肅北縣吐魯東露天煤礦采場北部邊坡穩定性分析

樊寶輝

（蘭州煤礦設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

露天礦邊坡穩定性研究是深凹露天礦山生產與安全的重大難題之一。露天礦邊坡穩定性研究工作經歷了由表及里，由淺入深，由經驗到理論，由定性到定量，由單一評價到綜合評價，由傳統理論方法到新理論、新技術應用的發展過程[1]。

露天礦邊坡失穩成為影響、困擾礦山安全作業和順利經營的重要問題。一般來說，幫坡角越大，開采時的剝巖量就越少，可以節省大量的資金，但同時邊坡卻會因此而加陡，導致穩定性減弱。肅北縣吐魯東露天煤礦是典型的凹陷露天礦，設計邊坡最大高度為280 m，在設計階段通過邊坡勘察掌握邊坡巖土體工程特性，從而進行邊坡穩定性分析，選取經濟合理的邊坡設計參數是十分必要的。同時通過對采場北部邊坡巖土體性質、構造及水文等影響邊坡穩定性因素的分析，進而給出可靠的邊坡設計參數，對吐魯東露天煤礦安全生產具有重要意義。

1 巖土體物理力學性質

吐魯東露天煤礦礦田地層大部分被第四系所覆蓋，礦田南、東部盆地邊緣出露有志留系下統勒巴泉群地層，根據鉆探資料，礦田地層由老到新為：志留系下統勒巴泉群、白堊系下統老樹窩群組及第四系。

1.1 采場邊坡淺層巖土體物理力學性質

（1）第四系土體

第四系土體厚度0.40～11.41 m，平均2.59 m，主要為現代沖洪積砂礫石，次為少量的風積粉土。通過采樣進行顆分試驗，砂礫石結構松散、干燥、孔隙度大，屬典型的散體結構，吸水能力強，區內透水不含水。強度弱，承載力小，穩定性極差。顆分試驗結果見表1。

表1 顆分試驗結果

根據顆分試驗結果，按砂礫石一般工程統計結果，其天然重度取16.5 kN/m，內摩擦角取25°，黏聚力取10 kPa，進行邊坡穩定性分析[2-4]。

（2）風化巖層

第四系土體之下為白堊系風化帶，深度10.30～25.10 m，其中強風化帶深度6.80～20.60 m。該組巖石被第四系堆積物覆蓋前長期遭受風化剝蝕作用，表現為顏色變淺呈灰黃色，風化裂隙發育，裂隙面出現風化礦物或存在風化夾層，泥質含量增高，巖石力學強度降低。巖石力學強度降低幅度隨巖性而異，砂巖抗壓強度減少的幅度比泥巖要大得多，有的砂巖風化后成為松散狀態。強風化帶巖石天然狀態下單軸抗壓強度0.36 MPa，飽和單軸抗壓強度0.04 MPa；弱風化帶巖石天然狀態下單軸抗壓強度1.48 MPa，飽和單軸抗壓強度0.14 MPa。巖石質量指標（RQD）為0%～30%，巖石質量極差，巖體為碎裂結構，屬極軟巖，穩定性差。

為簡化計算，本次分析將風化巖層視為一組巖體，其天然重度取20.4 kN/m，內摩擦角取27°，黏聚力取50 kPa，進行邊坡穩定性分析[5]。

1.2 采場邊坡深部巖石物理力學性質

1.2.1 采場邊坡深部巖組劃分

吐魯東露天煤礦采場范圍內風化層之下的巖層劃分為：白堊系泥巖組、砂巖組、礫巖組及煤巖，志留系變質巖和斷層碎裂巖組。

（1）白堊系泥巖組

白堊系下統老樹窩群上、中及下巖組中鉆孔均揭露有各類泥巖，白堊系下統老樹窩群上巖組是泥巖主要賦存地段，其巖性以泥巖、粉砂質泥巖為主，白堊系下統老樹窩群中巖組普遍含有菱鐵質結核及菱鐵質泥巖薄層，厚度6.60～299.55 m，控制平均厚度99.16 m。粉砂質泥巖和泥巖呈薄層狀-巨厚層狀，含有較高的黏土礦物和有機質，巖石多發育水平層理、小型交錯層理和滑面等結構面，由于泥巖類巖石黏土礦物親水性強，遇水軟化并發生膨脹崩解，降低了巖石強度和穩定性，水穩定性較砂巖類差，一般新鮮巖石水穩定性比已遭受風化的巖石水穩定性高得多。RQD 值30%～100%，一般為76%，巖石質量好，巖體完整性差。

