡稳定性浅析

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（酒泉天宝煤业有限公司** ）

摘要：本文结合红沙梁露天煤矿边坡工程地质特征及类型，分析了采掘场边坡影响因素，预想了边坡滑动模式和计算方法的选择，提出了保持采场边坡稳定性的措施。

关键词：露天煤矿 边坡工程 影响因素 预防措施

引言

露天煤矿的边坡稳定性不仅对露天煤矿的安全有着紧密的联系，而且与露天矿的经济效益紧密相关，对于露天矿来说，不是边坡稳定性越高越好，应根据既经济又安全的原则，确定合理的边坡角[1]。如果边坡稳定性过高，虽然可以保证生产的安全，但会使生产剥采比增大而增加生产成本，影响企业的经济效益；相反，如果边坡稳定性降低，边坡将会出现失稳现象，为了达到安全生产的目的，就必须对边坡加固或采区其他工程措施，这不仅会影响会影响正常的生产，也会给企业增加额外的投入，使生产成本上升，降低经济效益，只有根据露天煤矿的工程地质特征及类型，科学合理分析边坡稳定性，才能既保证安全，又不影响生产，使露天矿经济效益最大化，实现安全高效开采的目的。本文对酒泉天宝煤业有限公司红沙梁露天煤矿采场边坡稳定性进行了简要的分析，为同等条件下露天煤矿边坡稳定性分析和边坡的安全管理提供了理论和实践依据。

1红沙梁露天煤矿概况

红沙梁露天煤矿由窑街煤电集团酒泉天宝煤业有限公司开发建设，是窑街煤电集团全资子公司，地处丝绸之路经济带河西走廊最西端-甘肃省酒泉市肃北蒙古族自治县马鬃山镇红沙梁矿区，矿田南北长约2.82km，东西宽约2.34km，面积6.60km2，其中心点直角坐标为X=4622365；Y=32551442。露天矿田总体构造为一向南倾伏的向斜构造，含煤地层为白垩系下统老树窝群，煤1层为本区唯一的可采煤层。煤1层赋煤面积5.92km2，可采面积5.44km2，真厚度平均13.25m，煤层结构复杂，煤类为褐煤和长焰煤，原煤高位发热量平均20.79MJ/kg，浮煤高位发热量平均26.66MJ/kg，属中低热值煤。红沙梁露天矿田煤1层查明资源量9323万吨，其中探明资源量5702万吨，控制资源量2090万吨，推断资源量1531万吨。设计服务年限25.8年。现已形成两个采场，其中：

一采场南北长约750m，东西宽约562m，剥离面积：42.1×104m2，现已形成1910、1900、1890、1880、1870、1860六个水平台阶；

二采场南北长约675m，东西宽约410m，剥离面积27.6×104m2，现已形成1910、1900、1890、1880四个水平台阶。

5采掘场边坡设计影响因素分析与措施

5.1边坡设计影响因素分析

采掘场的边坡稳定取决于岩体的强度，而岩体的强度与岩块的强度和节理的密度有关，此外气候条件、地质构造、地下水以及采矿工艺等诸项因素亦将影响边坡岩体的稳定性。

5.1.1气候条件

矿田属大陆性气候，干旱多风，冬为风季，夏季酷热，冬季严寒。据肃北县马鬃山气象站气象资料显示：日温差可达13℃，年平均温度3.5～4.8℃，最高达34.4℃，最低为-34℃。多年年平均降水量96mm，最高167mm，最低36mm，多年年平均蒸发量3070mm，年最大蒸发量3261mm，年最小蒸发量2877mm。年平均风速4.4～5.0m/s，最大风速23m/s，风向以西及西北风为主。冰冻期为11月至翌年3月，冻土层深度1m左右。

5.1.2岩石性质

目前，根据煤层顶板30m以上及煤层底板20m以下岩石物理力学性质检测报告，露天采区岩石在天然状态下抗压强度一般为4.0～12.0MPa，饱和单轴抗压强度一般为2.0～5.0MPa，属极软岩。岩石遇水后软化变形，甚至崩解破坏，软化系数全部小于0.75，均为软化岩石。区内岩体质量基本等级为Ⅴ级，岩石与岩体的总体质量较差。

5.1.3地下水

矿内构造中等，且没有发现第四纪以来形成的断裂，岩石裂隙不发育。对矿井充水有影响的直接充水含水层埋藏浅，地表水系不发育，大气降水量少，其上又有隔水层覆盖，地表水和矿井直接充水含水层联系差。主采煤层顶、底板直接充水含水层含水量小，单位涌水量小于0.1L/s.m。按《煤、泥炭地质勘查规范》判定，该露天矿田水文地质勘探类型应为“一类一型”，属于以孔隙充水为主，水文地质条件简单的矿床。

