吉郎德露天矿端帮顺倾边坡稳定性分析与防治措施.pdf

第3 8 卷第4期2023年8 月DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.04.020郭向东，王振伟，姜海涛，等，吉郎德露天矿端帮顺倾边坡稳定性分析与防治措施J.露天采矿技术,2 0 2 3,3 8(4):7 8-8 1.GUO Xiangdong,WANG Zhenwei,JIANG Haitao,et al,Stability analysis and prevention measures of end移动扫码阅读slope inclined slope in Jilangde Open-pit MineJ.Opencast Mining Technology,2023,38(4):78-81.露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.4Aug.2023吉郎德露天矿端帮顺倾边坡稳定性分析与防治措施郭向东1,王振伟1,姜海涛,李营作,王一涵1（1.北方工业大学土木工程学院，北京1 0 0 1 44;2.中岩矿科（北京）矿山工程技术研究院有限公司，北京1 0 0 0 43）摘要：为解决吉郎德露天矿东帮顺倾边坡稳定性问题，通过工程地质勘察与GNSS数据监测方法，确定赋存岩层边界及边坡失稳影响现状；基于极限平衡法，以工程钻探、岩土力学实验、滑坡反分析、三维有限差分法等方法为依据，分析削坡减载及不同内排脚高度与边坡稳定性变化规律。结果表明：端帮开采高度增加导致坡底整体位移下降，与上部边坡形成张拉破坏。采用坡顶削坡减载及坡脚快采内排措施进行综合治理，削坡后第四系边坡角从2 8 降低为2 6，内排高度为6 0 m时，安全系数满足稳定性要求，治理成本经济、高效。关键词：顺倾边坡；防治措施；削坡减载；内排压脚；失稳破坏中图分类号：TD824.7Stability analysis and prevention measures of end slope inclined slope in Jilangde Open-pit MineGUO Xiangdong,WANG Zhenwei,JIANG Haitao,LI Yingzuo,WANG Yihan!(1.North China University of Technology Colege of Civil Engineering,Beijing 100144,Chinai2.China Rock Mine Engineering Technology Research Institute Co.,Ltd,Beijing 100043,China)Abstract:In order to solve the inclined slope stability problem of the east slope in Jilangde Open-pit Mine,through theengineering geological survey and GNss data monitoring method,the boundary of occurrence rock strata and the status quo of theinfluence of slope instability are determined.Based on the limit equilibrium method,engineering drilling,rock and soil mechanicsexperiment,landslide back analysis,three-dimensional finite difference method and other methods,the variation law of slopestability with different height of inner dumping feet and load reduction is analyzed.The results show that the increase of end slopemining height