边坡稳定工程专项安全技术措施.docx
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边坡稳定工程专项安全技术措施
边坡稳定工程专项安全技术措施
山西忻州神达梁家碛煤业有限公司
边坡稳定工程专项安全技术措施
二〇一五年一月
第一节工程地质条件对边坡稳定性的影响分析与措施
一、地层
露天矿位于山西省河东煤田河保偏国家规划区河曲矿区北部，矿区内赋存地层由老到新主要有奥陶系中统上马家沟组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组；上第三系上新统保德组、第四系上更新统马兰组及全新统。
区内上第三系、第四系广泛覆盖，仅在大的沟谷底部及两侧有基岩出露。
（一）奥陶系中统上马家沟组（O2s）
本组地层在矿区东北部有少量出露，根据钻孔资料，揭露最大厚度为132.50m，岩性上部为黄土、灰黄色白云质灰岩、泥灰岩、角砾状泥灰岩，发育有溶孔，中下部为豹皮灰岩、泥灰岩、白云质灰岩互层。
该地层在井田东部裂隙、岩溶发育，向西部岩层逐渐完整，钻探施工时，东部钻孔在该地层段局部漏水严重，西部施工时岩芯完整，漏水现象很少。
（二）石炭系中统本溪组（C2b）
本组地层在矿区外东北部有少量出露，据钻孔揭露，其厚度为12.10—25.00m，平均为18.37m，为一套滨海、浅海相沉积岩系。
上部岩性主要为灰黑色具水平层理的粉砂岩或砂质泥岩，含黄铁矿结核；中部含1—2层薄层状石灰岩，灰岩中含有生物化石；下部为灰色铝质粘土岩，呈厚层状，含黄铁矿结核，底部为紫色含铝泥岩。
本组地层与下覆奥陶系平行不整合接触。
（三）石炭系上统太原组（C3t）
本组地层在矿区中东部各沟谷中均有出露，根据地表和钻孔揭露情况，地层厚度72.70—143.70m，平均为105.16m。
地层总体为东部薄，向西逐渐变厚，属一套由海陆交互相渐变为平原河流相的含煤建造。
上部岩性为黑色泥岩、灰黑色砂质泥岩、砂岩及9上、9、9下、10上、10、10下、11上、11号煤层；中部岩性主要为泥岩、砂质泥岩、砂岩及12、13号煤层；下部岩性主要为砂岩、砂质泥岩、灰岩及薄层煤线，薄煤线为14、15、16号煤，底部以S1砂岩为界与下伏地层整合接触。
本组地层为矿区内主要含煤地层之一。
根据岩性组合及沉积特征，将本组划分为三段：
１、太原组一段（C3t1）
２、太原组二段（C3t2）
３、太原组三段（C3t3）
（四）二叠系下统山西组（P1s）
本组地层在矿区西北部沟谷中有少量出露，全组地层厚度为68.00-131.40m，平均厚83.36m。
本组为一套以河流相为主的含煤沉积，岩性上部为灰黑色粘土岩及泥岩，含有植物茎叶化石；中部为灰白色中厚层状细砂岩，赋存不稳定的8、8下号不可采煤层；底部为含砾粗粒砂岩或少量粗粒砂岩。
以S2与下伏太原组地层整合接触。
（五）二叠系下统下石盒子组（P1x）
它主要出露在矿区的西北部。
底部为灰白色厚层含砾中粗粒砂岩；中部为灰绿色巨厚层中粗粒砂岩，灰绿色、灰色泥岩、粘土岩及煤线；底部为紫红色斑状粘土岩及泥岩。
本组地层平均厚度106.90m。
（六）二叠系上统上石盒子组（P2s）
该组地层底部为黄绿色巨厚层含砾粗粒砂岩；上部为紫红色泥岩夹细粒砂岩，厚层状含砾粗粒砂岩，未见顶。
本组地层最大残留厚度91.00m。
（七）第三系上新统（N2）
棕红色、深红色，致密状、较坚硬，且潮湿后具粘性，含钙质结核及砂砾石层。
全组地层厚度为0-20m。
（八）第四系上更新统（Q3）及全新统（Q4）
本组地层在矿区内普遍存在，地层总厚度为0-87.50m，多为黄色、浅黄色黄土，以亚砂土、亚粘土为主，粒度均一，结构松散，垂直节理发育，底部含钙质结核。
