采掘场及排土场边坡稳定.docx

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采掘场及排土场边坡稳定

山西交口永兴煤业有限公司露天煤矿

边坡工程精细化管理措施及制度

采

掘

场

及

排

土

场

边

坡

稳

定

第一节矿田工程地质条件

一、地层

矿田地表大部被第四系中上更新统（Q2+3）所覆盖。

本次钻孔揭露，矿田地层由老至新如下：

（一）奥陶系中统峰峰组（O2f）

钻孔揭露奥陶系地层上部岩性主要为深灰色石灰岩，块状，致密坚硬，巨厚层状构造，具裂隙，局部有破碎，裂隙充填方解石。

厚度大于100m。

（二）石炭系中统本溪组（C2b）

奥陶系中统峰峰组石灰岩顶面至K1石英砂岩底，矿田内钻孔揭露厚度在14.50-25.50m，平均19.06m，矿田西部沟谷中零星出露。

岩性主要为浅灰色-深灰色粉砂岩、深灰色泥岩、2-3层深灰色石灰岩及中粒砂岩，底部泥岩中含黄铁矿。

（三）石炭系上统太原组（C3t）

为矿田内含煤地层，西部、中南部及东南部沟谷中出露，除ZK5、ZK11号钻孔揭露全外，其余均被不同程度剥蚀。

岩性由深灰色砂质泥岩、深灰色泥岩、浅灰色中细粒砂岩、浅灰色细粒砂岩、浅灰色铝质泥岩、2-4层深灰色石灰岩及煤层组成。

石灰岩块状结构，性脆，坚硬，具裂隙，裂隙中常充填方解石，厚度2-8m。

含9+10、11号煤层，稳定全区可采。

底部K1砂岩，厚度1.00-7.00m，局部相变为砂质泥岩、泥岩，以K1为标志层与下伏本溪组地层整合接触。

本组厚度87.20-90.50m，平均88.89m。

（四）山西组（P1s）

矿田内除ZK5、ZK11号钻孔揭露本组地层外，矿田大部被剥蚀。

残留厚度27.70m。

岩性为浅灰色粉砂岩、浅灰色细砂岩、灰色-深色灰色泥岩，未见煤层。

底部为K7砂岩，钻孔揭露厚度3.50-4.00m。

以K7砂岩为标志层与下伏太原组地层整合接触。

（五）第四系中、上更新统（Q2+3）

矿田广泛分布，厚度一般0-30m，岩性为灰黄色粘土，含砂质，顶部常为杂色。

二、构造

本矿田地质构造为一组宽缓褶曲组合构造，以北部背斜为主体，东南部为2个小背斜。

北部主体背斜（S1）轴向近东西，向东倾伏；东南部2个背斜（S2、S3）轴部近南北，西边背斜（S2）封闭，东边背斜（S3）向北倾伏。

矿田地层倾角平缓，一般3°-5°，矿田东北部倾角最大为8°。

三、水文地质

（一）地表水

本区属黄河流域汾河水系，矿田内没有常年性地表水体，西部、中南部较大沟谷，雨季山坡水汇集沟谷中流泄。

矿田上游亦无常年性河流，但雨季地表水汇聚沟谷沿沟会流向矿田内，增加矿田采掘场汇水量。

（二）含水层

1、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层

仅在矿田西部深沟中零星出露，区域资料表明该含水层富水性强，其上部峰峰组厚100m左右，岩性以灰岩为主，夹泥灰岩、白云质灰岩。

钻孔揭露裂隙较发育，局部有破碎带，据区域资料显示，含水层富水性强。

2008年11月山西省第二地质工程勘查院在矿田西南为交口县兴荣冶炼有限公司施工一供水井，井口标高为1390m，井深600m，终井深度为马家沟组地层，抽水试验结果：

静止水位埋深337m，水位标高为1053m，涌水量2000m3/d。

水质化验结果：

矿化度为821.11mg/L，PH值为7.66,总硬度为662.15mg/L，水质类型为SO4·HCO3-Ca型。

矿田奥灰水位1052.50-1053.50m。

2、石炭系石灰岩岩溶裂隙含水层

K2石灰岩多为9+10号煤层间直接顶板，厚度一般6.0m左右，于矿田西部沟谷两侧山坡下部零星出露，全矿田基本属K2之浅埋藏地带，并与K3、K4共处于基岩风化带之中，与K3、K4在出露地带发生水力联系，共同接受少量大气降水，据本矿排水资料，正常排水量为30m3/d，属含水性弱的含水层。

