布沼坝露天矿西帮清方减载设计及实施.pdf

l 匮 圈 露 天 采 矿 技 术 2 0 1 4 年 第 9 期 5 1 D O h1 0 1 3 2 3 5 j e n k i I t e m 2 0 1 4 0 9 0 1 7 布沼坝露天矿西帮清方减载设计及实施 赵建康 ， 张天文 - ， 马 明 2 , 3 ( 1 云南省小龙潭矿务局， 云南 开远 6 6 1 6 0 1 ； 2 煤炭科学技术研究院有限公 司 矿山安全技术研究分院， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 3 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室( 煤炭科学研究总院) ， 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要 ： 针对小龙潭矿务局布沼坝露天矿西帮边坡 变形不断增大的情况， 对西帮边坡进行 了清方 减载设计。 结合矿 区生产情况 ， 确定清方减载分 3个阶段进行 。 对 3个阶段的设计边坡 ， 采用滑移 场理 论进 行 滑 面搜 寻 ， 应 用 Mo r g e n s t e r n P r ice法 、 J a n B u法 、 B is h o p法和 O r d in a r y法 对设 计 边坡进 行稳定性评价 ， 并依据西帮边坡监测数据对治理效果进行深入分析 ， 验证 了布沼坝矿西帮边坡清 方减 栽设 计 的合 理 性 。 关键词 ： 清方减栽 ； 稳定分析 ； 边坡监测 中图分类号： T D 8 2 4 7 文献标志码 ： B 文章编号： 1 6 7 19 8 1 6( 2 0 1 4 ) 0 90 0 5 10 4 Cu t t in g s l o p e d e s ig n a n d imp l e me n t a t io n in Bu z h a o b a o p e n - p it min e we s t s l o p e Z HAO J i a n k a n g ，Z HAN G Ti a n we n 0 ，MA Mi n g z 0 ( 1 Y u n n a n P r o v in ce Xi o o l o n g t a n Mi n in g B u ma u ， K a i y u a n 6 6 1 6 0 1 ， C h in a , 2 M S e t y T e ch n o l o g y Re s e a r ch I n s t i t u t e ， C o d S ci e nc e a n d T e ch n o l o g y R e s e a r ch I n s t i t u t e C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 3 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r ce s Hi g h E ffw i e n t Min in g a n d C l e a n U t il i z a t i o n ， B e r i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ：Aimin g a t t h e s it u a t io n o f we s t s l o p e d e f o r ma t io n co n s t a n t l y e n l a r g in g in Xia o l o n g t a n B u r e a u B u z h a o b a o p e n p it min e ， t h e a r t icl e ca r r ie s o u t cu t t in g s l o p e d e s ig n o n we s t s l o p e a n d d e t e rm in e s t h ee s t a g e s t o ca r l y o u t cu t t in g s l o p e co mb in in g min e p r o d u ct i o n s i t u a t i o n I t u s e s t h e s l i p fie l d t h e o r y t o ca r r y o u t s l id in g s u rf a ce s e a r ch ，a n d a p p l i e s Mo r g e n s t e m-P r i ce ， J a n B u ，B is h o p a n