黑山露天矿底帮边坡留煤柱设计分析

刘月亭，吕文伟，张 禹

（国家能源集团准能公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

边坡工程一直是露台矿开采中至关重要的工程[1]。边坡的空间形态包括了边坡坡面角、平盘宽度等参数设计，直接决定了地质条件下的边坡稳定性。边坡的空间位置则决定了露天矿整体的开采境界，是矿产资源开采经济性的重要影响因素。岩体中的软弱夹层是边坡稳定性的主要影响因素之一[2-3]。对于含软弱夹层地质特征的边坡稳定性研究方面，国内外学者做了大量的研究，田宇[5]等人对含有多层软弱夹层及断层的到界边坡提出了断层影响下上部和下部弱层对边坡稳定性的控制作用，确定了该种地质情况下边坡的滑移模式是牵引式；赵汝辉等人分析了不同厚度、赋存深度及多种地质岩性条件下的弱层对边坡稳定性的影响程度，软弱夹层厚度、赋存深度和岩性等对边坡水平位移和安全系数的影响，明确了弱层的黏聚力对边坡稳定的影响较大；王东[6]等人运用基于连续介质力学的离散元方法进行模拟验证了含顺倾弱层边坡边坡稳定性，并计算了弱层暴露长度对稳定性的影响，确定了合理的弱层爆破长度；王珍[7]等人通过分析断层和软弱夹层共同控制下边坡的稳定性，得出断层不同倾角下边坡滑移模式的变化及边坡破坏形态特征。综合以上学者对含弱层边坡的就研究结果分析，并未对含分叉型软弱夹层边坡的空间形态及位置进行深入研究，为此在考虑分叉软弱夹层不同的物理力学性质下边坡稳定性基础上，结合不同空间位置边坡之间剥采比的变化确定边坡空间，为此类边坡空间形态和位置设计提供了新思路。

1 工程概况及安全系数选取

黑山露天煤矿处于东西走向的1 条山谷之中，矿区西北部高于东南部。由于地处新疆腹地，海拔普遍在2 400～2 900 m。地形特征主要为高山地和丘陵，山地地形处于矿区南面，地形较为复杂平均落差高达170 m。底帮边坡区域所揭露的地层主要为侏罗系，其岩性主要由烧变岩、砂岩、泥岩、煤构成，火烧区由13－2#煤自燃形成的烧变岩大部分赋存在垂深60～240 m，烧变岩为坚硬、裂隙发育的熔融状物质。根据地质勘察结果，烧变岩与13－2#煤、烧变岩与下覆岩层、13－2#煤与下覆岩层之间都存在弱层，为典型的含分叉型弱层顺倾层状边坡。鉴于黑山露天矿首采区非工作帮发生过滑坡事故，又黑山露天煤矿整个底帮边坡上覆有大量的松散烧变岩且有弱层赋存，故确定其边坡的安全稳定性系数为1.2。

2 边坡影响因素和潜在滑坡模式

2.1 边坡影响因素

通过对黑山露天煤矿底帮边坡工程地质条件及影响边坡稳定性的各种因素分析，确定影响底帮顺倾层状边坡主要因素有以下2 个方面：

1）烧变岩的坡顶荷载效应。黑山露天煤矿底帮所在区域属于高山地形，并且赋存有大量的烧变岩，其经自然侵蚀造成构造和风化裂隙密集且含有错综复杂的结构面，岩体被切割成小块碎屑与松散土体类似，由以往地质勘探结果推断大部分赋存在垂深60～240m 左右。一旦开挖形成边坡，边坡赋存的大量烧变岩载荷作用非常大，从而增加了边坡变形失稳的风险。

2）顺倾弱层对边坡稳定性的控制作用。边坡岩体内含分叉型顺倾弱层。弱层主要有泥岩构成，该矿区泥岩主要由砂质泥岩和炭质泥岩2 种组成，砂质泥岩主要表现为棕红色，个别表现为黄绿色，由高岭石、蒙脱石经过砂质胶结构成，炭质泥岩主要表现为灰色、红褐色2 种，主要是泥质结构。泥岩遇水软化力学强度直接降低并且会长期保持这种状态。随着开采规模、范围的不断扩大，底帮边坡岩体内分叉型弱层便会暴露，并且很有可能成为边坡滑体的底界面，对边坡稳定性构成了威胁。

2.2 潜在滑坡模式

由于构成分叉型弱层的烧变岩下覆弱层和13－2 煤下覆弱层的相对位置、各自倾角及物理力学指标等的不同，开挖形成边坡之后的潜在滑坡模式也不尽相同，潜在滑坡模式与弱层赋存情况及弱层物理力学指标息息相关，存在以下3 种情况：

1）滑坡模式1。发生在烧变岩下覆弱层与13－2#煤层下覆弱层倾角相近且前者的物理力学强度弱于后者的情况下，边坡上部发生以圆弧为侧界面，沿烧变岩下覆弱层为底界面的切层－顺层滑动。

