平朔东露天矿东帮边坡稳定性分析.pdf

露天采矿技术 2 0 1 1 年第2 期 3 7 平朔东露天矿东帮边坡稳定性分析 白锋堂， 刘维玉， 郝继峰，邵 宾 ( 中煤平朔煤业有限责任公司东露天矿建设项 目部，山西 朔州 0 3 6 0 0 6 ) 摘要： 平朔东露天在基建过程中非工作帮发生滑坡， 直接影响矿坑的正常延伸和刷帮靠界， 造成矿坑 运输 系统效率降低、 运距增加、 成本上升 。研究和分析 了东露天矿首采区非工作帮的边坡稳定性影响因素及 滑坡的成因， 根据山西省特有的第三系红粘土物理力学指标性质及地质构造， 运用极限平衡法对红粘土天然 状态下与饱和水状态下的边坡稳定性数值模拟分析 。 数值模拟结果显示扩帮后的边坡处于稳定状态， 非工作 帮边坡滑体处要做相应的防排水处理。 关键字： 边坡稳定性 ； 红粘土； 数值模拟 中图分类号： T D 8 2 4 7 文献标识码： B 1 引 言 平朔东露天煤矿是国家规划的平朔矿区三大露 天矿之一 ， 位于朔州市平鲁区榆岭乡。 矿区范围东西 长 4 4 25 4 7 k m， 南北宽 6 5 31 0 3 k m， 总面积 约 4 8 7 3 k m： 。国家发改委批准的建设规模为 2 0 O Mt a ， 设计服务年限为 7 5 a 。 平朔东露天煤矿于 2 o 0 9年 1月 5号正式开工 建设 ， 至 2 0 1 0年 1 1 月 中旬 ， 采掘场最低开挖标高至 1 3 1 0水平 。由于露天矿 的边坡是人工开挖形成的 ， 内部岩体结构和构造及其复杂，即使对局部边坡有 所 了解 ， 也不一定适应其它部位。 随着采掘场外包剥 离施工的开展， 东露天煤矿边坡逐步揭露出来 ， 原有 的应力场发生变化 ，对边坡稳定性造成影响。2 0 1 0 年 4月非工作 帮的东北 帮发生滑坡 ，滑体上缘在 1 3 8 0平盘 ，下部位于 1 3 4 0平盘 ，上宽 6 7 m，下宽 1 1 3 m， 长 7 0 m。 2 岩土物理力学指标 非工作帮上部主要为第三系、 第四系土层， 为山 西省特有红粘土 ， 本层干燥时土质 比较密实、 浸水后 土质变软， 呈塑态。由于本层红粘土的特性 ， 遇降水 人渗 ， 存在发生滑坡的因素， 岩土物理力学性质见表 1 、 表 2 。 泥岩、 砂质泥岩强度较低 ， 为软弱层 ， 质软、 性 收稿 日期： 2 0 1 0 1 1 2 3 作者简介： 白 锋堂( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 山西山阴人 ， 1 9 8 8 年毕业 于阜新矿业学院采矿工程 系露天开采专业， 学士学位， 现任中 煤平朔煤业有限责任公司东露天矿建设项目部副经理。 文章编号： 1 6 7 19 8 1 6( 2 0 1 1 )0 20 0 3 70 3 表 1 松散层物理力学性质统计表 地 层 岩 性 羹 曩 簪 岩性抗 压 M 强 P a度 抗 薏 度 抗 度 脆 、 风化后松散 ， 不抗冻 ， 遇水溃裂。 3 影响边坡稳定性 的因素 露天矿边坡是露天采矿 活动所形成的一种特殊 构造物。露天矿边坡不稳定将对采掘场生产人员和 设备的安全带来安全事故。 但一味的放缓边坡， 则又 不经济 ， 带来更多的端帮剥离量 。 露天矿边坡和地表 连在一起，处在地应力场内，时刻受 自然应力的作 用。同时， 它又是矿山工程活动的对象 ， 受矿山工程 活动的影响。 影响露天矿边坡稳定性的因素很多， 就 东露天煤矿首采区来说，其主要影响因素有以下几 个方面。 3 1 岩石矿物成分与结构构造 岩石是构成岩体的物质基础。岩石 的矿物组成 和结构构造对岩石的工程地质性质起 到主要作用 。 