（2）白堊系砂巖組

白堊系下統老樹窩群中巖組是砂巖的主要賦存地段，厚度6.70～194.85 m，平均厚度98.37 m，主要巖性為灰色粉砂巖、砂巖，深灰色、灰黑色泥巖，該組普遍含有菱鐵質結核及菱鐵質泥巖薄層。該組細砂巖和中粗砂巖一般膠結差，多為極軟巖，有的呈松散狀，泥巖含有較高的黏土礦物和有機質，遇水軟化并發生膨脹崩解，強度降低。RQD 值20%～100%，一般為71%，巖石質量中等，巖體完整性破碎。

（3）白堊系礫巖組

白堊系下統老樹窩群下巖組是礫巖的主要賦存地段，為一套粗粒碎屑沉積，厚度0.90～133.00 m，一般厚度15.46 m，主要巖性為灰綠色細礫巖間夾薄層泥巖，層位穩定。細礫巖呈中厚層-巨厚層狀，泥質膠結為主，巖芯較完整，局部破碎，該組細礫巖一般膠結差；泥巖以灰綠色為主，局部色雜，該段泥巖一般多滑面，含有較高的黏土礦物，遇水軟化并發生膨脹崩解，強度降低。本組巖石RQD 值13%～90%，一般為68%，巖石質量中等，巖體完整性破碎。

（4）白堊系煤巖

由可采煤層組成，分別為煤1 和煤2，發育于白堊系老樹窩群中巖組，煤層厚度1.87～17.08 m，一般厚度8.35 m。煤層性脆易破碎，易風化，屬極軟-較軟巖，穩定性較差。

（5）志留系變質巖

志留系變質巖位于白堊系下統老樹窩群下巖組以下，據區域資料志留系下統勒巴泉群變質巖厚度大于3 807 m，風化帶之下該類巖石致密、堅硬，在外力作用下不易碎裂，RQD 值10%～96%，一般為79%，巖石質量好，該巖組厚度大，風化帶之下巖石質地致密、堅硬，穩定性好。

（6）斷層碎裂巖組

區內存在F10、F5、F9 等9 條正斷層，斷層面巖石破壞成碎石或粉狀。斷層破碎帶中巖石具滑動面，帶中節理、劈理密集，巖石破碎，是巖體中工程地質特性最壞的部位。白堊系層段內斷層破碎帶具顯著的塑性特征，基礎的壓縮沉降、邊坡的塑性擠出、坍塌滑移、鼓脹無不產生，屬極軟巖類，穩定性差。

1.2.2 巖石物理力學試驗參數

（1）白堊系泥巖組物理力學試驗及數值

經統計，天然狀態下泥巖組密度平均值2.16 t/m3，單軸抗壓強度標準值6.13 MPa，黏聚力標準值為410 kPa，內摩擦角標準值33.32°；飽和狀態下，泥巖單軸抗壓強度2.11 MPa，黏聚力標準值為110 kPa，內摩擦角標準值35.53°。

（2）白堊系砂巖組物理力學試驗及參數

經統計，天然狀態下砂巖密度平均值2.13 t/m3，單軸抗壓強度標準值6.33 MPa，黏聚力標準值為420 kPa，內摩擦角標準值34.51°；飽和狀態下，泥巖單軸抗壓強度4.75 MPa，黏聚力標準值為120 kPa，內摩擦角標準值36.42°。

