肃北县吐鲁东露天煤矿采场北部边坡稳定性分析

樊宝辉

（兰州煤矿设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

露天矿边坡稳定性研究是深凹露天矿山生产与安全的重大难题之一。露天矿边坡稳定性研究工作经历了由表及里，由浅入深，由经验到理论，由定性到定量，由单一评价到综合评价，由传统理论方法到新理论、新技术应用的发展过程[1]。

露天矿边坡失稳成为影响、困扰矿山安全作业和顺利经营的重要问题。一般来说，帮坡角越大，开采时的剥岩量就越少，可以节省大量的资金，但同时边坡却会因此而加陡，导致稳定性减弱。肃北县吐鲁东露天煤矿是典型的凹陷露天矿，设计边坡最大高度为280 m，在设计阶段通过边坡勘察掌握边坡岩土体工程特性，从而进行边坡稳定性分析，选取经济合理的边坡设计参数是十分必要的。同时通过对采场北部边坡岩土体性质、构造及水文等影响边坡稳定性因素的分析，进而给出可靠的边坡设计参数，对吐鲁东露天煤矿安全生产具有重要意义。

1 岩土体物理力学性质

吐鲁东露天煤矿矿田地层大部分被第四系所覆盖，矿田南、东部盆地边缘出露有志留系下统勒巴泉群地层，根据钻探资料，矿田地层由老到新为：志留系下统勒巴泉群、白垩系下统老树窝群组及第四系。

1.1 采场边坡浅层岩土体物理力学性质

（1）第四系土体

第四系土体厚度0.40～11.41 m，平均2.59 m，主要为现代冲洪积砂砾石，次为少量的风积粉土。通过采样进行颗分试验，砂砾石结构松散、干燥、孔隙度大，属典型的散体结构，吸水能力强，区内透水不含水。强度弱，承载力小，稳定性极差。颗分试验结果见表1。

表1 颗分试验结果

根据颗分试验结果，按砂砾石一般工程统计结果，其天然重度取16.5 kN/m，内摩擦角取25°，黏聚力取10 kPa，进行边坡稳定性分析[2-4]。

（2）风化岩层

第四系土体之下为白垩系风化带，深度10.30～25.10 m，其中强风化带深度6.80～20.60 m。该组岩石被第四系堆积物覆盖前长期遭受风化剥蚀作用，表现为颜色变浅呈灰黄色，风化裂隙发育，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层，泥质含量增高，岩石力学强度降低。岩石力学强度降低幅度随岩性而异，砂岩抗压强度减少的幅度比泥岩要大得多，有的砂岩风化后成为松散状态。强风化带岩石天然状态下单轴抗压强度0.36 MPa，饱和单轴抗压强度0.04 MPa；弱风化带岩石天然状态下单轴抗压强度1.48 MPa，饱和单轴抗压强度0.14 MPa。岩石质量指标（RQD）为0%～30%，岩石质量极差，岩体为碎裂结构，属极软岩，稳定性差。

为简化计算，本次分析将风化岩层视为一组岩体，其天然重度取20.4 kN/m，内摩擦角取27°，黏聚力取50 kPa，进行边坡稳定性分析[5]。

1.2 采场边坡深部岩石物理力学性质

1.2.1 采场边坡深部岩组划分

吐鲁东露天煤矿采场范围内风化层之下的岩层划分为：白垩系泥岩组、砂岩组、砾岩组及煤岩，志留系变质岩和断层碎裂岩组。

（1）白垩系泥岩组

白垩系下统老树窝群上、中及下岩组中钻孔均揭露有各类泥岩，白垩系下统老树窝群上岩组是泥岩主要赋存地段，其岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，白垩系下统老树窝群中岩组普遍含有菱铁质结核及菱铁质泥岩薄层，厚度6.60～299.55 m，控制平均厚度99.16 m。粉砂质泥岩和泥岩呈薄层状-巨厚层状，含有较高的黏土矿物和有机质，岩石多发育水平层理、小型交错层理和滑面等结构面，由于泥岩类岩石黏土矿物亲水性强，遇水软化并发生膨胀崩解，降低了岩石强度和稳定性，水稳定性较砂岩类差，一般新鲜岩石水稳定性比已遭受风化的岩石水稳定性高得多。RQD 值30%～100%，一般为76%，岩石质量好，岩体完整性差。

（2）白垩系砂岩组

白垩系下统老树窝群中岩组是砂岩的主要赋存地段，厚度6.70～194.85 m，平均厚度98.37 m，主要岩性为灰色粉砂岩、砂岩，深灰色、灰黑色泥岩，该组普遍含有菱铁质结核及菱铁质泥岩薄层。该组细砂岩和中粗砂岩一般胶结差，多为极软岩，有的呈松散状，泥岩含有较高的黏土矿物和有机质，遇水软化并发生膨胀崩解，强度降低。RQD 值20%～100%，一般为71%，岩石质量中等，岩体完整性破碎。

