(14)排土场边坡形成和发展稳定性分析与评价

1、边坡稳定设计与监测第一节 露天矿水文及工程地质条件概况一、水文地质概况矿区属半沙漠、干旱-半干旱高原大陆性气候，阳光辐射强烈、日照丰富，冬季寒冷漫长，夏季炎热短暂，春季少雨多风。年平均降水量350mm，且多集中于7、8、9三个月，年平均蒸发量2492.1mm，为年平均降水量的7倍。最大冻土深度2.04m。矿区内无地表水系，矿区边界外北部为奎洞沟，南部为蔓茎沟，均为季节性沟谷，旱季干涸无水，雨季暴雨过后可形成短暂的洪流，自西向东流入束会川，向东南流入勃牛川，向南与乌兰木伦河在陕西省境内汇入窟野河，最终注入黄河。矿区内直接充水含水层和间接充水含水层的含水空间以裂隙为主,孔隙次之，属孔隙、裂隙充水矿

2、床。最下一层可采煤层6-2煤层位于本区最低侵蚀基准面以上，直接充水含水层富水性弱（q0.1L/s·m），其补给源以贫乏的大气降水为主，火烧岩体含水层的富水性在局部地段虽然较强，但其对矿井充水的影响仅发生在局部，据此将矿区水文地质类型划分为第一二类第一型，即孔隙-裂隙充水矿床，水文地质条件简单。二、工程地质概况本区各主要可采煤层顶、底板，多以泥岩、泥质粉砂岩为主，构成直接顶底。地质报告对各可采煤层的顶底板均采取了岩石物理力学试验样，进行测试。测试结果：泥岩单向抗压强度均小于300kg/cm2，属软弱岩石；粉砂岩单向抗压强度400600kg/cm2，多为500kg/cm2左右，属于半坚硬

3、岩石；砂岩类岩石抗压强度变化范围较大，胶结不好的砂岩，抗压强度一般小于300 kg/cm2，属软弱岩石；胶结好的砂岩，抗压强度介于400600 kg/cm2，属半坚硬岩石。从以上测试结果看，该矿区煤层顶底板均为软弱半坚硬岩石，岩石抗压强度低，稳固性差。因此，本区工程地质类型属第一类第二型，即以软弱岩层为主，工程地质条件中等的矿床。三、构造概况兰家塔煤矿位于东胜煤田东南部，基本构造形态与东胜煤田一致，为一向南西倾斜的单斜构造，倾角1°3°，区内无断层及较大褶皱，亦无岩浆岩侵入，地质构造简单。第二节 露天采场及排土场边坡稳定性分析一、影响露天矿采场边坡稳定的因素1、不同成因和类

4、型的结构面（层理层面，软弱夹层，节理，断层等）与边坡的临空面相互位置关系，会弱化边坡岩体的力学性质，从而会降低边坡的稳定性。2、露天矿的采动作用会破坏边坡岩体的整体性，产生位移、裂隙，对边坡的稳定性影响较大；本矿岩体力学性质为中软岩层，对边坡不利。水文地质条件属简单中等型，对边坡稳定影响有限。3、大气降雨，尤其雨季集中的强降雨，通过裂隙渗入边坡岩体、降低岩体强度和岩体的摩擦力，导致边坡失衡。二、采掘场边坡稳定分析（一）滑坡模式采掘场边坡地层的构成，兰家塔煤矿井田内大部为第四系覆盖，只在东北部出露侏罗系中下统延安组基底。根据工程地质资料，其采场大部分分布在向西南倾斜的单斜构造范围内，地层平缓，倾

5、角13°,对边坡稳定性有利；区内无断层及较大褶皱，亦无岩浆岩侵入，通过分析，得知边坡形成沿层理面的圆弧直线（层面）型滑坡的可能性较小，在由黄土、砾石、泥岩和煤层等构成的边坡体中，形成“张裂缝圆弧型滑坡”的可能性较大。图5-2-1 预想划面示意图（二）计算方法根据地质报告，本矿地层内含水量较小、富水性弱，虽具微承压性，但可采取水平放水孔，放水降压解除地下水对边坡的作用力。本次计算未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。计算方法采用简化Bishop法对其进行稳定性分析，同时选用Morgenstern-Price法进行检验。简化毕肖普法是计算单一圆弧型破坏最为常用和有

