内蒙古荣兴西来峰露天煤矿边坡稳定性研究

内蒙古荣兴西来峰露天煤矿边坡稳定性研究

关崇峻

【摘要】The article elaborates slope stability of Open-pit Coal Mine, analyzes rock mechanics index, slope deformation failure mode and the evaluation of slope stability. Through slope stability analysis, the article presents adopting 50° final slope angle, takes necessary monitoring and slide-control measures to control risk.%阐述了有关露天煤矿边坡稳定性分析边坡岩石力学指标确定、边坡变形破坏模式和边坡稳定性分析评价等技术环节.通过边坡稳定性分析,提出了采用50°的最终边坡角,并采取必要的监测和防滑措施来控制风险.

【期刊名称】《露天采矿技术》

【年(卷),期】2018(033)001

【总页数】4页(P43-46)

【关键词】露天煤矿;JORC规范;边坡稳定性;最终边坡角;岩石力学

【作者】关崇峻

【作者单位】北京中地泓科环境科技有限公司,北京100011

【正文语种】中文

【中图分类】TD824.7

0 引言

内蒙古荣兴西来峰露天煤矿位于桌子山煤田白云乌素勘探区中部，隶属于内蒙古自治区鄂托克旗棋盘井镇。该煤矿设计规模为年产120万t。

1 基本技术条件

1.1 矿区地震参数

矿田临近乌海市，地震烈度为VIII度，根据GB 18306—2001中国地震动参数区划图采用数值为0.20 g的地震动峰值加速度。

1.2 边坡工程地质条件

矿田内岩石以碎屑沉积岩为主，层状结构，岩体各向异性。煤层顶底板岩石的力学强度中等，以半坚硬岩石为主，软弱岩石次之，稳固性较差。岩石与岩体的完整性与稳定性总体较好，局部较差。区内断层较发育，但主要断层在边界附近，地质构造简单，基岩出露少，风化作用相对较弱。未来煤矿开采后，局部地段易发生煤层顶板冒落、底板软化变形以及断层涌砂、涌石等矿山工程地质问题。

1.3 边坡水文地质条件

矿田内含水岩组的划分与区域含水岩组划分基本一致，自上而下依次为第四系松散层潜水含水层、二叠系碎屑岩类承压水含水层、二叠系相对隔水层、石炭系～二叠系碎屑岩类承压水含水层、石炭系相对隔水层和奥陶系石灰岩承压水含水层；地下补给水源主要为大气降水及侧向地下水径流，其次是老窑积水和地表水体；潜水的迳流主要通过各大沟谷表流、强烈的蒸发、垂直入渗及人工开采等途径排泄；根据钻孔资料，地下水位埋深为13.50～37.62 m。

2 边坡稳定性影响因素及破坏模式

2.1 边坡稳定性的影响因素

影响边坡稳定性的因素包括内因和外因。内因包括边坡地形特征、地质构造，岩土体的性质及其结构、结构面的发育状况和地应力等，对边坡稳定性起主控作用；外因包括水的作用、工程荷载条件、地震和采矿工程活动等，对边坡稳定性起诱发破

坏作用。

2.2 边坡变形破坏模式

边坡的变形破坏是一个复杂的力学演变过程，其变形特点与边坡自身条件及相关影响因素有关，边坡的稳定性分析不能仅仅单纯的依靠相关计算软件而确定，需对边坡的自身情况及相关影响因素进行共同分析，确定边坡稳定状况。

该煤矿地层结构由上至下的岩性依次为表土层、粗砂岩、砂质泥岩、细砂岩、中砂岩、泥岩、角砾岩等。其中，下部岩体由细砂岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩等软岩组成，抗剪抗压强度较小。随着工程开挖不断进行，边坡岩体内应力重新分布，促使坡体变形发展和坡底处应力集中，最终可能导致边坡失稳。

该矿田位于鄂尔多斯高原西部边缘。当地为干旱的温带高原大陆性气候，阳光辐射强烈，气候干燥，降水量稀少，蒸发强烈。矿田内无常年地表径流，由于地形较为平坦，且地表多为第四系砂及砂土，大气降水均渗入地下。因含水层富水性较弱，对边坡的影响程度较小。但坡体随着矿山开采而暴露，如遇降雨入渗，水对泥岩夹层的软化作用导致抗剪程度降低，与重力共同作用将形成顺倾弱层，这一天然潜在滑移面对边坡稳定性极为不利。地表降水入渗可通过排水设施和进一步的水文孔勘探进行控制。

矿田区内及周边发育有2条北东向正断层。鉴于断层倾向与边坡面倾向不一致，呈67°夹角，故对坡体影响较小。

综上分析，荣兴西来峰的边坡变形破坏模式为沿煤层内泥岩软弱结构面的顺坡状缓慢滑移，即“滑移-弯曲变形”型破坏。

3 边坡稳定性分析评价

3.1 稳定性分析数值方法

岩石力学研究中常用的数值模拟方法有有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析法、离散元法和无界元法等。这些方法都各有其优缺点和适用条件。拉格朗日元

法作为一种有限差分法，为解决诸如矿山边坡稳定性分析等岩石力学工程问题，提供了一种有效的数值模拟方法和手段。不仅适用于处理大尺度、大变形工程地质问题，而且可以在初始模型中加入断裂、节理构造等地质因素。本项目采用国际著名的拉格朗日有限差分法FLAC3D软件，对荣兴西来峰露天矿边坡的稳定性及变形

演化规律进行模拟研究。研究分析的破坏准则采用传统的Mohr-Coulomb强度准则。

FLAC3D软件采用强度折减法计算安全系数。强度折减法中边坡安全系数为岩土

体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。计算要点是利用公式（1）和（2）调整岩土体的强度指标c和φ，其中Ftrial为折减系数，然后对边

坡进行数值分析，采用“二分法”搜索技术不断地增加折减系数，反复分析，直至其达到临界破坏，此时的折减系数即为安全系数。

相较于传统的极限平衡法等安全系数求取方法，有限差分法的强度折减法能够胜任复杂地貌、地质构造的边坡计算，考虑了岩土体的本构关系以及变形对应力的影响，能够模拟边坡的变形过程及滑移面形状。另外，该方法不需要事先假定滑移面的形状，也无需条分。

3.2 稳定性分析安全系数的要求

边坡稳定性分析评价中，应根据不同边帮位置和地层赋存特征，选取典型剖面，开展不同工况条件下边坡稳定性评价，得到安全系数，并最终确定各矿不同边坡不同区域的整体边坡角。对于计算结果不能满足设计规范的边坡，可通过合理的采矿调整和监测措施，确保安全系数达到规范要求。根据荣兴西来峰煤矿典型边帮剖面和边帮用途，并结合GB 50197—2005煤炭工业露天矿设计规范的规定，在采取必要控制措施的前提下，该煤矿边坡的安全系数选取不应小于1.2。

3.3 稳定性分析计算指标