3、基岩风化带裂隙含水层

本矿田西部沟谷两侧出露9+10号及11号煤层：

其顶板均处于基岩风化带环境，风化裂隙发育，雨季可直接接受大气降水的补给，形成良好的透水层可直接导入矿坑，据老井开采资料，靠近煤层露头附近的巷道，雨季顶板及煤层中均表现为渗滴，但水量不大，因补给区到排泄区极近，季节性十分明显，一般雨停10-20天即基本消失，实属良好的透水层。

（三）地下水补、径、排

矿田岩溶水属郭庄泉域，位于郭庄泉域东部，为郭庄泉域的补给径流区，水位标高1053m，其补给主要为矿田外西、北方向奥灰岩出露区大气降水，在矿田内由西北向东南径流。

太原组灰岩岩溶裂隙含水层在矿田内外出露区接受大气降水补给，顺岩层径流，其排泄主要为矿井水疏排。

矿田内表土层较薄，其底部的松散孔隙水接受大气补给渗入基岩风化裂隙带，形成地下浅水，赋存形态、径流与地形一致，在沟谷中切割处以渗水或泉的形式排泄。

四、气象

本区温带大陆性季风气候，昼夜温差较大，四季分明。

据交口县气象站近年气象资料统计，年平均最低气温-8.1°C，年平均气温9°C，七月份最热，最高气温28.1°C，降水多集中于夏季，年最小降水量为285.5mm，年最大降水量798.8mm，年平均降水量566.0mm，年平均蒸发量1799.4mm，蒸发量是降水量3.18倍，霜冻期为十月上旬至次年四月下旬，最大冻土深度1.04m。

最大积雪厚度0.4m。

主导风向冬季为西北风，平均风速3.0m/s，最大风速为22m/s。

五、地震

根据中华人民共和国标准GB50011-2001《建筑抗震设计规范》，本区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。

第二节采掘场边坡稳定

一、计算方法

1、滑坡模式

采掘场帮坡地层的构成，其上部大部分为黄土覆盖，一般为0-30m，其中部分为缓倾斜岩层，形成沿层理面的圆弧--直线（层面）型滑坡的可能性较小。

上部黄土覆盖层较薄，易形成较小的张裂缝，在由黄土、岩层和煤层构成的帮坡体中，形成“张裂缝-圆弧型滑坡”的可能性较大。

2、计算方法

根据地质报告，本矿地层内含水量较小，含水层主要是第四系和基岩裂隙含水层水具微承压性，但也易于疏干，其富水性弱，易于疏干；采空区有积水地下，所以不需考虑来自此地层内潜水对滑坡体产生的水力推压力矩和水力浮托力，计算方法选用简化毕肖普（Bishop）法。

计算方法选用简化毕肖普（Bishop）法。

简化毕肖普（Bishop）法

简化毕肖普法是计算单一圆弧型破坏最为常用和有效的方法。

数学模型如下：

图2-2-1

式中：

必须满足条件：

（1）

（2）

式中：

——稳定系数；

——瞬时粘结力；

——岩石容重；

——条块高度；

——水容重；

——水位高；

——瞬时内摩擦角；

——条块宽度；

——条块底面倾角；

——张裂隙水的水平作用力；

——有效正压力。

3、求最危险滑落面方法

求最危险滑落面，也是求稳定系数最小值，其方法是连续变换张裂缝的位置和变换圆心（即圆弧半径），求出一系列滑落面及相应的稳定系数，从中找出接近最小值的某种规律，从而“接近最小值”，便以此定为该剖面（对应边帮体高度和边帮角）的稳定系数。