全新统为现代沉积，主要分布在矿区各沟谷中，矿区内不发育。
二、构造
受区域构造控制，矿区构造形态总体为一倾向南西的单斜构造，在此基础上发育次一级褶曲构造，地层倾角一般3°～10°，发育1条褶曲和2条断层。
（一）褶曲构造
S1向斜：
位于矿区中部，轴向近东西，其西部向南弯曲，向SW倾伏，两翼倾角3°～9°，井田内延长4100余m，由地表填图、钻孔和井巷控制。
（二）断层
1、F1断层
位于矿区南部边缘，走向N65°E，倾向NW，倾角70°，落差10m，矿区内延伸长度约500m，正断层，由井巷控制。
2、F2断层
位于矿区南部边缘，走向N78°W，倾向SW，倾角68°，落差5m，矿区内延伸长度约600m，正断层，由井巷控制。
（三）陷落柱和岩浆岩
矿区内未发现陷落柱和岩浆岩的侵入现象。
综上所述，褶曲宽缓，不影响采区划分，断层不发育，矿区内构造简单。
三、地表水体及河流
矿界内没有常年地表流水，中部的吴峪沟和东部刘家塔沟的属较大的洪水沟，平时无水，洪水季节有水汇入黄河。
四、主要含水层
1、奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层。
2、石炭—二叠系碎屑岩裂隙含水层：
石炭系碎屑岩裂隙水：
太原组有两层砂岩含水层。
二叠系碎屑岩裂缝水：
山西组有两层含水层。
3、上第三系上新统砾石孔隙裂隙含水层。
4、第四系上更新统黄土孔隙含水层。
五、隔水层
石炭系太原组和本溪组的泥岩、砂质泥岩、铝土泥岩数层，厚度大小不一，均具有良好的隔水性，阻隔了上、下各含水层的水力联系。
另外，第四系及第三系的粘土、亚粘土亦是良好的隔水层。
矿界内较稳定的隔水层主要为石炭系本溪组铝土岩、泥岩和石炭系太原组、二迭系山西组煤系地层中的泥岩，其次第四系及第三系的粘土、亚粘土亦是良好的隔水层。
（一）石炭系本溪组铝土岩、粘土岩及泥岩隔水层。
（二）石炭系太原组隔水层。
（三）第四系、上第三系粘土、亚粘土隔水层。
六、措施
山西省山西忻州神达梁家碛煤业有限公司露天煤矿东排土场，场地位于河曲县城东北30km处黄河南岸刘家塔镇的路铺村，梁家碛露天矿区首采区的东侧，工业场地的东南侧。
占地面积为1.497km2，最终收容量为84.67Mm3，使用年限10年。
受山西省山西忻州神达梁家碛煤业有限公司露天煤矿的委托，山西裕宏岩土工程勘察检测有限公司于2011年6月对东排土场场地进行初步岩土工程勘察工作。
外业钻探、原位测试工作于2011年6月10日～2011年6月25日进行，室内土工试验工作于2011年7月3日完成。
（一）勘察方法
本次勘察采用钻探取样、标准贯入试验、重型动力触探试验进行综合勘察与评价。
外业钻探，采用XY-100型工程钻机，水位以上采用干钻，严格按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）要求进行（含水量适中时，采用锤击钻进，黄土薄壁取土器，重锤少击法取土，严格按“一米三钻”的要求进行施工）。
当遇基岩时采用泥浆护壁、回转钻进并取土，采用单动单重岩芯管回转钻进。
标准贯入试验，采用自动落锤，按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009年版）第10.5.2-3条要求进行试验。
外业探井采用人工挖掘，人工采取Ⅰ级土样。
（二）土工试验
所有项目均按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行。
为了解地基土的常规物理力学性质，所有原状土样按常规要求项目进行如下试验：
含水量、密度、比重、液限、塑限、压缩试验。