（3）白堊系礫巖組物理力學試驗及參數

經統計，天然狀態下砂巖密度平均值2.22 t/m3，單軸抗壓強度標準值10.38 MPa，黏聚力標準值為370 kPa，內摩擦角標準值35.41°；飽和狀態下，泥巖單軸抗壓強度5.71 MPa，黏聚力標準值為180 kPa，內摩擦角標準值36.92°。

（4）堅硬巖組（志留系石英片巖）

本次分析計算參數按經驗取值：飽和狀態下容重2.4 t/m3，抗剪指標c=420 kPa，φ=38.51°。

（5）煤巖物理力學試驗及參數

經統計，天然狀態下煤巖密度1.35 t/m3，單軸抗壓強度17.6 MPa，黏聚力為210 kPa，內摩擦角28.74°；飽和狀態下，煤巖單軸抗壓強度3.36 MPa，黏聚力為150 kPa，內摩擦角29.36°。

2 邊坡穩定性分析

2.1 邊坡穩定影響因素分析

（1）地質構造因素

地質構造是造成滑坡的根本因素。礦田位于吐魯-駝馬灘盆地的南部，總體形態為一向西傾伏的寬緩向斜構造，區內發育斷層11 條（分別為DF10、DF5、DF9、df1、df2、df3、df4、df5、df6、df7、df8），其中：DF10、DF5斷層斷距較大延展較長，是影響邊坡穩定的主要因素之一。采用赤平極射投影法分析可知：采掘場內發育的斷層與坡體平行或斜交，未在坡體處形成滑坡楔形體，斷層對邊坡穩定的影響表現在對巖體的切割，使斷層所在區域的巖體完整性變差，力學強度變低，從而降低邊坡穩定性。

（2）水的影響因素

地下水對邊坡穩定的影響主要表現在以下幾個方面：

水壓力：地下水在孔隙、裂隙中流動時，施加于所流經的巖石顆粒上的壓力稱為動水壓力，亦稱為滲透壓力，動水壓力推動巖體向下滑動。

潛蝕作用：當動水壓力較大時，巖石顆粒和巖體的可溶解成分會被地下水流帶走，使巖體內聚力和摩擦力減小而失去平衡進而產生滑坡。

軟化作用：第四系水軟化與其不整合接觸的泥礫巖強度，形成軟弱層，促使滑坡的形成。

凍結作用：水凍結后產生膨脹作用；邊坡表面凍結，像堤壩一樣迫使地下水面不斷上升，水壓不斷增高，降低了邊坡穩定性。

冬季封凍后地下水的排泄受阻，邊坡內的地下水升高，使地下水壓增大，到解凍之前地下水位升至最高，此時水壓最大是開化季節發生滑坡的原因之一。

據吐魯東露天煤礦采場2～8 和5～9 兩個長觀孔2022年4月20日至6月22日水位觀測數據，2～8孔4月20日靜止水位埋深14.23 m，至6月22日水位埋深至12.12 m，水位變幅+2.11 m；5～9孔5月17日靜止水位埋深18.52 m，至6月22日水位埋深至16.81 m，水位變幅+1.71 m。由此可知，吐魯東露天煤礦采場靜水位埋深在12.12～18.52 m，開采后可按大井法估算開采影響范圍為約距地表境界250 m范圍內，本次分析按影響范圍預測靜水位線。

（3）地震力影響因素

地震引起邊坡破壞的原因分為2 方面：一是地震荷載誘發超靜孔隙水壓的增大、有效應力降低；二是地震慣性力的作用增大土壓力，改變了巖土的應力狀態。從地震力對邊坡的破壞機理來看，可簡化為垂直向地震力和水平地震力破壞，一般情況下垂直地震力對邊坡穩定影響較小，水平地震力對邊坡穩定影響較大。

根據《中國地震烈度區劃圖》，吐魯東露天煤礦所在區域抗震設防烈度為7 度，設計基本水平地震加速度值為0.20 g。本次分析首先通過對天然工況邊坡穩定性的分析計算，然后結合地震力影響因素，再按確定的最終幫坡角采用2 種方法驗算地震工況下邊坡的穩定性。

