将军戈壁一号露天煤矿北帮边坡角优化研究

杨国成，孙进步，胡铁男

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

露天矿边坡角的设计，对露天矿的生产安全与经济效益有着极大的影响。设计的边坡角过小，将增加剥离工程量，增加生产成本，降低矿山的经济效益；而设计的边坡角过大，不能保障边坡的稳定性，最终导致片帮和滑坡事故的发生，会给人们的生命、财产安全带来极大的威胁，严重地影响矿山的安全生产[1]，因此露天矿边坡角的优化设计应达到最优状态，既能保证边坡的稳定性，又能提升矿山的经济效益[2]。

在边坡角优化及边坡稳定性分析方面，众多学者开展了相应的理论与实验方面的研究工作，并取得了大量的研究成果。李巧玲等[3]以白砺滩露天煤矿东帮顺层边坡为研究对象，选取典型剖面进行稳定性分析，根据分析结果对最终边坡角进行优化；高富强等[4]为探究边坡角对哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡稳定性的影响程度，采用FLAC/SLOPE 软件对不同倾角的端帮边坡进行稳定性分析；冯锦艳等[5]将数学中的二分法理念引入用于边坡角度的优化设计，给出了边坡角度的优化设计流程；李云等[6]为保证露天边坡的安全稳定，提出用有限元与极限平衡综合分析法分析其稳定性并优化边坡角。

将军戈壁一号露天煤矿是新建矿山，为确保边坡安全，实现滑坡风险预控，避免滑坡灾害对矿山生产建设造成损失，维护人民生命财产安全，需对将一矿北帮边坡角进行研究与优化，尤其是局部边坡角的确定。

1 矿区地质条件和分析方法

将军戈壁一号露天煤矿矿田地层主要有第四系松散岩类、侏罗系碎屑岩类。矿田大面积被第四系覆盖，西部侏罗系石树沟群地层大面积出露，矿田的北部西山窑组出露区地层遭受不同程度的火烧。第四系松散层为戈壁平原堆积，先期开采地段厚度1.0～19.14 m，平均厚度9.26 m。结构松散、干燥，孔隙度大，属典型的散体结构；侏罗系浅部风化层，风化深度一般25～30 m，岩石风化后完整程度遭受破坏，成碎块状、薄饼状及短柱状，近散体结构，风化裂隙较发育，一般岩石结构未发生改变，经风化后岩石力学性质有所降低，略低于新鲜岩石；火烧区集中在矿田的北部，煤层顶底板及围岩经火烧烘烤，改变了原岩的性质，成为坚硬、破碎、裂隙及孔隙发育的烧变岩。结合工程地质剖面以及钻孔揭露的地层情况综合分析，确定本矿区弱层分布情况特征，各煤层顶底板，岩性以泥岩、碳质泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、砂砾岩、泥质粉砂岩为主，煤层透水性好，节理裂隙较发育，水渗至顶底板泥质结构易崩解的泥岩中，使其遇水弱化，形成相对薄弱层位。B5 和B3 煤顶底板中的弱层多以碳质泥岩为主、取出的岩芯为灰褐色，手捏易碎，厚度2.46～5.07 m，B1 煤顶底板弱层，多以泥岩为主，遇水易软化呈散体状，厚度3.52～5.39 m。

采用极限平衡分析方法对边坡进行安全评价分析，根据《煤炭工业露天矿设计规范》6.0.8 条确定边坡稳定性安全系数Fs的选用范围。

根据目前将一矿建设规划、地质条件及采矿设计方面掌握的情况分析，将一矿北帮边坡为非工作帮边坡，边坡暴露时间最长不超过10 年，边坡计算过程中考虑的火烧、富水等情况，安全储备系数选取时不小于1.20。

2 北帮边坡整体边坡角的确定

本次首采区北帮边坡角度的确定以首采区北帮1－2 剖面作为研究剖面，该剖面上有实际勘探的2个钻孔，地质资料可靠、准确。该剖面位置地层从上至下主要涉及第四系覆盖层、砂岩、泥岩、B1 煤、B5煤、炭质泥岩，将B1 煤的底板出露边界作为坑底界，不断调整整体边坡角，进行整体边坡稳定性分析。利用Morgenstern－Price 法和Bishop 法对整体边坡角进行试算，整体边坡角计算从25°逐步加大至35°，增大幅度为1°，对其试算。安全系数与整体边坡角关系图如图1。

图1 安全系数与整体边坡角关系图

采用Morgenstern－Price 法，根据以上结果，边坡整体角度在28°时，其安全系数Fs=1.210，北帮边坡安全储备系数Fs需大于1.2，所以整体边坡角度应小于等于28°。