（3）白垩系砾岩组

白垩系下统老树窝群下岩组是砾岩的主要赋存地段，为一套粗粒碎屑沉积，厚度0.90～133.00 m，一般厚度15.46 m，主要岩性为灰绿色细砾岩间夹薄层泥岩，层位稳定。细砾岩呈中厚层-巨厚层状，泥质胶结为主，岩芯较完整，局部破碎，该组细砾岩一般胶结差；泥岩以灰绿色为主，局部色杂，该段泥岩一般多滑面，含有较高的黏土矿物，遇水软化并发生膨胀崩解，强度降低。本组岩石RQD 值13%～90%，一般为68%，岩石质量中等，岩体完整性破碎。

（4）白垩系煤岩

由可采煤层组成，分别为煤1 和煤2，发育于白垩系老树窝群中岩组，煤层厚度1.87～17.08 m，一般厚度8.35 m。煤层性脆易破碎，易风化，属极软-较软岩，稳定性较差。

（5）志留系变质岩

志留系变质岩位于白垩系下统老树窝群下岩组以下，据区域资料志留系下统勒巴泉群变质岩厚度大于3 807 m，风化带之下该类岩石致密、坚硬，在外力作用下不易碎裂，RQD 值10%～96%，一般为79%，岩石质量好，该岩组厚度大，风化带之下岩石质地致密、坚硬，稳定性好。

（6）断层碎裂岩组

区内存在F10、F5、F9 等9 条正断层，断层面岩石破坏成碎石或粉状。断层破碎带中岩石具滑动面，带中节理、劈理密集，岩石破碎，是岩体中工程地质特性最坏的部位。白垩系层段内断层破碎带具显著的塑性特征，基础的压缩沉降、边坡的塑性挤出、坍塌滑移、鼓胀无不产生，属极软岩类，稳定性差。

1.2.2 岩石物理力学试验参数

（1）白垩系泥岩组物理力学试验及数值

经统计，天然状态下泥岩组密度平均值2.16 t/m3，单轴抗压强度标准值6.13 MPa，黏聚力标准值为410 kPa，内摩擦角标准值33.32°；饱和状态下，泥岩单轴抗压强度2.11 MPa，黏聚力标准值为110 kPa，内摩擦角标准值35.53°。

（2）白垩系砂岩组物理力学试验及参数

经统计，天然状态下砂岩密度平均值2.13 t/m3，单轴抗压强度标准值6.33 MPa，黏聚力标准值为420 kPa，内摩擦角标准值34.51°；饱和状态下，泥岩单轴抗压强度4.75 MPa，黏聚力标准值为120 kPa，内摩擦角标准值36.42°。

（3）白垩系砾岩组物理力学试验及参数

经统计，天然状态下砂岩密度平均值2.22 t/m3，单轴抗压强度标准值10.38 MPa，黏聚力标准值为370 kPa，内摩擦角标准值35.41°；饱和状态下，泥岩单轴抗压强度5.71 MPa，黏聚力标准值为180 kPa，内摩擦角标准值36.92°。

（4）坚硬岩组（志留系石英片岩）

本次分析计算参数按经验取值：饱和状态下容重2.4 t/m3，抗剪指标c=420 kPa，φ=38.51°。

（5）煤岩物理力学试验及参数

经统计，天然状态下煤岩密度1.35 t/m3，单轴抗压强度17.6 MPa，黏聚力为210 kPa，内摩擦角28.74°；饱和状态下，煤岩单轴抗压强度3.36 MPa，黏聚力为150 kPa，内摩擦角29.36°。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定影响因素分析

（1）地质构造因素

地质构造是造成滑坡的根本因素。矿田位于吐鲁-驼马滩盆地的南部，总体形态为一向西倾伏的宽缓向斜构造，区内发育断层11 条（分别为DF10、DF5、DF9、df1、df2、df3、df4、df5、df6、df7、df8），其中：DF10、DF5断层断距较大延展较长，是影响边坡稳定的主要因素之一。采用赤平极射投影法分析可知：采掘场内发育的断层与坡体平行或斜交，未在坡体处形成滑坡楔形体，断层对边坡稳定的影响表现在对岩体的切割，使断层所在区域的岩体完整性变差，力学强度变低，从而降低边坡稳定性。

（2）水的影响因素

地下水对边坡稳定的影响主要表现在以下几个方面：

水压力：地下水在孔隙、裂隙中流动时，施加于所流经的岩石颗粒上的压力称为动水压力，亦称为渗透压力，动水压力推动岩体向下滑动。

潜蚀作用：当动水压力较大时，岩石颗粒和岩体的可溶解成分会被地下水流带走，使岩体内聚力和摩擦力减小而失去平衡进而产生滑坡。

软化作用：第四系水软化与其不整合接触的泥砾岩强度，形成软弱层，促使滑坡的形成。

冻结作用：水冻结后产生膨胀作用；边坡表面冻结，像堤坝一样迫使地下水面不断上升，水压不断增高，降低了边坡稳定性。

冬季封冻后地下水的排泄受阻，边坡内的地下水升高，使地下水压增大，到解冻之前地下水位升至最高，此时水压最大是开化季节发生滑坡的原因之一。

据吐鲁东露天煤矿采场2～8 和5～9 两个长观孔2022年4月20日至6月22日水位观测数据，2～8孔4月20日静止水位埋深14.23 m，至6月22日水位埋深至12.12 m，水位变幅+2.11 m；5～9孔5月17日静止水位埋深18.52 m，至6月22日水位埋深至16.81 m，水位变幅+1.71 m。由此可知，吐鲁东露天煤矿采场静水位埋深在12.12～18.52 m，开采后可按大井法估算开采影响范围为约距地表境界250 m范围内，本次分析按影响范围预测静水位线。