2）滑坡模式2。易发生在烧变岩下覆弱层在深部与边坡临空面呈逆倾状态时，边坡整体发生圆弧为侧界面，以烧变岩下覆弱层及13－2#煤层下覆弱层为底界面的切层－顺层滑动。

3）滑坡模式3。主要发生在烧变岩下覆弱层在深部与边坡临空面呈逆倾角度较大且13－2#煤层下覆弱层倾角较大时，边坡局部发生以圆弧为侧界面，以13－2 煤层下覆弱层为底界面的切层—顺层滑动。

3 边坡留煤柱设计

3.1 计算剖面和岩体力学参数

结合以往的地质钻探成果，考虑到计算与分析的边坡区段范围比较广及圈定合理境界的要求，在研究区域选取了12 个计算剖面，首采区以东区段为露6 线、加13 线、露7 线、I 线、露8 线、13 线，首采区以西区段为9 线、D 线、8 线、C 线、7 线、6 线。选取底帮烧变岩赋存相对分布均匀的剖面加13 为典型剖面进行计算分析。

边坡稳定性分析研究中不仅要了解边坡工程地质概况、水文地质情况、岩体结构、岩体构造、岩体力学特性等情况，岩土体物理力学参数选取的可靠性更是直接决定了计算结果的可信度与精确度。黑山露天煤矿自建设生产以后进行了大量的地质勘查和岩土体力学试验工作，拥有丰富的地质资料，进行了详细、全面的地质情况调查工作，并且获得了一系列具有实际意义的成果资料。综合以上信息确定的底帮边坡所含岩土体物理、力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标

3.2 边坡留煤柱设计

黑山露天矿底帮边坡烧变岩与13－2#煤、烧变岩与下覆岩层、13－2#煤与下覆岩层之间都存在弱层。13－2#煤下覆弱层物理力学参数较烧变岩下覆弱层高，有助于边坡稳定。留煤柱设计方案损失一部分煤炭资源减少了表土剥离量，有助于提高露天矿经济效益。留煤柱设计主要分为岩体段和煤柱段设计，设计流程及步骤如下[8-9]：①选取岩体和煤柱分界中的一点，按照等宽的平盘宽度向地表发推，计算其边坡稳定性系数，通过调整平盘宽度直至稳定性系数达到1.2（绝对误差≤0.1），岩体段边坡即设计完成；②以上步得到的岩体段边坡坡脚点以等宽平盘宽度向煤层底板发推，并调整平盘宽度直至稳定性系数达到1.2（绝对误差≤0.1），将岩体段和煤柱段边坡连接即为留煤柱设计。

选取剖面加13 为典型案例分析，将煤、岩段边坡分段点由烧变岩顶底板分界点向13－2#煤层深部方向以20 m 为步距延伸到100 m，共设计6 组边坡，如果煤、岩段边坡分段点越往13－2#煤层深部方向，虽然可提高局部岩体段边坡稳定性，但其局部煤柱段边坡和边坡整体稳定性均会有所降低，此时需加宽煤柱段边坡或者岩体段边坡平盘宽度使边坡各种滑坡模式下的边坡稳定系数达到安全储备系数要求，这样就增加了13－2#煤的损失量，13－2#煤层为黑山露天煤矿主采煤层，过多舍弃严重影响露天矿经济效益。因此，煤、岩段边坡分段点的相对合理区域应为烧变岩与13－2#煤交界区段。由烧变岩顶底板分界点向烧变岩底板与13－2#煤层底板交点方向以5 m 为步距延伸，通过多次计算得出5 个典型留煤柱边坡空间位置。剖面加13 留煤柱设计方案如图1。

综合以上分析计算，图1 中留煤柱方案由烧变岩顶底板分界点向烧变岩底板与13－2#煤层底板交点方向依次编号为a、b、c、d、e，各边坡设计方案位置如图2，方案间剥离物和煤量比值见表2。

图1 剖面加13 留煤柱设计方案

图2 设计方案位置图

由表2 可知，边坡设计方案a 与方案b 之间比值较小，说明以相对较小的剥离物量可换取较大的煤量，方案b 优于方案a；边坡设计方案b 与方案c 之间比值较大，说明需以相对较大的剥离物量换取较小的煤量，方案b 优于c；同理，边坡设计方案d 与方案e、方案d 与e 之间比值较大，方案c 优于方案d，方案d 优于e。综合方案以上对比分析，剖面加13留煤柱设计相对合理方案为方案b。

表2 设计方案间剥离物和煤量比值

4 结语

1）受烧变岩和顺倾弱层的共同作用，底帮边坡的滑坡模式是圆弧为侧界面，以烧变岩下覆弱层或13－2#煤层下覆弱层为底界面的切层-顺层滑动。

2）针对黑山露天煤矿底帮边坡的实际工程地质条件，提出了留煤柱设计方案，并进行方案间的剥离物和煤量的比值分析，确定了相对合理的边坡设计方案。