results in the decrease of the overall displacement at the bottom of the slope and the tensile failure of the upperslope.We carry out comprehensive treatment using measures such as cutting slope at the top of the slope to reduce load and rapidmining and internal dumping at the foot of the slope.When the angle of the quaternary slope is reduced from 28 to 26 and theheight of the inner dumping is 60 m,the safety factor meets the requirement of stability.The cost of governance is economical andefficient.Key words:inclined slopei prevention and control measurei cutting slope;internal dumping presser foot;instability failure滑坡是露天煤矿频发的地质灾害之一，露天矿内排土场由于采排的时间效应和空间状态的变化，临空边坡体局部应力变化集中，岩土体强度弱化产生裂缝，在内部因素和降雨渗透等外部因素的条件作用下，失去对上部岩土体的支撑作用，极易引发失稳滑坡灾害，开采过程中的高陡边坡失稳将严重影响着露天矿的经济发展、工程安全，因此，高效防收稿日期：2 0 2 2-0 8-3 0责任编辑：张东旭作者简介：郭向东（1 9 9 7 一），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。.78文献标志码：B治滑坡灾害发生是露天矿贯彻始终的一项任务。国内外众多学者、专家对露天矿边坡稳定性分析与防治措施做了大量研究1-1 2。杨天鸿等(提出岩体渐进损伤破坏作为边坡岩土体失稳前的本质特征，在开挖卸荷过程中，边坡岩体主要受剪切破坏影响发生拉裂性滑移破坏；谢建兵等1 3 基于极限平衡理论，通过建立反演模型，为滑坡稳定性分析和治理提文章编号：1 6 7 1-9 8 1 6（2 0 2 3)0 4-0 0 7 8-0 4第3 8 卷第4期2023年8 月供参数的正确性和可靠度;李芳玮等5 针对压帮条件下横采内排的边坡稳定性，利用数值模拟，分区段优化了断层与顺倾弱层影响下岩体边坡形态，并建立模型模拟破坏形式，分析计算边坡稳定性,通过研究端帮煤开采时边坡变形破坏，将变形时滑动面破坏分为3 个阶段，并对各阶段岩土体性质分析总结出滑动面破坏变形规律；王玉川等1 8 通过软岩边坡的开挖过程，发现斜坡坡面后缘产生拉裂缝，同时采空区的塌落也会使松散岩体发生震动破碎，进一步扩张拉裂缝；马刚等1 1 0 针对含弱层的顺倾边坡破坏模式进行了防固措施，采用上覆削坡减载防治进行治理，边坡变形得到有效控制。综上，以哈密市吉郎德露天矿端帮顺倾边坡为研究对象，针对内排土场边坡裂隙带和坡面剪出现象，通过整理、搜集和分析相关地质资料，采用现场地质勘查及工程地质钻探、岩土体力学试验、理论分析和数值模拟方法进行分析，确定了地质构造特征、地下软弱岩层及煤层分布情况、变形区破坏特征及岩土体力学强度指标；并研究分析了边坡在放缓边坡角、快采内排防治措施下的稳定规律；从而解决吉郎德端帮边坡稳定性破坏问题。1工程概况吉郎德煤矿位于新疆维吾尔自治区东北部哈密市，矿区出露地层从老至新分别为下石炭统灰绿色凝灰砂岩（南明水组）、中石炭统凝灰岩及火山角砾岩（石钱滩组）、下侏罗统灰白色、灰绿色砂岩及灰黑色泥岩（八道湾组）、下侏罗统灰色泥岩及粉砂岩（三工河组）、中侏罗统浅灰黑色粉砂岩、细砂岩、泥岩及夹煤层和煤线（西山窑组）、新近系（昌吉河群)褐色与红紫色泥岩和粉砂岩。矿田位于纸房大断裂1 3)西南部,受断裂影响，主体区域构造类型呈褶皱向斜，矿田构造为受断层控制和破坏的不完整向斜和1 个残留断块。