6、效的方法。数学模型如下：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；圆弧画面半径；有效正压力。（三）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（对应边边体高度和边坡角）的稳定系数。（四）采掘场边坡地层抗剪强度有关指标的选取根据以上分析情况，针对不同的边坡分区提供相应的岩石物理力学参数。本露天煤矿有关岩石物理力学指标的

7、选取，由于地质报告中资料所提供的岩石物理力学性质满足不了分区提供岩石物理力学参数，因此仅根据伊金霍洛旗兰家塔富源煤炭有限责任公司煤矿生产补充勘查报告、工程岩体分级标准及类似矿山的设计经验，选取一定的岩体力学参数，具体见表5-2-1。岩石物理力学参数表表5-2-1指标岩性容重r（t/m3）内摩擦角（°）凝聚力c（Kpa）黄土1.872325泥岩2.4426316砂质泥岩2.4232450粉砂岩2.4635135演化弱层2.108.812.5煤1.2526.5210岩体抗剪强度指标确定边坡岩体抗剪强度，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

8、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。（

9、五）稳定分析计算1、采区东帮边坡高为31m左右，达产年即实现内排，且为压帮内排，所以需要存在的时间较短。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.20。此边坡剖面选取在采空区冒落带部位，由于采空区的垮塌形成一段破碎带，经分析计算，边坡角在38°时，该边坡有最小安全系数1.243，张裂缝位于距坡顶12m左右的地表，为张裂缝圆弧型滑面，见图5-2-2。通过对采空区的研究，建议适当减缓坡角较好。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.244。图5-2-22、采区南帮边坡高为91m左右。达产年即实现内排，且为压帮内排，所以需要存在的时间较短。根据煤炭工业露天

10、矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.20。经分析计算，边坡角在36°时，该边坡有最小安全系数，为1.247，张裂缝位于距坡顶24m左右的地表，为张裂缝圆弧型滑面，见图5-2-3。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.251。图5-2-33、采区北帮边坡高为38m左右。达产年即实现内排，且为压帮内排，所以需要存在的时间较短。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.20。经分析计算，边坡角在38°时，该边坡有最小安全系数，为1.240，张裂缝位于距坡顶10m左右的地表，为张裂缝圆弧型滑面，见图5-2-4。Morgenstern-Pri

11、ce法计算安全系数最小为1.240。图5-2-44、采区西帮边坡高为80m左右。达产年即实现内排，且为压帮内排，所以需要存在的时间较短。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.20。经分析计算，边坡角在36°时，该边坡有最小安全系数，为1.252，张裂缝位于距坡顶7m左右的地表，为张裂缝圆弧型滑面，见图5-2-5。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.249。图5-2-5根据伊金霍洛旗兰家塔富源煤炭有限责任公司煤矿生产补充勘查报告的资料分析和最终的边坡稳定性分析验算，总的来说，该矿工程地质条件较好， 达产年实现内排，采场边坡为短期边坡，总的来说，

12、采场边坡以东帮和北帮为38°为宜，西帮和南帮以设计角度36°开采较稳定，东帮和北帮遇采空区处应适当减缓边坡角。设计推荐采场整体边坡角36°。需要注意的是采空区对边坡稳定性的影响，必要时进行冒落带的清理和砌护。三、排土场边坡稳定分析（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，并结合经验数据确定计算参数，其内摩擦角值为25°，凝聚力为20KPa。排土场长期松散系

13、数为1.051.1，中期为1.11.15，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）外排土场基底为第四系松散层，由含钙质结核粉砂质黄土、粉细砂及冲洪积物等组成，遇水易崩解具硬塑至可塑状态，属极不稳固型，因此必须加强基底防排水。（2）内排土场基底由砂岩、砂质泥岩、泥岩等组成，为中软岩石，泥岩遇水易软化形成弱层，为防止大气降水通过松散的排弃物料下渗到基底形成弱层，在排土场底部应做鱼刺状泄水盲沟将水引至低处及时排出。3、滑坡模式可能为圆弧型滑坡或圆弧直线型滑坡。（二）稳定性分析1、一号外排土场该排土场位于采场东帮，高度达80m左右，基底倾向排弃方向2&