d Or d in a r y me t h o d s t o ca r r y o u t s t a b i l it y e v a l u a t io n o f s l o p e d e s i g n T h e a r t i cl e a n aly z e s g o v e r n a n ce e ff e ct o n t h e b a s is o f w e s t s l o p e mo n i t o ri n g d a t a a n d v e ri fi e s r a t i o n ali t y o f we s t s l o p e cu t t in g s l o p e d e s ig n i n Bu z h a o b a min e Ke y wo r d s ：cu t t i n g s l o p e ； s t a b i l it y a n a l y s is ；s l o p e mo n i t o ri n g 云南省小龙潭矿务局位于云南省红河 哈尼族彝 族 自治州开远市境 内， 下辖小龙潭 、 布沼坝 2个露天 矿 ，矿区面积约 2 1 k m 。布沼坝露天矿 目前最低开 采标高 9 6 0 m， 西帮最 大采深 3 0 0 n l 。南帮 、 东帮为 工作帮 ， 主提煤出入沟布置在北帮。 随着云南省西 电东送工程的实施及电煤需求的 急剧增加 ， 矿务局为满足电煤用户需求 ， 加快了布沼 坝露天矿降段 的速度 ， 大幅提高了煤炭产量 ， 但也给 煤矿的边坡安全带来了极大隐患， 西帮边坡出现了蠕 动变形加剧、 边坡地质灾害加剧的现象。2 0 1 0 年 5月 西帮边坡最大变形速度达 1 1 9 3 m m d ，情况十分危 急。西帮变形区面积约为 2 5 8 k m ， 潜在滑区的面积 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 2 7 作者简介 ： 赵建康( 1 9 7 4 一) ， 男， 云南文山人 ， 地质工程 师， 1 9 9 4年毕业于云南省煤炭工业学校地质专业，现在云南 省小龙潭矿务局从事露天矿边坡管理工作。 约为 1 1 5 k m 2 ， 体积约 1 2 2 8 万 m 。为消除潜在滑坡 对矿区生产人员和设备造成的危害 ， 对西帮边坡采取 了清方减载方案。由于清方减载工程量大 ， 资金投入 多， 决定对西帮清方减载分 3 个阶段完成 ， 对每个阶 段清方到界位置进行 了边坡稳定分析， 确保了清方减 载后的边坡稳定 ； 同时对关键位置布设了地表位移监 测点进行监测 ， 为矿区的安全高效生产提供了保障。 1 研究区地质概况及西帮边坡变形历史 布沼坝露天西帮主要 出露第 四系、新第三系及 中三迭统个 旧组地层。地层 由新到老分别为第 四系 人工填 土( Q 4 r ) 、 冲洪积层 ( Q 、 第 三系泥灰 岩段 ( N - 2 x ) 、 主煤层段( N 一 2 x 3 ) 、 薄煤层段 ( N - 2 X ) 、 东升桥 粘土岩段( N ， 一 2 x ) 以及 中三迭统个旧组灰岩段。西帮 边坡体内发育 F 7 、 F 2条逆断层。 F 7 断层破碎带宽度 为 8 6 O 5 0 I I l ，破碎带主要 由角砾状灰岩碎块及 5 2 露天采矿技术 2 0 1 4 年第9 期 钙 、 泥质较紧密胶结而成。 F 位于 F 断层以东 ， 相距 5 01 5 0 m， 长约5 0 0 m。 走 向北东 ， 倾 向西 ， 倾角 5 0 。 6 0 。 。 在断层带附近煤层产状近于直立且不稳定 ， 夹 矸 、 煤层破碎 、 零乱、 揉褶现象明显 ， 断距 2 04 0 m。 研究 区内发育的断层不仅破坏了岩土体结构 ，而且 作为局部变形边界对边坡的变形具有积极作用 l 1 。 采用 R MR和 G S I 2种方法【 2 J对布沼坝露天矿西 帮历年勘察结果进行了统计和综合分析，得出岩体 力学参数 ； 各种岩性的物理力学强度参数见表 1 。 表 1 西帮各岩层物理力学参数 从 1 9 9 2年开始 ， 布沼坝露天矿西帮原设计地表 境界外的山坡上出现裂缝。 到 1 9 9 3年 1 1 月 ， 裂缝宽 度达到 2 7 0 mm， 驻地房屋也发生沉陷和裂缝 ， 严重 影响中队的安全 。1 9 9 5年雨季以后 ， 裂缝发展速度 加快 ， 由于地表裂缝加速扩展 ， 布沼坝露天矿有几栋 宿舍和仓库及矿办公楼 、地面截水沟等也相继发生 不同程度的裂缝和沉陷。进入 1 9 9 6年 7 、 8月以后 ， 边坡开始加速下滑，坡体南北裂缝在 3 4 6线附近全 部贯通 ， 裂缝最长 5 0 0 m， 宽 5 0 e m， 同时边坡上部继 续有新裂缝产生。