现状条件下整体边坡角约2 7 3 4,东帮南侧地层倾角为7 0 8 0，由南侧向北侧方向整体边坡角度逐渐变缓，开采深度2 0 0 m左右，东帮地表已开采至最终境界。2 0 2 0 年地表出现裂隙带，台阶坡面有剪出现象，通过GNSS监测数据显示出边坡整体有向矿坑方向位移趋势，最大位移变化量为1 2mm/d,随着开采继续降深，东帮边坡仍存在失稳隐患1 。为进一步确定边坡存在的失稳隐患，通过工程地质现场调查及工程地质钻探方法，结合以往勘察露天采矿技术Opencast Mining Technology成果，在变形区域内进行补充勘察工作，共计布置工程地质钻孔2 个，全程采取岩心，总进尺1 2 0 mm，发现滑坡后缘长度约为2 5 9 m的地表裂缝，裂缝宽度0.1025cm，走向大致平行于边坡台阶走向，台阶变形向矿坑有明显位移，东帮上部台阶标高+1 40 4m平盘及标高为+1 41 6 m平盘台阶坡面上出现了不同程度的剪切裂缝，剪切裂缝贯通,其中东帮上部台阶标高为+1.40 4m平盘出现了滑体的剪出口。根据工程地质勘察成果以及东帮边坡地层特征,结合以往研究成果,建立的东帮边坡典型工程地质剖面图如图1。11.5001400+12UC+1 1HI心2岩土体力学强度岩土体力学强度指标是边坡稳定性评价及边坡整体分析的基本工作数据和依据，通过进行岩体物理力学实验获得常规岩体力学性质数据，为后续理论研究和数值模拟提供力学参数支持。确定岩土体力学强度指标的方法主要分为以下3种：对以往工程地质勘察资料、边坡调研、钻探等资料的收集、整理、综合分析出岩土体物理力学参数；通过最新工程地质现场勘察、采取岩土试样，开展岩土物理力学试验，获取符合现场实际的力学参数；采用边坡“反分析”方法，对滑坡发生前后的极限平衡状态进行反演分析，以此获取岩土物理力学参数，此方法适用于已经有滑体发生的边坡。根据以往资料以及本次现场钻探取样，分别对不同岩性的岩土体进行力学试验，试验主要分为以下几项：岩土体密度和含水率试验；直接剪切试验；单轴压缩变形试验。最终计算边坡稳定分析及边坡参数优化的岩土物理力学指标推荐值汇总见表1。3边坡稳定分析及防治措施3.1边坡现状稳定性分析为研究边坡变形破坏机理及变形破坏时内部的应力应变，采用数值模拟分析方法，数值计算主要方.79Vo1.38No.4Aug.2023专羽层图1工程地质面图第3 8 卷第4期2023年8 月露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.4Aug.2023表1 岩土物理力学指标推荐值汇总表密度/黏聚力/内摩擦角/弹性模量/岩性(tm)第四系1.90内排物料2.20泥岩2.67砂岩2.57软弱岩层2.12法有1 5 ：有限元法、有限差分法、边界元法和离散元法等，本次采用有限元数值模拟软件FLAC3D对边坡变形破坏机理进行对比分析。FLAC3D基于拉格朗日显式有限元差分法，可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性，在给定边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，能够更有效地模拟岩土体的不连续和变形问题1 1 6 。选取采场东帮中南部为典型工程地质剖面模型，其在位置边坡存在软弱带且形成的台阶数量较多，模型长1 0 0 0 m,底部标高1 1 0 0 m，垂直高度为450m。采用FLAc3D软件前处理板块Building Blocks对吉郎德东帮边坡所选取剖面图进行三维建模，导出模型并进行不同岩层的分组。为了得到更接近平衡的初始应力减少模型计算误差，先采用弹性模型对边坡进行平衡计算，然后重置位移属性及初始条件，再次输人最终初始条件和材料强度参数。最终模型选用Mohr-Coulomb塑性破坏准则，数值模型的边界条件为：左右为方向，位移边界固定，前后为y方向，位移边界条件固定，底部z方向，位移边界固定，上部与边坡面为自由边界面。数值模型达到相对平衡后，边坡数值分析云图如图2 图7。