3 北帮边坡局部边坡角确定

3.1 B1 煤台阶部分边坡角

B1 煤层处于开采范围内的岩层层位的最下层，B1 煤层开采后即可实现内排，B1 煤层暴露时间短。根据相邻的将军戈壁二号露天煤矿的经验，对于暴露时间短的煤层台阶，其单台阶坡面角为55°，故将军戈壁一号露天煤矿的B1 煤层台阶坡面角从50°开始试算，逐步调整加大坡面角至75°，试算过程段高采用全煤层厚度作为段高。B1 煤台阶不同坡面角与安全系数关系如图2。

图2 B1 煤台阶不同坡面角与安全系数关系

根据以上计算结果，保证B1 煤层台阶安全系数大于1.2，B1 煤层台阶坡面角不得大于65°方能满足安全储备要求。

3.2 B1 顶板至B5 底板岩层台阶边坡角

B1 煤层顶板至B5 煤层底板间岩层包括炭质泥岩、细砂岩、粗砂岩，其厚度为28 m，在试算过程中将其构成1 个岩层台阶，岩层厚度作为岩层台阶段高。台阶坡面角从45°开始试算，逐步调整加大坡面角至50°，B1 顶板至B5 底板岩层不同坡面角与安全系数关系如图3。

图3 B1 顶板至B5 底板岩层不同坡面角与安全系数关系

由计算结果可知，为确保B1～B5 岩层台阶的稳定性复合安全储备系数的要求，该台阶坡面角不得大于47°。

3.3 B5 煤层台阶边坡角

B5 煤层处于北帮边坡中部，岩土体剥离之后，B5 煤台阶暴露时间长，其安全系数适当取大值。B5煤层台阶坡面角从50°开始试算，逐步调整加大坡面角至75°，试算过程段高采用全煤层厚度作为段高。B5 煤层台阶不同坡面角与安全系数关系如图4。

图4 B5 煤层台阶不同坡面角与安全系数关系

根据试算结果，为保证B5 煤层台阶的稳定，其安全系数取1.3，则B5 煤层台阶坡面角不大于60°能满足安全储备要求。

3.4 B5 煤顶板至水位线岩层台阶边坡角

根据工程勘探成果，水位线位置位于+530 m，将B5 煤顶板至水位线位置作为划分台阶时的工况考虑，由于B5 煤顶板至水位线高差为62 m，将其划分为2 个台阶：B5 煤顶板至+500 m 水平台阶和+500～+530 m 水平台阶。首先进行B5 煤顶板至水位线岩层台阶整体局部边坡角进行试算，试算过程从35°开始，逐步调整加大坡面角至45°；然后对划分得到的2 个台阶分别进行计算其坡面角，B5 煤顶板至+500 m 水平台阶坡面角试算过程从45°开始至50°结束，+500～+530 m 水平台阶坡面角试算过程从45°开始至55°结束。B5 煤顶板至水位线岩层台阶整体局部边坡角与安全系数关系图5，B5 煤顶板至+500 m 水平台阶不同坡面角与安全系数关系如图6，+500～+530 m 水平台阶不同坡面角与安全系数关系如图7。

图5 5 煤顶板至水位线岩层台阶整体局部边坡角与安全系数关系

图6 B5 煤顶板至+500 m 水平台阶不同坡面角与安全系数关系

图7 +500～+530 m 水平台阶不同坡面角与安全系数关系

由试算结果得到的安全系数在B5 煤顶板至水位线岩层台阶整体局部边坡角为40°时满足安全储备系数的要求，故在土方剥离施工中该部分边坡的局部边坡角不可大于40°。为B5 煤顶板至+500 m水平台阶和+500～+530 m 水平台阶满足安全储备系数的要求，根据计算结果，B5 煤顶板至+500 m 水平台阶坡面角需不得大于48°，+500～+530 m 水平台阶水平坡面角不得大于52°。

3.5 水位线至地表台阶边坡角

由水位线至地表垂高21 m，采剥时地表至530 m 水平标高形成1 个台阶，该台阶试算过程从48°开始至52°结束，水位线至地表台阶不同坡面角与安全系数关系如图8。

图8 水位线至地表台阶不同坡面角与安全系数关系

由计算结果得出，由水位线至地表的台阶符合安全储备系数要求的坡面角最大为50°。

5 结语

1）北帮整体最终边坡角为28°时，边坡稳定性系数大于1.2，边坡处于稳定状态。

2）为保证边坡局部都处于稳定状态，B1 煤层台阶坡面角不得大于65°；B1～B5 岩层台阶坡面角不得大于47°；B5 煤层台阶坡面角不得大于60°；B5 煤顶板至+500 m 水平台阶坡面角需不得大于48°；+500～+530 m 水平台阶坡面角不得大于52°；由水位线至地表的台阶坡面角不得大于50°。