二、采掘场边帮地层抗剪强度有关指标的选取

采场边坡稳定，主要取决于组成边坡体的岩体强度，根据地质报告提供的岩块强度、岩石物理力学资料及岩层情况和岩体抗剪强度指标。

边帮岩体抗剪强度，一般情况要小于岩块抗剪强度，用减弱系数来表示。

岩体中的结构面抗剪强度要比非结构面位置减小许多，煤矿沉积岩层不同于火成岩的金属矿山等非煤矿地层，煤矿的岩层结构从大到小为：

大到断层，一般为层理面，小到节理、裂隙。

抗剪强度中有两项主要指标，其中“凝聚力”指标受影响极大，以减弱系数表示。

本节对岩层、煤层凝聚力减弱系数取值如下：

1、对于长期暴露，3年（3冬冻涨、3夏充水矿化、充填、震动、应力释放、断层、节理等）以上的边坡岩体，减弱系数取值为0.045或更小。

2、对于刚刚揭露的工作帮台阶，存在半年左右（未经冬夏），考虑原来在地层中受黄土接触面风化影响的上部岩层（20m范围内），减弱系数取值为0.2；考虑原来赋存深部非风化带，减弱系数取值为0.3。

3、对于黄土暂不考虑岩体凝聚力减弱系数。

三、采掘场边坡稳定分析计算

采用简化Bishop法，选取采场内具有代表性的两个剖面从不同角度进行稳定性分析，以此来确定最佳边坡角。

在一采区的北部中间偏西，即11号煤层露头的东部，该边坡高120m左右，覆盖层为黄土、中砂岩、细砂岩、炭质泥岩和泥岩，煤层含夹矸。

经选取34°、35°、36°进行稳定性分析计算，在边坡角度达到35°时Fs≥1.20，为1.215。

四、结论

按照《煤炭工业露天矿设计规范》规定采掘场最终边坡稳定系数不小于1.3，规范规定临时边坡稳定系数可取1.0-1.2，由于本矿岩体边坡工程地质尚缺资料，首采区边坡参照计算结果及类似边坡选定边坡角，在边坡勘探进一步进行后修正，一般规律采掘场随开采深度增加稳定角减小，但考虑到深部岩体强度提高的可能性最终边坡角推荐按35°设计。

第三节排土场边坡稳定

一、排土场抗剪强度指标的确定

1、排弃物料抗剪强度指标的确定

本矿排土场的排弃物料为黄土、粉砂岩、泥岩及砂质泥岩等混合物料，由于没有排土场稳定计算所必须的不同配比的排弃物料物理力学性质试验资料，设计只能按排弃物中各种岩性所占比例综合确定力学指标，参照附近已开采的矿山的排土场排弃物料参数，并结合经验数据确定计算参数，其内摩擦角为值为25°，凝聚力为20KPa。

排土场长期松散系数为1.05～1.1，中期为1.1～1.15，暂按1.15考虑，综合物料容重为2.01t/m3。

2、排土场基底抗剪强度指标的确定

（1）外排土场基底抗剪强度指标的确定

外排土场基底大部分为第四系黄土，基底强度相对较低。

外排土场基底容重为1.95t/m3，内摩擦角为22°，接触面再生凝聚力为30KPa，也即假设以存在的弱层为依据，比较可靠。

（2）内排土场基底抗剪强度指标的确定

内排土场基底以泥岩为主，强度较高。

但要以低洼处积水的不利假设为依据较为可靠，内摩擦角定为23°，凝聚力定为40KPa，也即弱层指标，较为稳妥。

二、排土场滑坡模式

外排土场基底分析，不会产生基底滑坡，从内排土场基底以泥岩为主，吸水后可能软化，要防止发生深层滑坡，因此在煤层底板应做鱼刺状泄水盲沟将水引至低处及时排出，防止长期浸泡。