至 1 9 9 7年底 ， 坡体上共有大小不 等裂缝 2 0 余条 ， 裂缝最长 5 0 0 m， 宽 2 m， 西帮边坡 已产生滑移变形 ， 严重威胁露天矿的安全生产。 布沼坝露天矿边坡 自 1 9 9 7年 5月开始进行削 坡减载工程 ， 1 9 9 9年 1 0月竣工 ， 西帮边坡完成 了了 削坡减载工程量 3 5 0万 m 。 及防排水工程 。至 2 0 0 4 年 9月西帮边坡处于稳定状态 ， 无地表裂缝出露 ， 边 坡治理取得了良好 的成效。 随着云南省电煤需求的急剧增加 ，布沼坝露天 矿加快 了降段 的速度 ，给煤矿的边坡安全带来 了极 大隐患 。2 0 0 4年 9月在西帮 3 4 6 3 4 8 线 1 1 8 0 m水 平西帮后缘裂缝重新出露地表。2 0 0 7年 4月份以来 受强降雨的影响， 造成西帮变形速度加快 ， 后缘裂缝 范围向南延至 3 4 5线 ，裂缝最大宽度达 23 m， 北 翼裂缝带 、南翼裂缝带 和前缘裂缝带相继形成并贯 穿， 西帮滑坡体形成 ， 边坡又从稳定状态发展到失稳 状态 。至 2 0 1 0年 5月 ，西 帮边坡最大变形速度达 1 1 9 3 mm d ， 西帮边坡清方减载迫在眉睫。 2 西帮清方减载方案设计 布沼坝露天矿山体边坡和露天采场边坡体上产生 多处局部滑坡与破坏 、 以及坑 内底鼓现象， 整个西帮 处于不稳定状态。 为了确保矿山的安全生产； 针对西 帮典型剖面 3 4 2 、 3 4 4 、 3 4 6 、 3 4 8进行优化方案设计。 由于西帮边坡变形比较大 ，为了避免雨季前产 生滑坡 ， 第一步先减小上部灰岩有效荷载 ， 减小灰岩 对下部煤层直接推压作用以减缓边坡变形 ，从而使 边坡稳定 ， 确保矿 山安全生产。 结合 当前开采需要和 清方需要的时间 ， 最终采取 3次清方减载方案。3次 清方减载边坡角与工程量见表 2 。 表 2 3次清方减载 工程量及清方 后的边坡 角 西帮边坡剖面 3 次清方减载设计位置轮廓如 图 l图 4 ： 3 西帮设计边坡稳定性分析 边坡稳定性分析方法很多 ，其中基于极限平衡 蝮 3 0 0 2 6 0 2 2 0 1 8 0 1 4 0 l 0 o O 6 O 02 0 98 0 9 4 0 T 碚 比例 尺一 2 O ( m) 图 1 西帮 3 4 2剖面 3次清方位置轮廓图 2 8 0 2 40 2 o 0 j 62 0o 奏 0 8 0柑 叵 O 4 O 0 0 O l 冒 圈 露 天 采 矿 技 术 2 0 1 4 9 期 5 3 惺 霾 ；1 1 吕 懈 图 2 西帮 3 4 4剖面 3次清方位置轮廓图 3 o o 2 6 O 2 2 0 l 8 0 l 4 0 l 0 o O 6 o 0 2 0 图 3 西帮 3 4 6剖面 2次清方位置轮廓图 图4 西帮 3 4 8剖面 2次清方位置轮廓图 枢 2 8 0 2 4 0 2 0 0 g 1 6 0 1 2 0惶 0 8 0 0 4 0 O o o 理论 的条分法是最为经典的工程实用方法 ，对于给 定的潜在滑动面 ， 它能够较准确地计算安全系数 。 但 考虑到布沼坝露天矿西帮边坡岩土体介质分布相对 复杂 ， 潜在 滑动面尚不 能准确确定 ， 就需要搜 索出 安全系数最小的临界滑动面 ，也即需要求解任意形 状的临界滑动面 ， 而经典的条分法则无法解决3 1 ， 本 次西帮边坡稳定性评价采用临界滑移场法进行滑面 搜索【4 J ， 然后应用 Mo r g e n s t e r n P r ice 、 J a n B u 、 B is h o p和 O r d i n a r y 4种方法进行稳定性评价 ， 即可得出各剖面 在 3次不同清方减载位置时的稳定系数 。本次评价 考虑正常条件下岩体力学参数计算边坡稳定性。 西帮 3 4 2 、 3 4 4 、 3 4 6 、 3 4 8剖面清方减载后边坡稳 定性计算结果见表 3 。 从计算结果来看 ， 在正常情况下边坡是安全 的。 而在岩土体在降雨影响下 ，边坡的稳定性理论上会 有所降低 ，而考虑到 目前布沼坝西帮已有的防洪和 疏干排水措施 ， 可以保障边坡的安全性。 根据本次设计结果来看 ，第 1步清方减载后西 帮整体坡角在 1 9 。2 3 o 之间变化 ； 第 2步清帮减载 后西帮整体坡角在 2 1 。 2 7 。 之间变化， 第 3 步清帮 减载后西帮整体坡角在 3 2 。 3 6 o 之间变化 ， 体现了 表 3 3次清方减载边坡稳定性计算结果 开采推进过程至到界边坡整体坡角逐渐增大的动态 过程 ， 以避免生产过程中产生重大滑坡 ， 到界后通过 实施内排等工艺措施 ， 既保证 了边坡的稳定性 ， 又可 以减少剥离量 ， 提高了经济效益 ， 也说明了清方减载 方案的合理性。 