探井土样均加做湿陷系数、自重湿陷系数及湿陷起始压力。
岩石抗压强度试验。
（三）结论
1、东排土场为沟谷型排土场，地形起伏较大，沟底自然坡度为5%左右，勘探期间测得各勘探点地面标高介于1047.56～1161.50m之间，最大高差113.94m。
场地所属地貌单元为中低山、低山丘及黄土梁峁-冲沟
2、第①层是构成本工程湿陷性地基的主要地层，综合判定，拟建场地为自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅳ（很严重）。
3、本次勘察深度范围内未揭露场地地下水。
因此不存在地下水对建筑材料的腐蚀性。
4、本次勘探深度范围内地基土主要为第四系上更新统风积成因的黄土（Q3eol）、二叠系沉积岩（P）。
岩性为湿陷性黄土、砂岩，就本工程场地而言天然地基应视为不均匀地基。
5、场地地基土在Ⅲ类环境条件下对砼及砼中的钢筋具微腐蚀性，
6、工程建筑场地类别为Ⅱ～Ⅲ类。
7、场地勘察范围内不良地质作用有：
上游洪水威胁；场地内部分地段较陡临空面可能产生的崩塌。
除上述外，无其它不良地质作用和地质灾害。
因此，对上述不良地质作用，采取有效处理措施及对湿陷性黄土进行有效处理后，东排土场地可视为稳定场地，适宜本工程建设。
8、本工程拟建场地内存在陡坡，其边坡边缘地段为对建筑抗震不利地段；其余地段拟建场地介于对建筑抗震有利地段与不利地段之间，属可进行建设的一般地段。
9、本区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第三组；拟建场地不存在饱和粉土及饱和砂土，据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2008版）判定，本场地地基土为不液化土。
10、按《山西省气象资料集》，本区最大冻土深度1.45m。
（四）建议
1、挡土结构地段，地基处理方法可采取：
换土垫层法、强夯法、灰土挤密桩复合地基、钢筋混凝土灌注桩。
具体采用何种方法，由设计单位根据结构特点、荷载大小确定。
2、建议排土场设置排洪暗渠，以免受洪水威胁；对场地内危险陡坡临空面，可按设计要求放坡，并在周边修建环库截洪沟，以阻截周边汇水面积范围内的洪雨水。
第二节边坡设计影响因素分析与措施
滑坡主要影响因素分析如下：
1、地质构造因素
地质构造是造成滑坡的根本因素。
边坡中存在地质结构面及断层，结构面及断层的相互切割，地层总体倾向，与断层结构面在立面上形成交错，都可能为滑坡的形成提供了良好的边界条件，对边坡稳定极为不利。
2、水的影响作用
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：
地下水在松散砂层及砾岩中流动时，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，象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，到开化之前地下水位升致最高，此时水压最大是开化季节发生滑坡的原因之一。
3、煤层顶板弱层是控制滑坡的因素
软弱结构面控制着边坡的整体稳定性，沉积岩在具周期性、韵律性沉积过程中形成的成分不同的含薄夹层常常具有软弱性，而且分布连续影响面大。
4、采矿活动影响
采矿活动是滑坡的激发因素。
随着开采的深入，边坡变高、变陡，边坡底部剪应力越来越大，另外端帮顶部通道运输设备的振动影响，致使边坡失稳而导致滑坡形成。
5、排土场影响
排土场土体重力作用是端帮滑坡的另一影响因素。
随着生产的进行，排土场高度不断增加，排弃土体的重力不断增大，帮顶受到的荷载增加，内部剪切应力增大，边坡稳定性受到影响。
