朝凯煤矿首采区采掘边坡和排土场稳定性分析

李 弘

（山西忻州神达朝凯煤业有限公司，山西 忻州 036700）

神达朝凯煤业露天矿由南区和北区两个矿田组成，其中南区开采2、3 号煤层，北区仅有5 号煤层，主要可采煤层为2 号煤层和5 号煤层。矿田生产规模为120 万t/a。矿田内冲沟发育，南区地势中部高、东西低，最大相对高差331 m；北区地势中部低、南北高，最大相对高差440 m。矿田批准采掘标高为1360～1910 m，首采区位于南区中部，北区灭火范围南侧为首采区基建区，南区灭火范围西南侧为二采区。

露天矿现有北排土场、北外排土场、首采排土场和南外排土场。其中，南排土场距离现采掘工作面较近，且煤矿整合前南区采用井工开采。矿田受地表径流影响较小，但碎屑岩类为砂岩类，松散岩石为泥岩和煤，工程地质条件较差。土石开挖将导致边坡稳定性降低，而露天边坡的稳定性对煤矿安全生产具有重大影响[1]。为避免滑坡、泥石流等灾害发生，需采取相应措施，常用的研究方法主要有极限平衡理论分析[2]、数值模拟[3]和相似实验[4]。本文采用极限平衡法对南区采掘边坡和首采区排土场稳定性进行计算，针对分析结果为防止滑坡等灾害提出防治措施。

1 概况

1.1 工程概况

随着开采年限的增加，矿田边坡逐渐增高加陡。首采区南北长0.61 km，东西宽2.13 km，深部开采面积1.29 km2。矿田可采煤层平均厚度18.50 m，煤层倾角5°～12°，煤层埋藏浅。矿区采剥场台阶高10 m，坡面角70°，最终帮坡脚35°，开采工艺为单斗-卡车间断工艺，开拓方式为工作帮移动坑线方式开拓，现排弃4 个台阶，标高为1410 m水平。本文主要研究对象为南区首采排土场沿帮边坡，首采排土场增高扩容3 个15 m 台阶后最终帮坡角为18°。

1.2 地质概况

基于现有地质资料，以室内岩石力学试验进行验证补充，为边坡稳定性分析和相关防治措施提供基础资料。

（1）工程地质。据地质钻孔揭露，本矿田新生界覆盖层厚度较小，最大16.90 m，平均8.43 m。主要覆盖层为基岩，2 号煤层覆盖层厚度0～144.83 m，平均78.42 m；3 号煤层覆盖层厚度0～154.92 m，平均88.81 m；5 号煤层覆盖层厚度0～203.38 m，平均103.39 m。碎屑岩类为砂岩类，松散岩石为泥岩和煤，排土场基底大部分为软弱岩石泥岩。

（2）水文地质。矿田内无常年流水性河流，只发育季节性排水冲沟，季节性流水由冲沟排出，地表径流对矿田开采影响较小。由于奥陶系中统的石灰岩在矿田北部、东部出露，岩溶发育，同时受降雨、河水和冲积层潜水补给，富水性强。

2 采掘边坡和排土场稳定性分析

2.1 采掘边坡稳定性分析

稳定性分析方法为简化Bishop 法，该方法常用于计算边坡单一圆弧型破坏。边坡稳定性系数计算公式为：

式中：Fs为安全系数；mai为第i个条块的计算系数；αi为第i个条块底部的倾角，（°）；Wi为第i个条块的重量，kg；ci为第i个条块的黏聚力，MPa；bi为第i个条块的长度，m；ui为第i个条块的孔隙水压力，MPa；φ`i为第i个条块的有效内摩擦角，（°）；Qi为第i个条块所受的水平向作用力，MPa；ei为第i个条块所受的法向条块间力，MPa；R为滑面半径，m。

采掘边坡岩石力学参数见表1。

表1 首采区边坡岩石力学参数

通过变换张裂缝的位置和圆心求得相应的稳定系数，并从中找出接近最小值的某种规律，从而接近最小值，得到该剖面的稳定系数。由于采掘场各帮最大边坡高度相差不多，因此本方案在形成最大边坡高度位置选取剖面进行稳定性验算。该剖面位于采掘场南帮，最大边坡高度230 m。根据《煤炭工业露天矿设计规范》（下文简称“《设计规范》”），结合工程地质条件，南区首采区采掘边坡的稳定系数应大于1.2。经分析计算，当边坡角为35°时得到相对最小稳定系数为1.245，破坏方式如图1，为张裂缝—圆弧型滑面。

图1 采掘边坡最小安全系数坡面

根据《山西省宁武煤田宁武县山西忻州神达朝凯煤业有限公司煤炭资源储量核实报告》的资料分析和最终的边坡稳定性分析验算，该矿工程地质条件较好，采场边坡高度较高。按照《设计规范》规定，推荐采场按35°边坡角进行开采。实际生产边坡稳定性应根据现场情况进行合理调整。

2.2 首采区排土场稳定性分析

排土场的排弃物料主要为泥岩、砂质泥岩等混合物料，岩石物理力学参数见表2。

表2 岩石物理力学性质试验成果表

采用极限平衡法从排土场选取典型剖面进行边坡稳定性分析，最大边坡高为150 m 左右，设计选择了18°边坡角进行稳定性计算。根据《设计规范》可知，排土场边坡稳定系数需大于1.25。经简化毕肖普法分析计算，当边坡角为18°时的首采区排土场边坡最小稳定系数为1.293，该系数大于1.2，符合《设计规范》要求。最小滑面所处位置及破坏类型如图2。

图2 首采区排土场稳定系数最小滑面

结合分析结果和地质概况可知，排土场边坡基底和稳定性较好，但要做好防排水。经稳定性分析验算，排土场最佳稳定性边坡角为18°。

3 采掘边坡和排土场防治

由于露天剥采过程中会形成许多动态边坡，该类边坡需组织专门的人员进行监测，因此在南区首采区采掘边坡处布设监测点10 个，分3 条监测线布置。根据相关监测规范，监测级别为Ⅳ级，监测内容以变形监测为主，监测周期为露天剥采开始至露天剥采结束，监测频率与露天剥采相同，时间不固定，加强连续跟踪监测。

首采区排土场定期采用全球定位系统（GPS）测量法，平时采用人工简易监测，以巡查为主，主要查看坡体上裂缝等发育、变化情况。若有裂缝出现或裂缝变宽，应采取避让措施。

采掘边坡和排土场中稳定性系数最低的监测线各测点位移矢量监测如图3 所示。由图可知，边坡变形到现在已经进入到减速变形阶段。根据监测数据及开采情况，预计边坡匀速变形速度将在3 月左右再次减小，边坡总体变形趋势趋于恒定，即上述采掘边坡和排土场倾角设计合理。

图3 采掘边坡和排土场监测线各测点位移矢量

4 结论

（1）朝凯煤矿矿田首采区采掘边坡工程地质条件较差，水文地质中等，采用极限平衡法得边坡角为35°时采掘边坡稳定系数最小值为1.245，符合《设计规范》要求。

（2）首采排土场距离采掘边坡位置较近，基底主要为泥岩，利用极限平衡法中的简易毕肖普法对典型剖面进行稳定性分析，验算结果为当南区首采区排土场边坡角为18°时，排土场稳定性系数最小值为1.293，符合《设计规范》要求。

（3）根据首采区采掘边坡和排土场的地质条件，结合稳定性分析结果，拟利用10 个监测点对采掘边坡稳定性进行监测，利用GPS 测量法定期监测排土场变形情况。监测结果表明边坡角度设计合理。