2.2 采場邊坡穩定性分析

（1）天然工況邊坡穩定性分析計算

本次邊坡穩定性分析選擇采場北部邊坡進行分析，采場北部邊坡設計最低開采標高1 660 m，最大邊坡高度H為254 m，坡向與巖層走向垂直，該區無大的斷裂構造發育，巖體整體完整性較好。本次分析選取最高邊坡處地質剖面作為計算剖面，分別按最終幫坡角為30°、31°、32°、33°及34°計算邊坡穩定性系數。

經定性判斷，該區邊坡破壞模式為復合型破壞，計算方法選用摩根-普萊斯法和斯賓塞法，2 種方法計算結果最大誤差在10%以內，結果可靠，本次分析取斯賓塞法計算結果。

經計算，當H=254 m，最終幫坡角為30°時，穩定性系數為1.387＞1.3；當H=254 m，最終幫坡角為31°時，穩定性系數為1.380＞1.3；當H=254 m，最終幫坡角為32°時，穩定性系數為1.329＞1.3；當H=254 m，最終幫坡角為33°時，穩定性系數為1.301＞1.3；當H=254 m，最終幫坡角為34°時，穩定性系數為1.224＜1.3。按邊坡工程等級及服務年限確定邊坡安全系數為1.3，故采場北部邊坡合理的最終幫坡角為33°。

采場北部邊坡合理的最終幫坡角為33°時計算結果如圖1 所示，最終幫坡角與穩定性系數的關系如圖2所示。

圖2 采場北部邊坡最終幫坡角與穩定性系數關系圖

（2）地震工況邊坡穩定性驗算

通過對天然工況邊坡的設計計算，采場北部邊坡合理的最終幫坡角為33°，現按采場北部邊坡確定的最終幫坡角采用2種方法驗算地震工況下北部邊坡的穩定性。經計算在地震作用下穩定性系數大于1.05，邊坡處于基本穩定狀態，天然工況下確定的邊坡參數是合理的，如圖3所示。

圖3 采場北部邊坡地震工況穩定性分析計算圖（斯賓塞法）

（3）地下水對采場邊坡穩定性影響程度分析

為分析地下水對采場邊坡穩定性影響程度，選取采場北部邊坡典型剖面計算考慮地下水的邊坡穩定性系數和不考慮地下水的邊坡穩定性系數。經計算，考慮地下水的邊坡穩定性系數為1.301，不考慮地下水的邊坡穩定性系數為1.652，地下水對邊坡穩定性影響較大，穩定性系數降低約21%。

3 結語

吐魯東露天煤礦采場北部邊坡穩定性分析綜合考慮巖石強度、RQD、結構面條件、地下水及工程條件等因素，采場范圍內巖體完整性屬極破碎-較完整，除志留系變質巖外其余巖石堅硬程度屬極軟巖-軟巖，地下水含水層富水性強，存在承壓水。采場北部邊坡穩定性分析選用摩根-普萊斯法和斯賓塞法2 種計算方法，在天然工況下分別按不同的幫坡角計算了邊坡穩定性系數，推薦采場北部邊坡合理的最終幫坡角為33°。同時對推薦的最終幫坡角采用2 種方法驗算了在地震工況下、地下水影響情況下邊坡的穩定性。經驗算在地震工況下、地下水影響情況下邊坡處于基本穩定狀態，但地下水對邊坡穩定性影響較大（地下水導致邊坡穩定性系數降低約21%）。究其原因，是由于組成邊坡的巖體軟化系數均小于0.75，屬易軟化巖石，對水的敏感程度極高；同時，砂巖透水性強且存在承壓水，開采時在坡體內會產生滲流。為保證安全生產，生產時必須將疏干排水工作作為安全生產的首要任務，并設立水文觀測孔，動態監測地下水位變化情況，必要時采取疏干措施，降低滲流邊界水頭高度，最大限度減輕地下水對邊坡穩定性的影響。