14、#176;。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.25。经分析计算，边坡角在20°时，该边坡有最小安全系数，为1.297，张裂缝位于距坡顶11m左右的地表，为穿通基底的圆弧直线（平面）型滑坡，见图5-2-6。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.301。图5-2-62、二号外排土场该排土场位于采场北帮，高度达80m左右，基底倾向排弃方向4°。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.25。经分析计算，边坡角在20°时，该边坡有最小安全系数，为1.289，张裂缝位于距坡顶9m左右的地表，为穿通基底的圆弧直线（平

15、面）型滑坡，见图5-2-7。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.296。图5-2-73、内排土场该排土场为内排土场，高度达40m左右，基底倾向排弃方向2°。根据煤炭工业露天矿设计规范，本设计推荐的安全系数Fs 1.25。经分析计算，边坡角在20°时，该边坡有最小安全系数，为1. 337，张裂缝位于距坡顶16m左右的地表，为穿通基底的圆弧直线（平面）型滑坡，见图5-2-8。Morgenstern-Price法计算安全系数最小为1.321。图5-2-8总的来说，排土场排弃物料以各类岩石混合物为主，排土场边坡稳定性较好。内排土场基底相对较好，但要做好防排水；

16、外排土场基底以第四系为主，对不稳固区域做好基底清理。经稳定性分析验算，设计对内、外排土场最终推荐的稳定性边坡角为20°。需注意的是：进行排弃时，基底尽量排弃大块、坚硬和见水不易泥化的物料。对基底表层有松软土层时，用推土机清除；对倾斜的坚硬基底，用爆破法配合机械破坏基底的平整性，增加其摩擦系数。尽量不要破坏原来的泄水通道，尽快形成排土场周边的排水系统，保持基底畅通。第三节 安全设施及监测采掘场整体边坡为煤层、岩层、土层混合类型的边坡，边坡高度较高，部分区域整体边坡高度极高，边坡体中含有节理破碎带等，稳定性较差，是本次设计的重点。采掘场边坡岩层构成较复杂，岩层种类较多，岩层厚度分布不均，

17、未做过详细的边坡岩土勘察，边坡内部是否存在弱层也无确切的资料，岩体节理情况不清，地下水赋存状况不明等。建议下一步进行地下水数值分析、地下水位监测和地表位移监测。如果地下水水位升高，或地表降水量较大，导致边坡中的地下水位升高，将导致采矿场、排土场边坡稳定性急剧降低，尤其是排土场边坡，由于排土场荷载的因素，可能导致排土场基底强度降低，引起滑坡。因此，在生产中应加强边坡监测，遇到不利情况，立即采取措施。岩石节理、弱层、破碎带等对边坡稳定性影响较大，在生产时应密切注意其对边坡稳定可能产生的影响，一旦出现对边坡不利的情况，应立即采取抗滑工程措施，防止边坡滑坡。一、边坡监测露天矿边坡稳定性研究工作不可能一

18、次完成，而应贯穿于该露天矿服务年限全过程。因此，生产中应根据实际及时测定排弃物料的物理力学指标，计算边坡角和稳定系数，必要时可通过调整平盘宽度来调整边坡角，保证露天矿安全生产。边坡稳定的监测是防止滑坡和预报滑坡的重要手段，有助于露天矿的安全生产。监测方法可根据不同边坡条件及不同时期分阶段监测。如初期监测主要是地表位移监测，主要是在采场及排土场的边坡上建立观测线，布设监测点，定期观测监测点，观测监测点有无位移。第二阶段监测，除了继续初期监测工作以外，还应加强监测工作的深度、广度，进行地下位移监测。到了后期，边坡的破坏机理及破坏边界基本确定，破坏岩体可能产生较大位移，前阶段的监测系统不能满足要求，

19、此时，应配备遥控设备并与计算机联网，以便准确及时地得到监测数据，迅速处理。露天矿生产中边坡滑坡会对生产和设备以及人身安全产生直接影响，为保证安全应严格按照设计确定的边坡角进行开采，同时应设置专门人员和配备相应设备如全站仪、水准仪等，作好监测和监控，力争在边坡滑动前准确及时地反馈信息，以便及时采取有效的防范措施。建立边坡监测系统，确保滑坡等危险及时发现及时处理。本矿工作帮后期将形成为最终帮，因此工作帮到界边坡也可能存在滑坡的可能性。监测点应布置在本矿采掘场工作帮的最终帮、非工作帮及两侧端帮、排土场两侧边帮上。监测点垂直布置，形成监测线，几个监测线加上布置在采掘、排土场外200m范围内的监测点形成