3 8 露 天 采 矿 技 术 2 0 1 1 年 第 2 期重 盈 田 东露天矿第四系新生界、二叠系和石炭系地层主要 由黄土、 粉质粘土、 泥岩、 砂岩、 煤层等组成的沉积 岩。 泥岩容易风化崩解， 使得岩石的工程地质性能弱 化和复杂。 粉质粘土干燥时土质比较密实、 浸水后土 质变软， 呈塑态。由于本层红粘土的特性， 遇降水入 渗， 存在发生边坡崩落的现象。 3 2 岩体结构面特征 结构面作为岩体的一个重要组成部分，经历了 长期的形成和发展 ， 对岩体的稳定性有重要作用。 其 主要体现在以下几个方面 ： ( 1 ) 对于整个岩体来说 ， 岩体的结构面都是弱 层， 比较破碎、 较易风化。结构面中的裂隙往往被易 风化的次生矿物充填 ， 降低其抗剪强度。 ( 2 ) 空隙、 裂隙、 节理等构造面发育的岩体 ， 为地 表水 的渗入和地下水的活动提供了 良好 的通道 ， 在 水的作用下岩石抗剪强度进一步降低。 根据东露天矿施工以来的几次小型崩塌或垮塌 来看 ， 在东露天煤矿沉积结构面 中存在泥质软弱夹层 ， 是潜在的滑动面 ， 对露天矿边坡的稳定性造成影响。 3 3地 下水 露天矿滑坡 ，大量发生在雨后 、雨季和解冻时 期 ， 或 因为疏干排水不畅所致 。因此 ， 水是边坡稳定 性的极为有害的因素。水对边坡的不利影响主要表 现在以下几个方面 ： ( 1 ) 静水压力 的作用能增加滑动力和减少摩擦 力 ， 从而对边坡稳定性不利。 ( 2 ) 当水在破碎岩体中的裂隙中流动时， 将对所 流经的岩石颗粒施加动水压力 ， 推动岩体 向下滑动。 同时 ， 当动水压力较大时 ， 还可以产生潜蚀作用 ， 破 坏岩体稳定。 ( 3 ) 粘土质岩体和节理 、 裂隙发育 的岩体 ， 随含 水量的增加， 粘聚力和内摩擦角显著下降， 其抗剪强 度可以降低到干燥时的 1 41 2 0 。 ( 4 ) 水冻结后产生膨胀作用 ， 降低边坡稳定性。 ( 5 ) 水还可以降低泥质岩石 的粘结力。 由于上覆 黄土被剥离掉而出现的卸载作用，导致下部岩石膨 胀 ， 在岩石内部产生负压， 从而从外面吸取一定量的 水， 从而增加了泥质岩石的含水量， 使其粘聚力下降。 东露天煤矿产生垮塌的区域，在其东侧有一小 型冲沟， 沟底可见基岩， 隔水的粘土层已经剥蚀和冲 刷完毕 ，地面水是否补给到垮塌下部的泥岩 目前不 详。东露天煤矿产生垮塌的区域附近原始地形上有 多处水井， 说明东露天矿在开挖之前 ， 垮塌的区域附 近地下水比较丰富， 周围对其补给作用较强。 而且从 岩石结构面上分析，垮塌区位于基岩顶面相对较低 的区域。在垮塌区的北侧 ， 存在一处大型的空洞 ， 是 否存在水通过垮塌区流向空洞方向不详。 3 4 爆破作用与震动 由于在东露天煤矿东帮北侧产生垮塌前，没有 进行爆破作业 ， 因此爆破对其没有影响。 3 5 其它影响 因素 ( 1 ) 开挖深度 。边坡在坡角相同的条件下 ， 边坡 越高稳定性越差 。发生滑坡的区域正是东露天煤矿 开挖边坡较大的区域之一 。 ( 2 ) 边坡 的几何形状。当边坡向采掘场凸出时 ， 组成边坡的土岩侧向受拉力，由于岩石或土是抗拉 性很差的材料 ， 所以在这种条件下边坡稳定性就差 ， 有时发生局部垮塌 。东露天矿发生垮塌的区域正是 这种形式 的边坡 。1 3 6 0到 1 3 7 0平 台没有与垮塌 区 两侧的边坡一样到位 ， 存在一个 6 m左右的差值。 4 边坡稳定性分析 4 1 计算方法 B is h o p 法属于在条分法 中得到工程界广泛应用 的一种方法。 