4治理前后西帮边坡变形监测数据对 比分析 小龙潭矿务局在清方减载工程实施的同时 ， 建 设了矿区高大边坡灾害监测预警网，主要包括地表 自动化 G P S监测系统 、地 下固定式测斜仪监测 系 统 、 地表人工 G P S监测系统 、 地下位移人工监测系 统、 降雨量监测系统 。通过近几年的监测 ， 已查明了 西帮滑体的范围 ，同时查清了布沼坝矿西帮变形矢 量特征。西帮滑体主滑方向约为 1 0 5 。一1 1 0 。 ， 水平 变形最大值已超过 4 0 I n 。本次对西帮清方减载前后 位移变化特征的研究 ，按照 3 4 2 、 3 4 4 、 3 4 6剖面的位 移变化特征 、速率变化规律及矢量方向等的对比来 进行分析。 以 3 44 剖面为例 ， 3 44 剖面上所涉及到 的监测 点有 J W3 4 4 一 A、 J W3 44 1 D、 J W3 44 一 C 一 1 、 J W3 44 5 、 J W3 4 4 6 、 J W3 4 4 7 、 B 3 44 1 。 其中， J W3 44一 A、 J W3 4 4 1 D、 J W3 44一 C 一 1 、 J W3 44 5 、 J W3 44 6 、 J W3 44 7为人 工 G P S监测点 ， B 3 44 1为全站 仪监测 点 。另外 ， J W3 44一 A、 J W3 4 4 1 D监测点位于滑体外 ， 其余点位 于滑体上 ， 均位于 F 8断层下盘。 3 4 4线的各监测点水平位移速率历时曲线如图 5 。J W3 4 4 5 、 J W3 44 6 、 J W3 4 4 7这 3个监测点在清 方减载工程开展之前已经进行了监测 ，由于 3个点 均位于滑体上 ，其水平变形速率的规律基本一致 ， 3 个监测点在 2 0 0 9年里 的水平变形速率基本在 1 5 3 0 m m d以内 ， 而进入 2 0 1 0年后 ， 随着采煤强度 的 O O O OO O 0 O 0 0 O 拍 m 鳃 5 4 - 露 天 采 矿 技 术 2 0 1 4 9 期l 雷 固 加大， 加上降雨 的影响 ， 变形速率不断增加 ， 在 9月 达到最大，达到 9 0 m m d 。随着清方减载工程 的进 行 ， 变形速率又逐渐下降 ， 同 2 0 1 1年新建 的监测点 一 样 ， 剖面上所有监测点的变形速率在 2 0 1 1年全部 保持在 1 5 m m d以内，直至 2 0 1 2年雨季的到来 ， 滑 体上的监测点变形速率才有逐渐增大的趋势 ，并保 持在 1 0 3 0 mm d的范围内波动 ， 可见清方减载工 程对减缓边坡变形的作用 。 监测 时间 图5 3 4 4剖面不同监测点水平位移速率历时曲线 对于滑体 后缘 的监测 点 J W3 4 4 一 A、 J W3 4 4 1 D 基本保持着基本无变形的趋势 ，反应 了后缘 1 1 7 0 m水平以上边坡 的稳定。对于 3 4 2 、 3 4 6剖面上的监 测点 ，监测结果与 3 4 4剖面上监测点的监测规律基 本一致 。 西帮边坡监测结果对 比可知 ， 2 0 1 0年 3月实施 西帮清方减载工程前 ，西帮边坡监测点地表平均位 移速度 为 4 3 9 mm d ， 2 0 1 0年雨季 7月份变形速度 最大达到 1 4 2 m m d ， 至 2 0 1 0年 1 2月 ， 西帮边坡治 理工程完成土岩清方 1 1 7 7万 m ，变形速度降低到 5 3 m m d 。边坡治理取得 明显效果 ， 边坡变形速度呈 下降趋势。2 0 1 1年 1月地 表平均位移速度减小至 3 9 mm d ， 4月递减至 9 m m d ， 8月为 5 4 m m d 。至 2 0 1 1 年 l 2月 ，西帮边坡治理工程累计完成土岩清 方 4 3 3 4万 r n ， 平均变形速度 已稳定至 1 0 mm d ， 西 - - - - ( 上接第 5 O页 ) 独特的地质 、 环境 、 市场等因素选用的适合 自身发展 的新型生产工艺 ，小龙潭露天矿控制液压挖掘机吨 煤油耗的成功经验则是对该工艺的运用不断成熟的 一 种体现。 参考文献： 1 骆中洲 露天采矿学 M 徐州： 中国矿业学院出版社， 1 9 90 2 马岳 降低生产燃油消耗控制生产成本 J 云南煤炭 ， 帮滑坡体后缘区地表裂缝基本被清方填埋 ， 两翼 、 前 缘裂缝没有异常变化 ， 总体无新裂缝产生 ， 治理工程 取得了良好 的阶段性效果 ，边坡变形速度呈下降趋 势。 西帮边坡滑坡风险已基本得到排除， 安全隐患得 到有效控制 ， 实现了预期的治理效果和 目标 。 至 2 0 1 2年 1 2月，西帮边坡平均变形速度已降 低到 1 3 2 m m d ， 滑坡重大隐患已消除。2 0 1 3年 l 一 4 月 ， 西帮边坡平均变形速度维持在 2 4 m m d以下 ， 无 大的反弹、 回升现象 ，