（3）地震力影响因素

地震引起边坡破坏的原因分为2 方面：一是地震荷载诱发超静孔隙水压的增大、有效应力降低；二是地震惯性力的作用增大土压力，改变了岩土的应力状态。从地震力对边坡的破坏机理来看，可简化为垂直向地震力和水平地震力破坏，一般情况下垂直地震力对边坡稳定影响较小，水平地震力对边坡稳定影响较大。

根据《中国地震烈度区划图》，吐鲁东露天煤矿所在区域抗震设防烈度为7 度，设计基本水平地震加速度值为0.20 g。本次分析首先通过对天然工况边坡稳定性的分析计算，然后结合地震力影响因素，再按确定的最终帮坡角采用2 种方法验算地震工况下边坡的稳定性。

2.2 采场边坡稳定性分析

（1）天然工况边坡稳定性分析计算

本次边坡稳定性分析选择采场北部边坡进行分析，采场北部边坡设计最低开采标高1 660 m，最大边坡高度H为254 m，坡向与岩层走向垂直，该区无大的断裂构造发育，岩体整体完整性较好。本次分析选取最高边坡处地质剖面作为计算剖面，分别按最终帮坡角为30°、31°、32°、33°及34°计算边坡稳定性系数。

经定性判断，该区边坡破坏模式为复合型破坏，计算方法选用摩根-普莱斯法和斯宾塞法，2 种方法计算结果最大误差在10%以内，结果可靠，本次分析取斯宾塞法计算结果。

经计算，当H=254 m，最终帮坡角为30°时，稳定性系数为1.387＞1.3；当H=254 m，最终帮坡角为31°时，稳定性系数为1.380＞1.3；当H=254 m，最终帮坡角为32°时，稳定性系数为1.329＞1.3；当H=254 m，最终帮坡角为33°时，稳定性系数为1.301＞1.3；当H=254 m，最终帮坡角为34°时，稳定性系数为1.224＜1.3。按边坡工程等级及服务年限确定边坡安全系数为1.3，故采场北部边坡合理的最终帮坡角为33°。

采场北部边坡合理的最终帮坡角为33°时计算结果如图1 所示，最终帮坡角与稳定性系数的关系如图2所示。

图2 采场北部边坡最终帮坡角与稳定性系数关系图

（2）地震工况边坡稳定性验算

通过对天然工况边坡的设计计算，采场北部边坡合理的最终帮坡角为33°，现按采场北部边坡确定的最终帮坡角采用2种方法验算地震工况下北部边坡的稳定性。经计算在地震作用下稳定性系数大于1.05，边坡处于基本稳定状态，天然工况下确定的边坡参数是合理的，如图3所示。

图3 采场北部边坡地震工况稳定性分析计算图（斯宾塞法）

（3）地下水对采场边坡稳定性影响程度分析

为分析地下水对采场边坡稳定性影响程度，选取采场北部边坡典型剖面计算考虑地下水的边坡稳定性系数和不考虑地下水的边坡稳定性系数。经计算，考虑地下水的边坡稳定性系数为1.301，不考虑地下水的边坡稳定性系数为1.652，地下水对边坡稳定性影响较大，稳定性系数降低约21%。

3 结语

吐鲁东露天煤矿采场北部边坡稳定性分析综合考虑岩石强度、RQD、结构面条件、地下水及工程条件等因素，采场范围内岩体完整性属极破碎-较完整，除志留系变质岩外其余岩石坚硬程度属极软岩-软岩，地下水含水层富水性强，存在承压水。采场北部边坡稳定性分析选用摩根-普莱斯法和斯宾塞法2 种计算方法，在天然工况下分别按不同的帮坡角计算了边坡稳定性系数，推荐采场北部边坡合理的最终帮坡角为33°。同时对推荐的最终帮坡角采用2 种方法验算了在地震工况下、地下水影响情况下边坡的稳定性。经验算在地震工况下、地下水影响情况下边坡处于基本稳定状态，但地下水对边坡稳定性影响较大（地下水导致边坡稳定性系数降低约21%）。究其原因，是由于组成边坡的岩体软化系数均小于0.75，属易软化岩石，对水的敏感程度极高；同时，砂岩透水性强且存在承压水，开采时在坡体内会产生渗流。为保证安全生产，生产时必须将疏干排水工作作为安全生产的首要任务，并设立水文观测孔，动态监测地下水位变化情况，必要时采取疏干措施，降低渗流边界水头高度，最大限度减轻地下水对边坡稳定性的影响。