假定滑动面及滑动体为不变形的刚体， 考虑了土条两侧面上 的作用 ，将滑动面以上的土体 分成若干垂直土条 ， 安全系数公式为 ： = ， 鼠+ +( 一 蜀+1 ) t a n Wi s in ( 1 ) 其 中， 五及 五+1 是未知的 ，为使 问题得解 ， 又 假定各土条之间的切 向条间力均略去不计 ，即为简 化的 B i s h o p法 ： = ， 尬 ci 最 + i t a n s i n IT i ( 2 ) Mi = co s IT i+t a n s i n IT i ( 3 ) 式中： ci一土体凝聚力； 一 土体内摩擦角； 第 个土条的质量； 一 第 个土条宽度； 一第 i个条块的滑面倾角。 由于式( 3 ) 中也有 ， 须用叠代法求解。先假定 值， 按式( 3 ) 求得 飓值 ， 再将 代入式( 2 ) 求出 值 ， 若此值与假定值不相符， 则用此 值重新计算 ，求得新的 值。此反复叠代， 直到计算值与假定 值的误差小于 0 5 为止， 即可计算出边坡的稳定安 全系数 。 叠 重 田 露 天 采 矿 技 术 2 0 1 1 年 第 2 期 3 9 4 2 稳定性分析 选取计算剖面如图 1 。计算结果见图2 、 图3 。 图 1 计算剖面图 静茸l 矗珏 计肆 髂艇 - - - 。 。 _ _ 。_。 -。 _ -HH 。 _ 。_“ _ _ ，_ 。_ 。 _ - H- - 。 。 _- _- -。_ 一_ _ _ _- _。 。- -_ -_ 。h。 -。 -_ -_ _ - _ 。一 1 F s ： 1 O 6 ； 5 2 0Ol曙 ： 7 l 矗2 2 蠢 卜 l4 7 4 1 瑚 R 1 l毋4 B ， 日 d 5 m l 啪 s 讪 M。 - ： I 4 图 2 剖面极限平衡分析结果图 ( 圆弧滑面) 5 结论 ( 1 ) 稳定性分析结果表明， 非工作帮东段滑坡的 发生与地下水有关。 饱水条件下 ， 由于“ 红粘土” 特殊 。 。 i 葬露照 0 一 0 。 囊 _ 。 1计掉髂浆 0 0 It 。 。 - F s ：j 瑚 滩 ， o x 9， t 4 & 3 Z 3 l 衄 矗 一t 。 图 3 剖面极限平衡分析结果图( 折线滑面) 的结构和渗透特性， 其强度急剧降低， 从而导致原本 稳定的边坡产生失稳滑动。 ( 2 ) 稳定性分析结果显示， 非工作帮东段滑坡在 开挖至 1 3 6 0平 台条件下 ，滑移面位于粉质粘土层 ， 并未穿过下伏基岩 ( 接近土岩接触 面) ， 这与边坡实 际状况 、 勘察揭露的滑面状态等情况基本一致 ； 也与 山西省境 内特殊红粘土层边坡失稳特征基本一致。 ( 3 ) 采用极限平衡法 ， 在确保边坡稳定 的条件 下 ， 模拟得出边帮台阶开采参数 ， 确定扩帮方案 。 参考文献： 1 李增亮， 姚勇 ， 曹兰柱 B is h o p 法 自动搜索均质边坡最 危险滑动面 J 露天开采技术 ， 2 0 0 9 ， ( 1 ) ： 2 O 一 2 4 2 徐卫东 边坡及滑坡环境岩石力学与工程研究 J 2 0 0 8 ( 上接第3 6页 ) 定 ， 排土场表面会 出现裂纹和小幅下沉。 这种情况一 般采取加高加厚排土线挡墙 ，卡车离开排土线挡墙 排土，随排土场的推进及时用岩石铺垫排土场作业 面即可。第二种情况是排土场底部表面是松软易滑 物， 此种情况就比较危险了。 这种情况在排土场底部 压力小时不会出现明显滑塌 ，当底部压力达到一定 值时短时间内会形成排土场大面积滑塌 ，可能造成 滑塌区域内的设备随滑塌物下沉下去。发现这种情 况时应当停止该排土场作业，然后在排土场下部距 坡底线一定距离逆排土场发展方向升坡排一个小台 阶， 此举不但可抵挡排土场下部滑动， 同时也可降低 排土段高， 减少排土时排土场底部形成的压力， 正常 情况下下部小台阶抵住排土坡面后可恢复排土场的 作业。 第三种情况是高段排土， 安太堡矿设计标准排 土段高为 3 0 m， 超过 4 0 m为高段排土， 高段排土安 太堡矿规程里有明确规定。 4 结语 安太堡矿 2 0多年的实践告诉我们 ： 生产现场的 情况是复杂多变的，随时随处都