2.1.4采矿工艺

红沙梁露天矿剥离工艺采用液压挖掘机—自卸卡车间断开采工艺，采煤工艺液压挖掘机—自卸卡车—地面半固定破碎站—带式输送机半连续开采工艺，剥离和采煤直接进行采掘，不需要进行穿孔爆破，开采工艺对边坡的主要影响为卡车运输过程产生的震动。

5.2采掘场边坡工程地质简化模型

边坡稳定性分析需要根据不同的工程地质条件，结合边坡走向和几何形态分区，分区进行稳定性分析，相同的分区可以用单一的剖面和相同的岩体计算参数来表征。边坡分区原则是将工程地质条件、边坡几何形态和边坡倾向基本相同的区段化为同一区，它是在工程地质分区的基础上进行划分的。

依据《窑街煤电集团酒泉天宝煤业有限公司红沙梁露天矿田煤炭资源储量核实报告》及现场地质调查，地质报告中未将采场边坡进行工程地质分区。通过对整个矿区的岩性、地质构造和水文地质的分析，结合本矿采区划分情况，设计分别对露天煤矿西帮南段、西帮北段、南帮、东帮、北帮做了稳定性分析。

设计结合《储量核实报告》提供的工程地质剖面，并根据工程地质钻孔数据通过地质模型绘制相关工程位置剖面对采掘场内各区域进行边坡稳定性计算。各剖面平面位置见图5.2-1，边坡工程地质简化模型见图5.2-2~6。

5.3边坡稳定计算指标的选取

计算采掘场边坡稳定需要岩体的抗剪强度，这些指标是通过岩块的抗剪强度指标，并利用岩体粘结力随节理密度增大而降低的关系来确定的。由于地质报告中仅有煤层顶板上30m及下20m的岩块的抗剪强度指标，本设计边坡稳定计算所需参数参照岩块的抗剪强度指标按现场调研红沙梁露天矿南部已经开采的亨通吐鲁露天煤矿及地区经验进行折减并结合首采区南区露天采场边坡反分析成果确定。具体边坡稳定计算参数见表5.2-1，此边坡稳定计算参数作为露天矿进行圈定露天矿开采境界及计算资源储量的依据，最终边坡稳定性评价待补充露天矿工程地质资料后进行补充评价，目前安全生产最终帮坡角主要根据相邻开采的露天矿进行类比。

表5.2-1边坡稳定计算参数表

5.4预想滑动模式及计算方法选择

5.4.1预想滑动模式

针对露天矿开采境界的大小和开采深度，选取了西帮东帮南帮的典型位置，根据钻孔数据通过地质模型绘制剖面，剖面布置平面图见5.2-1，计算剖面分别为A-A’、B-B’、C-C’、D-D’、E-E’共5个边坡工程地质剖面进行边坡稳定性计算，见图5.2-2~6。本区岩层构造为中等构造，断层发育以近南北向展布的正断层为主，因此判断边坡的破坏模式为圆弧滑坡。

5.4.2计算方法的选择

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典条分法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。随着计算机的出现和发展，又出现了一些求解步骤更为严格的方法，设计采用Ordinary（瑞典条分）法和Bishop（毕肖普法）来确定边坡的安全系数。

计算方法采用瑞典条分法总应力法，计算公式如下：

式中：

K——整个滑体剩余下滑力计算的安全系数；

l——单个土条的滑动面长度（m）；

W——条块重力（kN）；

θ——条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角（度）；

C、φ——土的抗剪强度指标，采用总应力法时，取总应力指标。

根据采区划分和开采顺序的采区接续关系以及内排条件，露天煤矿各帮的服务年限均小于10年,按照《煤炭工业露天煤矿设计规范》中有关规定，稳定系数应取1.1～1.2，考虑本矿开采深度大，露天煤矿边帮稳定性要求高，故其余各帮设计中各边帮的稳定系数取值在满足《煤炭工业露天煤矿设计规范》规定的条件下尽可能取上限。

5.5采掘场边坡稳定计算

根据确定的岩性强度指标，按境界内煤层底板深度确定的边坡高度分区进行计算。计算结果见表5.2-2。根据不同边帮的边坡稳定系数要求，其搜寻计算结果图5.2-7～11，本次计算结果为露天矿临时最终稳定帮坡角，边坡稳定计算参数作为露天矿进行圈定露天矿开采境界及计算资源储量的依据，待露天矿进行边坡工程岩土工程专门勘察，并进行重新评价完善露天矿最终稳定帮坡角，在露天未完成最终稳定帮坡角评价前，露天矿各帮不宜按照最终帮开采。