排土场滑坡模式很可能是排弃物料的“坐落滑移式”的滑坡。

三、排土场基底分析处理

1、外排土场基底基本为岩石，上覆仅数米的黄土，因此滑落面不会切入基底，不会发生包括部分基底的深层滑坡。

2、排土场荷载，充水将使抗滑摩擦力减小，可能发生滑坡，本地区雨量小，采取截、隔水措施，可防止地表水流入基底。

3、为防止雨水渗入排土场将有害物带出，污染地下水，排土场顶部排弃不透水土岩，并将水引入蓄水池，用做道路洒水及绿化。

4、内排基底为缓坡，为防止滑坡做导盲水沟，流入水池抽排至地面蓄水池。

四、排土场边坡稳定性分析

采用简化Bishop法，计算排土场的边坡稳定系数。

当排土台阶高20m，

排土最小工作平盘50m，松散系数1.2。

经选取18°、19°、20°进行稳定性分析计算，当外排土场的最大排弃高度为120m时，在边坡角度达到19°时Fs≥1.20，为1.207。

本矿外排土场处于一沟谷中，外排最大边坡高度120m，但由于此排土场位于山沟谷中，这个沟谷自北向南倾斜，倾角小于3°，不足以造成顺底版滑坡的情况。

内排土场边坡高80m左右（本矿虽最大开采深度为120m，），排土台阶高20m，排土最小工作平盘60m，松散系数1.2。

经选取18°、19°、20°进行稳定性分析计算，从以上图中可以看出，在边坡角度达到19°时Fs≥1.20，为1.223。

结论：

通过对内外排土场的稳定性分析计算，按照《煤炭工业露天矿设计规范》规定排土场边坡稳定系数，外排土场边坡1.2-1.5；内排土场根据存在时间，当小于10年时取1.2，大于10年时取1.3，因此我们推荐排土场边坡最佳边坡角为19°。

第四节边坡监测

露天矿边坡的稳定性是关系到露天矿安全与生产的极其重要因素，是矿山开采设计和生产过程中首先遇到并应解决的安全技术问题。

如果边坡发生破坏，不仅会影响露天矿的生产，造成经济损失，甚至会造成人员伤亡，因此，露天矿边坡稳定性研究工作应贯穿于该露天矿的勘探、设计、生产全过程。

通过研究对露天矿边坡加强管理，防止边坡破坏与大量变形，而这些都是需要通过露天矿边坡监测来进行的。

一、边坡稳定的监测措施

露天矿边坡监测技术大致可分为位移监测、岩体破裂监测、水的监测和巡检四个主要类型，其中最主要的是位移监测。

位移监测主要是通过对边坡地表和内部的重要部分岩体在不同情况下所产生的位移量和位移方向的动态变化，来确定边坡的变形模式及可能存在的滑面位置。

位移监测其主要分为三个方面。

1、地面位移监测

地面岩移监测。

在矿坑周边地面建立岩移观测点，实施定期观测，及时掌握边坡动态。

采场内平盘岩移监测。

在矿坑主要工作平盘上布置观测点，与地面观测点一起构成网状分布，定期进行观测，随时掌握岩移情况。

重点部位临时岩移监测。

对重点部位设置临时观测点，按周期进行观测，监视局部变形，及时做出变形或滑坡预报。

2、深部位移监测

为了掌握深部岩体的变形动态，建立地下岩体位移变形监测孔。

钻机成孔后，在孔内安装有刻槽滑道的聚乙烯管，用移动式测斜仪进行定期监测，从而实现对深部岩体变形动态的观测，并及时做出变形预测。

3、人工监控

配合地面岩移监测，安排专业人员分区域进行巡视，查看地表裂隙或建筑物的变形状况，以便随时发现变形异常情况，并及时采取对策。

二、监测网的建立及监测设备的选择

1、监测网的建立

监测网的布置形式可分为正方格网、任意方格网、十字交叉网、射线网和基线交点网等5种。

采用何种监测网要根据观测区的地形条件确定。

监测网的形成应不但在平面上，更重要的应体现在空间上的展开布置，监测网的形成可能是一次完成，也可分阶段按不同时期和不同的要求形成。

主滑面和可能滑动面上、地质分层及界限面，不同风化带上都应有测点，可能形成的滑动带，重点监测部位和可疑点需加深加密布点。

这样可以使监测工作在不同阶段做到有的放矢，在边坡工程监测的过程中，监测方案必须随时调整，使能有效地监测边坡工程的岩土变形的动态变化和发展趋势，具体了解和掌握其演变过程，及时捕捉崩滑灾害的特征信息，预报崩滑险情，防灾于未然，同时为危岩的稳定性评价和防治提供可靠依据。