对滑坡的影响因素进行分析，根据采掘场所在位置、构成边坡的不同岩层及产状、边坡外形轮廓、构造、地下水位赋存状态、弱层位置、采矿工艺等条件对采掘场边坡的进行设计计算，确定采掘场达到最终边坡角时的边坡稳定系数。
第三节最终边坡角的确定
一、原始资料分析与计算数据的选择
（一）计算数据的选择
采掘场的边坡稳定取决于岩体的强度，而岩体的强度与岩块的强度和节理的密度有关。
根据报告所提供的数据和类似矿山的设计经验，确定剖面各岩层岩体强度如表5.3-1。
（二）计算基础及方法
表5.3-1边坡岩体强度表
指标
岩性
容重
（t/m3）
粘聚力
（Mpa）
内摩擦角
（°）
第四系
1.98
0.04
32
泥岩
2.27
0.10
38
砂质泥岩
2.48
0.15
37
粉砂岩和细砂岩
2.42
0.20
39
中砂岩
2.60
0.17
38.5
粗砂岩
2.49
0.10
39.5
泥岩（13号煤层下）
2.43
0.14
37
细砂岩（13号煤层下）
2.70
0.17
40
煤
1.37
0.09
38
弱层（煤层底板）
0.02
10
本次研究采用瑞典条分法计算，式5.1为基本计算公式。
（5.1）
式中：
—安全系数；
—最大抗滑力矩；
—滑动力矩。
图5.3-1
条分法分析步骤：
1、按比例绘出边坡剖面（见图5.3-1）
2、任选一圆心O，确定滑动面，将滑动面以上土体分成几个等宽
或不等宽的土条
3、每个土条的受力分析
4、滑动面的总滑动力矩
5、滑动面的总抗滑力矩
6、确定安全系数
二、采掘场边坡稳定
边坡组成要素：
采掘场工作帮边坡最终角度为37°，非工作帮边坡最终角度为30°，台阶高度为10m，最终台阶坡面角，黄土为60°，煤和岩石65°。
本设计未考虑地震对边坡的影响。
滑弧模式可能为纯圆弧或圆弧折线式模式。
根据地质资料提供的数据、岩体强度及边坡设计经验进行计算，得到采掘场工作帮边坡角度为37°时边坡稳定系数为1.28，。
非工作帮边坡角度为30°时边坡稳定系数为1.25，
三、排土场边坡稳定
根据梁家碛露天矿区地质地形图可知，选择的东排土场东北角处有居民区，根据《煤炭工业露天设计规范》有关规定，排土场距离居民区的距离只要满足排弃高度的1.5倍左右即可，因此原东排土场距离村庄的距离为200m左右。
但根据业主及山西环科院的要求，环评报告中排土场距离村庄距离必须大于500m。
因此为了避免生产过程中对居民区产生影响，使排土场距离居民区500m范围外。
东排土场仍位于梁家碛露天矿区首采区的东侧，工业场地的东南侧。
外排土场基底为黄土，选取一剖面进行计算。
外排土场边坡组成要素：
边坡排弃高度140m，最终角度为22°，排土台阶高度20m，台阶坡面角33°。
内排土场基底为13号煤层底板以下，选取一剖面进行计算。
内排土场边坡组成要素：
边坡排弃高度100m，最终角度为17°，排土台阶高度20m，台阶坡面角35°。
计算条件如下：
1、排弃物料松散，内摩擦角24°，粘聚力0.021MPa，容重1.7t/m3。
2、黄土内摩擦角26°，粘聚力0.03MPa，容重1.9t/m3。
3、内排土场基底选两层，参数分别为：
内摩擦角34.2°、35.5°，粘聚力0.08MPa、0.12MPa，容重2.12t/m3、2.6t/m3。
内排土场基底内摩擦角为10°，粘聚力为0.01MPa。
4、外排土边坡滑坡模式为圆弧式滑坡，内排土场边坡滑坡模式为圆弧-折线式滑坡。
外排土场排弃高度140m，边坡角22°时，边坡稳定系数1.26。
内排土场排弃高度100m，边坡角17°时，边坡稳定系数1.27。
为了使排土场更稳定，建议排土场设置排洪暗渠，以免受洪水威胁；对场地内危险陡坡临空面，可按设计要求放坡，并在周边修建环形截洪沟，以阻截周边汇水面积范围内的洪雨水。