20、该矿的监测网，具体边坡监测线、点见移交时期安全设施布置平面图中安全设施平面布置。监测线间距200m，监测点间距30-50m。二、地面重要设施基础变形，沉降监测设施露天矿为中小型露天，地面建筑及设施较全，地面建筑均在露天采区及排土场境界以外，建筑所在一方边坡高度也不大，并有足够的安全距离，基本不受露天开采的影响而发生降沉。重要建筑物均建在设计规范要求的露天开采境界和外排土场境界安全距离之外，但在生产中，在监测边坡稳定的同时，也要对重要设施采取定时监测。对于地面主要设施的基础变形，沉降要进行经常性的监测，如有必要作一些补充勘探工作，查明该地区的工程地质和水文地质情况，适当时机可作一些抗滑工程措施，

21、如加强排水、削坡、压坡脚、打抗滑桩、锚杆等。在采场、排土场周边200m范围内，建立边坡、地基监测网络。定期测绘，上图分析，发现异常及时采取措施。监测设备在生产初期采用矿山测量仪器如经纬仪、水准仪、全站仪等，在滑坡的迹象日益明显时，可采用地表位移应变仪。本矿初期边坡监测采用测量机器人（徕卡TM30全站仪）与徕卡GeoMos监测软件组成的监测系统一套，其具有自动识别目标的ATR功能，能够自动搜索、照准目标，实现角度和距离的全自动化测量，远距离和全天候的自动化监测。第四节 露天矿边坡安全防治措施一、预防露天采场及排土场滑坡的技术安全措施和设施露天矿技术改造工程完成后，随着采矿工程的发展和延深，露天采

22、坑深度增加，由于地质、水文条件、采矿、气候等各种因素的影响，滑坡的危险逐渐增加。根据矿田的大小、工程及水文地质条件，对露天采场定期进行监测，在分析监测资料的基础上，对边坡的管理采取相应的措施，保证生产的正常进行和人身设备的安全。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、挡土墙等方法中选择合理的治理措施。3、在非工作帮和端帮，要严格按照设计进行采掘，严禁越采超挖。4、非工作帮、端帮和到界台阶，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

23、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土岩，特别注意膨润土的存在。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离，按煤炭工业露天矿设计规范其间距不得小于50m规定，本设计取60m。8、编制较完善的滑坡灾害应急抢救预案二、完善采掘场、排土场周边防排水体系1、在外排土场未建立之前，排土场周边的排水系统必须尽早建成。为此，在排弃时，基底尽量排弃块大的、坚硬的、见水不易泥化的物料，尽量不要破坏原有的迳流条件，保持基底排泄畅通。2、为了保证内排土场边坡稳定，应在采掘场边坡周边建立完善的防排水设施

24、，使外部积水不入坑，并在排土场边坡上建立完整排水系统，使排土场边坡上的雨水尽快排出，坑内的积水也应尽早排出，以降低地下水水位，提高内排土场边坡的稳定。三、加强内排土场基底管理1、在内排土场基底应尽量排弃块大的、坚硬的、遇水不易泥化的物料，并保持其连续性，以尽量将排土场内部的水排出；2、必要时对基底做麻面防滑处理，既有利于排水流畅又增大与物料摩擦力，确保内排土场边坡稳定；3、必要时在煤层底板设置“盲沟”的排水沟和集水沟，沟内设滤水管形成沿内排土场底部的排水系统，及时将内排土场底部的水排出。四、控制雨水、地下水渗入内排土场底部的措施1、建议在排土场达到最终位置平盘和坡面铺一层不透水的粘土或来源方便的替代物用压路机夯实，形成防渗层，在其上再铺一层土壤，绿化植被；2、在内排土时沿端帮境界排弃10m宽的隔水墙，减少地下水的渗入。 3、在边坡形成期间和形成之后，应定期监测外排土场边坡的位移变形情况，当发现某一部位变形异常，应提高监测频度，并提出相应的治理措施，避免造成更大的损