针对本矿的实际情况，对首采区的边坡做出监测方案和监测网，特别是首采区内存在时间较长的端帮。

由于矿山尚未开采到岩体深部，因此设计仅对地面位移监测做出监测方案和监测网。

地面位移监测的方法很多，如光学仪器监测、钻孔伸长计监测、倾斜监测、卫星定位系统监测等，设计选择GPS动态定位技术测量（RTK），精度静态平面为5+0.5、高程为5+1,精度动态平面为10+1、高程为20+1（固定误差单位为：

mm）。

（1）基点的布设与监测

根据中华人民共和国国标全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314-2001）规定，根据监测要求和现场实际情况，在开采影响范围外布设两个基站，一个是监测基站，另一个是校验基站。

其中监测基站位于附近山头上，监测点校验基站位于露天矿外，均距监测区域3～5km。

基点的观测：

采用静态方法按C级精度观测。

三角形联接方式为边联式。

在整个监测期中基点共联测4次，以保证基点的数据可靠性。

基本控制：

首先通过静态测量的方式观测已知点和加密控制点，建立未开采区域GPS网，通过该网求得该区的坐标转换参数。

经基线解算、网平差求取转换参数，得到1954年北京坐标系坐标。

（2）监测点的布设与监测

该矿山地表位移监测点布设在包括首采区采场边坡、平盘和地表等在内的所有面积。

在首采区生产影响范围内和边缘，在地形、地貌特征点上根据实际的需要布置相应数量的网格形分布的监测点，以此来反映露天开采引起的地面下沉和露天矿边坡的位移变形。

（3）地表位移监测结果及分析

将各监测点的x，y，z坐标输入到地质与地表测量沉陷数据库系统中，可得到点的变形曲线，得出典型监测点位移变形随时间变化曲线，然后分析所有监测点地表的位移监测数据及位移变形曲线，综合比较未开采区域的各测点的水平方向的位移量和垂直方向的位移量；当露天矿形成一定的采坑后，观测以采空区为界各测点的累积位移量（水平位移量、垂直方向上的位移量），得出一定的结论并形成边坡观测报告。

（4）边坡工程监测周期与频率

正常情况下，在爆破阶段完成后监测以地表及地下位移为主，爆破阶段：

1次/1-2天，每次爆破后监测1次；施工阶段：

1-2次/周；运营阶段：

1次/2月，雨季：

1次/2月。

变形量增大和变形速率加快时加大监测频次。

2、监测设备

监测设备包括：

监测基站、校验基站、基站GPS接收机一台套、流动站GPS接收机一台套，系统软件包括GPS2RTK系统自身携带的卫星信息接收及数据处理软件以及边坡稳定监测数据处理与分析软件一套。

三、地面重要设施基础变形、沉降监测设施

本矿为中型露天矿，地面建筑及设施较为简单，工业场地位于露天境界之内。

矿田内及周边有三处建筑物，考虑到爆破和边坡稳定对建筑物的影响，本矿地表界距建筑物留有200m（计算的爆破地震安全距离）至最大采深260m（边坡影响距离）的安全距离，但在生产中，在监测边坡稳定的同时，也要对建筑物采取定时监测。

适当时机可在影响建筑物及工业场地稳定的边坡处作一些抗滑工程措施，如强排水、清帮、抗滑桩、锚索等。

四、预防露天采场及排土场滑坡的技术安全措施和设施

1、加强地面防水和坑下排水工作，防止地面水流入坑下影响边坡的稳定，防止坑下积水影响内排基底的稳固性。

2、加强边坡的监测和分析，在出现滑坡征兆时，根据具体条件，从打抗滑柱、锚杆加固、挡土墙方法中选择合理治理措施。

3、在非工作帮和端帮，要严格按照设计进行采掘，不能过界，不得超挖坡底线。

4、非工作帮、端帮到界台阶，有露头煤和煤层存在，应加以封盖和采取其它防止风化的措施。

5、排土场形成后随着其发展，亦应定期进行观察和分析，采取相应的防滑措施。

6、在内排前应弄清基底岩层的赋存状态，清除基底上不利于边坡稳定的松软岩土。

7、内排土场最下一个台阶的坡底与采掘工作面之间应留有足够的安全距，不的小于60m。

8、编制较完善的滑坡灾害应急抢救预案。