8.1121x10-kPa7.0000 x105-1.311510图2边坡垂直方向应力云图-6.0346 10-kPa6.000010%-1.119.510图3 边坡水平方向应力云图8038.4mm泊松比20.0kPa()35201528356282202715323GPa0.0390.0450.1360.2590.080.290.300.310.320.30图4边坡水平位移云图188.33mm100.0010.00图5边坡垂直位移云图3.029.210-1.500010-312.1446106图6 边坡剪切变形增量云图2.9406x10kPa1.800 0 x10%:3.0000 x10图7 边坡剪切应力云图边坡的整体失稳将集中于位移变化较大区域及应力集中区域；从垂直、水平位移云图反映出边坡坡面变形主要发生在第四系坡顶区及软弱层坡脚处；随着开采矿产的继续、开挖深度的增加及地应力的重新释放调整，岩土体单元产生不同程度的塑性变形,边坡内部产生与之相应的变形区；竖直方向在边坡坡顶区域形成最大沉降变形区域，水平方向变形量指向矿坑产生位移；一旦塑性变形区域相互贯通，坡面整体将在贯通面发生整体失稳，因此可通过塑性区是否贯通来评价边坡失稳。由于对底部煤炭资源的开采，破坏端帮边坡原始平衡条件，使边坡出现临空面及采空区，造成东帮边坡岩体卸载松弛，产生顺倾下滑或倾倒变形，变形增量主要集中在薄煤层上方坡脚处和勘测第四系坡顶裂隙带周围。第3 8 卷第4期2023年8 月通过数值模拟与现场勘查结果分析可知，边坡主要变形区域存在软弱结构层，并与坡面呈顺向倾斜状态，软弱层在长期风化作用下，逐渐与边坡走向形成一定角度，导致边坡稳定性减弱，出现裂缝和剪出口，边坡滑动模式为“滑动牵引+倾倒剪切破坏”组合型模式，水平位移较大，结合坡顶应力分布特点，进而说明在工程勘察中第四系的坡顶后缘发生拉裂破坏出现拉裂缝，随着采收底部煤层不断挖深，坡面中部和底部的应力重分布，边坡上半部整体牵引作用增加，第四系坡顶后缘张拉破坏面逐渐贯通，从而升级裂缝的发展，坡脚向采场矿坑产生位移引发坡面整体滑动倾倒，边坡体发生滑移过程中，受到岩土体阻挡，随着位移量不断增加,产生的推力也不断增大，导致坡脚处出现勘测剪出口。3.2边坡综合治理措施露天矿边坡失稳破坏防治措施主要可分为5种：削坡、固腰、压脚、支挡、加固。根据吉郎德露天矿现场勘查试验以及数值模拟分析情况，东帮边坡整体角度较大，第四系岩层已出现明显裂缝与剪出口，开采回收端帮压煤造成坡脚应力增大，潜在滑动面容易形成牵引式滑坡。考虑综合防治措施的经济性及安全性，采取削坡减载+快采内排边坡治理措施，利用极限平衡分析软件Geo-Slope2007进行边坡稳定性计算,采用摩根斯坦-普瑞斯法确定边坡稳定系数，边坡综合治理措施选取1.1 0 作为整体边坡安全储备系数，削坡减载边坡角变化及不同内排压脚高度的边坡稳定性计算如图8。F,=0.943（a）削坡前F=1.035（e）内排压脚高度2 0 m图8 削坡前后及压脚高度稳定性计算结果在边坡综合治理方案中，第四系边坡+1 43 0 m水平平盘向东削坡2 0 m，+1 41 6 m 水平平盘向东削坡1 5 m,第四系边坡2 8 降低至2 6 第四系边坡稳定系数由原始0.9 43 提高至1.2 47，满足1.1 0 安全储备要求。坡脚采取快采内排措施，考虑到边坡时间效应,稳定性系数随内排压脚高度而提高，当内排土高露天采矿技术Opencast Mining Technology度达到2 0 m时，边坡稳定性系数为1.0 3 5；内排土高度继续增加为40 m时,边坡稳定系数呈指数上升状态，边坡角随即减缓，边坡稳定性系数为1.1 0 5；当内排土高度为6 0 m,此时边坡稳定性为1.2 0 3,满足安全储备系数1.1 0 要求，为保证边坡安全稳定，内排土高度不低于40 m。为确保露天矿回收压煤资源过程中的边坡稳定状况，运用边坡雷达监测系统及地表GNSS监测系统，实时监测地下岩土体变形量及变形规律，稳步保障露天矿安全高效生产过程中，实现边坡有效监测及滑坡预警功能。4结语1)通过工程地质勘察及现场钻孔取心，对采样进行岩土体力学试验，确定了吉郎德露天矿边坡各岩层分布状况及岩土体强度参数指标，分析总结了该露天矿2 种边坡失稳破坏模式。2)运用有限元数值模拟软件FLAC3D对边坡进行三维数值分析，边坡变形区域主要集中在坡顶和坡脚，露天矿回采端帮压煤导致坡脚底部整体出现位移，坡顶区域产生拉裂破坏出现较大裂缝，边坡滑动模式为“滑动牵引+倾倒剪切破坏”组合型模式。