四、边坡监测
对露天矿而言,保证其边坡稳定,不仅是矿山安全生产的前提条件之一,而且也关系到露天矿的经济效益和生产的连续性,否则,将会给矿山带来严重损失。
在露天矿生产过程中,对边坡进行及时、准确监测能够提前预报可能发生的边坡滑坡，避免生命财产的损失。
由此可见，系统有效地监测露天矿山的边坡，对生产有着十分重要的现实意义与经济意义。
边坡监测的作用主要有以下几个方面：
1、通过对监测数据的分析处理获取边坡的动态发展情况，研究该区域边坡的破坏形式，对边坡变形进行合理的预报，合理评估露天矿边坡稳定性。
2、通过监控测量了解边坡的受力和变位情况，保证矿区边坡土体的稳定和矿区作业安全。
3、通过监控量测收集数据，为边坡的稳定分析与边坡防治工程设计、施工及规范修改提供参考数据和积累经验。
目前而言，对于露天矿边坡监测主要利用建立地表和深部相结合的综合立体监测网，尽可能采用边坡远程监测系统，
梁家碛露天矿，主要针对非工作帮及端帮上进行地表位移监测1、地表位移监测
全站仪观测站、基准控制点是整个系统的原始基准，点位一定要布设在稳定可靠的位置，防止点位变形；并且周围没有大的干扰，防止点位被破坏。
此外，整个监测网的布设必须要科学，图形结构要合理，最后整个监测网的观测站和基准控制点要经过测量平差处理。
1）布置原则
（1）基准点的布设
基准点，是变形监测的基准，点位要具有更高的稳定性，且须建立在变形区以外的稳定区域。
其平面控制点位，一般要有强制对中装置。
（2）观测点的布设
变形监测点选在真正能表现边坡变形情况的位置，观测墩与边坡岩体紧密结合，埋设时岩体上打眼深度不小于1m，直径不小于200mm，插入φ20、长度1m的金属杆。
棱镜类型也选取同一标准，一经安装，不能随意拆除。
要求结构合理、设置牢固、外形美观、观测方便的位置，且不影响监测体的外观和使用。
梁家碛露天矿的观测点是在露天矿非工作帮及两端帮上布设的，监测线间距100m，均匀布线，每条线上均匀布置4个观测点。
（见图5.3-6、图5.3-7及图5.3-8所示）
图5.3-6观测点布设平面图
图5.3-71-1´观测点布设剖面图
图5.3-85-5´观测点布设剖面图
2）观测要求
（1）地表位移建议采用用全站仪进行观测。
（2）每期观测前，应对所使用的仪器和设备进行自检、校正，并作出详细记录。
（3）各期的变形监测，应满足下列要求：
①在较短的时间内完成；
②采用相同的图形（观测路线）和观测方法；
③使用同一仪器和设备；
④观测人员相对固定；
⑤记录相关的环境因素，包括荷载、温度、降水、水位等；
⑥采用统一基准处理数据。
（4）每期观测结束后，应及时处理观测数据，当数据处理结果出现下列情况之一时，必须即刻通知建设单位和施工单位采取相应措施：
①变形量达到预警值或接近允许值；
②变形量出现异常变化；
③建（构）筑物的裂缝或地表的裂缝快速扩大。
（5）监测周期，宜每月观测一次，并要根据开采阶段、旱雨季或边坡状况的变化进行适当调整。
每次观测结束应及时形成成果报告。
1）观测要求
监测周期可根据位移速度和季节变化确定，原则上与地表位
移监测周期相同。
在降雨期间、春季解冻或当位移速度加快时，应增加观测次数，并及时提交观测报告。
每次读取监测数据后，应对数据及时进行整理和分析。
2）、边坡监测成果要求
对边坡监测数据应及时进行整理、分析。
主要的图表包括位移矢量图、钻孔位移曲线图、位移与时间曲线图、应力应变与时间曲线图等。
在数据量充足的情况下，尽可能建立三维地质模型，有利于露天矿边坡的高效管理。
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