露天煤矿采掘场边坡稳定性分析魏宏伟

魏宏伟

摘要：露天煤矿是否能够持续生产、机械设备能否正常运转、周边的工作人员人身安全能否得到保障与露天煤矿采掘场边坡是否稳定息息相关。根据采掘场边坡的实际情况以及矿山的工程地质特征，能否针对性的提出边坡稳定性的控制措施，科学的提出稳定性评价是每位从事矿业工程领域的技术与科研人员势在必行的任务。本文主要对露天煤矿采掘场边坡稳定进行分析。

关键词：采场；排土场；边坡；稳定性

1.工程概况

1.1矿田位于新疆西黑山矿区东南部，红沙泉向斜轴方向转变部位的北西翼。总体呈一向南东缓倾的单斜构造。产状平缓，倾角一般多在3-5°间，南中部（ZK406、ZK407之间），即接近红沙泉向斜轴方向转变部位，局部较陡地段倾角可达20°左右，区内未发现断层，矿田构造复杂程度为简单型。

2.矿山地质条件分析

2.1查明露天矿内西山窑组地层是区内主要含煤岩组；严格控制了首采区煤层露头的顶底界面及煤层露头被剥蚀后的形态了；详细查明了各煤层的夹矸层数、厚度、岩性；详细查明了可采煤层的煤类、煤质特征及其首采区范围内的变化。露天矿内控制全区可采—局部可采煤层6层，自下而上编号为：B2、B3、B4、B5、B6、B7，其中B2全区可采煤层，B3、B4、B5、B7为大部分可采煤层，B6为局部可采煤层。6层煤全层平均总厚50.68m，平均纯煤总厚50.04m。可采煤层以31号不粘煤为主体，个别点为41号长焰煤，具有特低—低灰、特低硫—低硫、低磷、高热值、含油，大多气化指标较好，具有高、中等易碎等特点，是良好的工业动力发电、民用煤，也可作为气化用煤。

2.2详细查明了矿田露天开采煤层顶板以上各含水层，以及煤层底板以下的直接充水含水层的分布、厚度及水文地质特征。矿田水文地质条件简单，赋煤底层以裂隙含水层为主，含水层富水性弱，区内无地表水体和常年地表径流，补给条件较差，透水性差。确定矿田水文地质勘查类型为二类一型。

2.3详细查明了露天边坡各岩层的岩性、厚度、物理力学性质及水理性质，详细查明软弱夹层的层位、厚度、分布及其物理力学特征，评价影响边坡稳定性的主要地质因素，详细查明露天剥离物的岩性、厚度、分布及其物理力学性质，确定矿床为层状岩类，工程地质条件等情况，岩质边坡类型为二类一型。

3.影响边坡稳定的地质因素

3.1岩石性质。

岩石性质是顶底板及围岩变形的重要影响因素，矿田内炭质泥岩、泥岩多数较松软，判定为塑性软岩。细砂岩、泥质胶结粉砂岩、粘结力不高，抗压强度也比较低。钙质胶结的粉砂岩、细砂岩容易被水溶解，强度也较低，粗砂岩、中砂岩、砂砾岩颗粒成份一般比较坚硬，而且质地坚硬的一般成层较薄，当成层较厚的就会成为很好的工程地质岩体。

3.2地质构造。

矿田位于西山窑向斜北翼，含煤层倾角3-5°，区内主压应力为来侧向的顺层挤压力，相对重力作用较弱。

3.3地下水。

地下水往往会对软质的泥岩、粉砂岩起软化和泥化作用，从而导致发生塑性变形。

3.4岩体结构面。

泥质胶结的细粒相，它们的层理面就是岩体中的结构面，这些局部地段岩性往往变化频繁，再加上脆性岩层中发育的早期和晚期的节理，纵张节理等构造面，会导致岩体的完整性遭受破坏，最终引发剪切滑移、松动、脱落等变形和破坏。

4.露天煤矿采掘场边坡稳定性分析

4.1定性分析法

4.1.1边坡工程类比法及分析数据库和专家系统

边坡工程类比法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的一种方法。通过这些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践中，既可以进行自然边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然边坡和人工边坡之间进行类比。可以说它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法。

边坡工程分析数据库和专家系统就是在边坡工程类比法的基础上收集已有的多个自然斜坡、人工边坡实例的计算机软件。它按照一定的格式，把各个边坡实例的发育地点、地质特征（工程地质图、钻孔柱状图、岩土力学参数等）、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计，以及边坡的坡形、坡高、坡角等收录进来，并有机地组织在一起。

边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。它把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来，建成一个边坡工程知识库，结合相关学科不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对象（边坡）进行稳定性评价。

4.1.2图解法

（1）投影图法

该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土形态及其滑动方向等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。

（2）诺模图法

该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及一些参数来反分析其它参数（φ、C、结构面倾角、坡角、坡高等）的方法。

4.1.3SMR法

SMR法是Roman.M在RMR岩体质量评价方法的基础上，综合考虑边坡工程中不连续面产状与坡面间的组合关系，提出了边坡岩体质量计算公式。利用SMR方法来评价边坡岩体质量的稳定性，方便快捷，且能够综合反映各种因素对边坡稳定性的影响。但该方法存在一些不足，如它没能考虑边坡坡高等因素，对大型的岩质边坡的整体稳定性的状况还不能够作出有效的分析。

4.2定量分析法

该法是采用土力学、岩体力学及理论力学的理论与方法，基于经典的数学物理方程与计算机技术求解边坡稳定安全系数、计算滑坡结构体内的应力应变关系分析边坡稳定性。

4.2.1有限差分法和有限体积法

FDM是一种传统的数值分析法，其基本思想就是用差分网格离散求解域，用差分公式将问题的控制方程转化为差分方程，然后结合初始及边界条件，求解线性代数方程组。FVM是最流行数值分析法，它广泛用于岩土问题中，如边坡稳定性，地下工程开挖、水-应力耦合或者热-水-应力耦合，岩体特性等。它类似于有限元法，是有限差分法与有限元法的桥梁。但二者不足的地方就是大部分模型都不宜处理破碎、复杂边界条件和材料的不均匀性的问题。

4.2.2有限元法

其基本思想就是视岩体为连续力学介质，通过离散化，建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程，对工程问题进行应力与变形分析。其突出优点是适用性强；计算滑动面上应力较真实；可考虑边坡岩体非线性、非均质和复杂边界等问题；可得出边坡应力应变场和位移场；可避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点；能直观地模拟边坡变形破坏过程；通过对大量方案的比较分析，可迅速得出计算结果，便于方案优化。其不足之处是：数据准备工作量大且计算繁复、计算效率低、计算结果不收敛，原始数据易出错，不能保证某些物理量在整个区域内的连续性。目前用于边坡稳定性分析的有限元通常用有限元圆弧搜索法和强度折减有限元法。

结语

在露天矿的生产中，边坡失稳、破坏往往贯穿于露天矿开采的始终，边坡如果发生意外滑坡现象，不仅可能导致矿山全面停产、运输线路改造等巨大的经济损失，而且会严重威胁地表建筑和相关施工人员与设备的安全。

参考文献：

[1]石建勋，刘新荣，廖绍波，等.矿区排土场堆载对边坡稳定性影响的分析[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：258-261.