3)边坡综合治理措施采用削坡减载+快采内排，运用极限平衡软件GEO-Studio计算分析了防治措施与边坡稳定之间的变化规律，最终将第四系岩层削坡后边坡角由2 8 降为2 6，边坡稳定系数为1.247,内排压脚高度确定为不低于40 m。F,=1.247参考文献：1 杨天鸿，张锋春，于庆磊，等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势J1.岩土力学,2 0 1 1,3 2(5)：1 43 7-（h）削坡后1451.F=1.2032张金贵.露天煤矿工作帮边坡破坏模式及稳定性控制研究J.煤炭工程,2 0 1 9,5 1(9):1 3 2-1 3 5.3谢建兵，邹平，李爱兵，等.某露天矿滑坡探测及抗剪（）内排压脚高度0 m强度参数反分析J.矿业研究与开发,2 0 1 6,3 6（8：47-50.4售鲁宁，韩猛.滑坡反分析在内蒙古某露天矿中的应用J.露天采矿技术，2 0 1 8,3 3（4)：5 1-5 3.5李芳玮，王东，尹立.露天矿含断层与顺倾弱层群边坡形态分段优化研究J.煤炭工程，2 0 2 2,5 4（1)：1 48-153.6万忠明，朱涛，甘怀军,等.将军戈壁二号露天煤矿外(下转第8 5 页）81Vo1.38No.4Aug.2023第3 8 卷第4 期2023年8 月收量，万t;p为煤密度，t/m；C为采剥成本，元/m；Q w为经由东南部端帮排弃物料量,万m。各境界方案经济指标见表2。表2 各境界方案经济指标原煤经经济效排土运方案济效益方案1525308方案2527621方案3529935方案4531091根据上述经济指标计算，可知各方案相对于原设计方案1 的原煤经济效益及节约排土运输费用情况，相比较方案4 相对最优，与方案1 相比可增加原煤经济效益5 7 8 2 万元，节省排土运费2 4 7 8 万元。4结语以安家岭露天煤矿东南靠界区域为研究对象，通过对采掘境界优化影响因素分析，提出了采掘境界的4 种优化方案，通过对各方案的经济技术指标对比分析，将东南帮拐角处采掘边界缩界开采，合理优化了东南部靠界拐角处端帮形状，在减少1 3 万t原煤采出量的情况下，可减少剥离量6 3 3 万m，与最初端帮设计相比可增加经济效益5 7 8 2 万元，同时可减少二采区东部排弃物料运输费用2 4 7 8 万元，有效地提升了矿山经济效益。(上接第8 1 页)排土场软弱基底坐落-牵移式滑坡机理 J.煤矿安全，2020,51(4):77-80.【7 丁鑫品，李凤明，李宏艳，等.顺层采动边坡滑动面形成机制与演化模式研究 J采矿与安全工程学报,2 0 2 0，37(5):1019-1026.8陈毛宁.地下采煤引发上覆黄土坡体裂隙化规律试验研究 D.西安：长安大学,2 0 1 9.9王玉川，巨能攀，赵建军，等.缓倾煤层采空区上覆山体滑坡形成机制分析 J.工程地质学报,2 0 1 3,2 1(1)：61-68.【1 0 马刚，王振伟，武懋，等.露天煤矿顺层边坡变形失稳控制对策研究与实践 J.煤矿安全，2 0 1 8,4 9(2):2 2 6-229.11 皮皮慧芳，费晓欧，韩杰.弱层赋存下顺倾排土场边坡稳定性分析及防治 J.煤矿安全，2 0 1 7,4 8（7）：8 9露天采矿技术Opencast Mining Technology参考文献：1 马晓倩，顾晓薇，张军奎，等.不同技术条件下露天矿最终境界变化情况分析 J.金属矿山，2 0 2 0（1 2）：3 3-37.万元2张延凯，李克庆，胡乃联，等.露天矿境界优化LG算法运费初始有向图生成研究 J.煤炭学报，2 0 1 5，4 0（S2)：益增加输费用07.489231261644.627557257825011Vol.38No.4Aug.2023降低367-373.03钟德云，胡柳青.利用3 DMine软件进行露天矿境界优1325化 J.金属矿山,2 0 1 2(1)：1 2 8-1 3 0.19174张炬，王李管，宋华强，等.露天矿境界优化几何约束2478模型优化及其应用 J.黄金科学技术,2 0 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