2010年10月13日国家能源局下发的国能发煤炭〔2021〕51号《国家能源局关于甘肃吐鲁矿区红沙梁露天矿项目核准的批复》，红沙梁露天矿生产规模为2.0Mt/a，矿建工程量小，可实现短期内快速出煤，2021年10月27日甘肃省煤电油气运保障工作联合协调机制已甘协调[2021]30号印发《关于抓紧组织开展今冬明春应急保供煤矿开工复产的通知》，红沙梁露天矿为甘肃省今冬明春应急保供煤矿之一。文件指出应加快项目前期手续的办理，鉴于露天矿的工程地质资料不完成，因此目前露天矿开采的边坡计算的参数参照临近的露天矿；鉴于临近矿井的采深为60m左右，最终稳定帮坡角为32°，设计建议本露天矿在相同采深情况下的临时边坡帮坡角为32°，以保证露天矿安全生产，但目前红沙梁露天矿作为甘肃省河西地区今冬明春应急保供煤矿之一，在保证应急保供的条件下，确保煤矿供煤量满足保供，露天在采深80m的前提下，采深标高在+1840水平之上，临时边坡帮破角不应超过30°且端帮不宜靠界开采，同时露天矿每年应进行边坡稳定性评价工作，以指导露天矿安全生产，待本矿工程勘察资料提交后再变更考虑永久边坡稳定性评价，在未完成永久边坡稳定性评价前露天矿端帮及非工作帮不应靠界开采。

表5.2-2边坡稳定计算结果表（仅用于圈定露天开采境界及计算资源储量）

6保持采掘场、排土场边坡稳定的措施

（1）地表水及浅部煤层因防止其自燃而需防灭火的常用水，可能大量汇入坡体，不但长期冲刷边坡，使其节理裂隙发育扩大，破坏边坡的完整性，而且软化岩层中的泥质类岩石，在这些部位较易形成饱水带，使其抗剪强度进一步降低形成软弱夹层，同时增大了边坡地下水水压力，对边坡稳定起到不利的作用，易发生中浅层变形顺层滑移，即边坡岩体受软弱面控制，中上部沿软弱面滑移，下部发生挤压隆起变形而渐趋破坏。

由于地下水对边坡的稳定性影响较大，对地表水、防火降尘用水要进行全面有效的管理。在地面修筑沿帮固定水沟，把地面水尽最大可能拦截在地表排出，不让地面水流入采场，做到浅水浅排。

（2）实际采掘生产中露天煤矿应建立专门的边坡专业技术机构，配备相应的专业人员，在生产中持续进行动态的工程地质勘探工作，时刻掌握边坡各种情况。在生产过程中，为保证边坡稳定，需建立采矿、边坡、地下水、地表位移和地下位移统一的监测系统，采矿设计需和边坡稳定监测统一起来，实施全面的采矿工作动态评价，以达到安全、经济合理的目的。

监测工程的布置随采掘生产过程不断完善，贯穿始终，并根据生产实际中发生的情况及时调整、增减监测工程的内容。

（3）各煤层伪底多为泥岩，应防止沿煤层底板滑坡。不同土层的分界处，宜分段设置若干个平台作台阶形边坡，在每一个平台上都设置明排水沟，平台面根据需要具有一定的坡度。

（4）对开拓及开采过程中由于卸荷形成的地表裂缝应及时进行回填、开裂段防洪沟进行防渗处理，以尽量减少地表水的入渗。采矿弃碴的堆放要选择正确地点及堆放方式，避免由于人为的加载改变边坡的应力状况和临空状况，从而改变坡体形态。

（5）风化作用会使原生结构面和构造结构面的规模增大，条件恶化，并可能产生风化裂隙等次生结构面和岩体自身强度有所降低。因此，长时间的风化作用势必对边坡稳定产生不利影响，对风化堆积物要及时清理。

7结束语

随着露天矿采剥工程的不断扩大，边坡高度的不断增高，边坡的复杂性也不断增大，对边坡稳定性的分析也越来越高，所以我们在今后的边坡稳定性分析中，应该综合用运各种分析方法，充分利用不同分析方法的优点，取长补短，遵循采剥期间的工程地质规律[4]，有计划有步骤的采剥，不能盲目地扩大生产和提高开采强度，从而用边坡稳定性分析理论，合理、准确的解决安全生产问题。

参考文献

[1]舒继森．浅谈生产露天矿边坡稳定性研究.露天采矿技术,2005(05)．

[2]曹勇.谈黑岱沟露天煤矿本质安全管理体系的建设.露天采矿技术,2019(05).

[3]赵亚梅.论露天煤矿安全教育培训现状与管理对策.中国化工贸易,2019(7).

[4]张玉海.关于露天煤矿边坡稳定性分析与治理设计.科技创新与应用,2012(3).