积水露天煤矿边坡稳定性研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.003马诗文，孙鸿昌，侯成恒.积水露天煤矿边坡稳定性研究 J.露天采矿技术，2023，38（3）：10原13.MA Shiwen,SUN Hongchang,HOU Chengheng.Research on slope stability of open-pit coal mine withponding 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:10原13.移动扫码阅读积水露天煤矿边坡稳定性研究马诗文1，2，孙鸿昌1，2，侯成恒1，2（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）摘要：为了探究露天矿坑在排出积水过程中水位下降对边坡稳定性的影响，以内蒙古某露天矿为背景，研究了矿坑水位下降过程中边坡稳定性变化情况，分析了高水位（高程88 m）以及低水位（高程28 m）矿坑边坡在地震作用下安全系数变化情况。结果表明：随着水位高度不断下降，边坡水平位移不断变大，最大位置区域主要集中在4060 m高程；边坡内部水沿坡面向坡脚方向运移渗出，浸润线的高度随着水位的降低而变小，水位每下降6 m，浸润线埋深下降35 m；安全系数随水位下降变化趋势分为快速下降阶段和平缓阶段，在地震作用下，高、低水位矿坑边坡最小安全系数分别为1.56、0.97。关键词：矿坑积水；水位变化；地震；渗流作用；边坡稳定性中图分类号：TD824.7文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0010-04Research on slope stability of open-pit coal mine with pondingMA Shiwen1,2,SUN Hongchang1,2,HOU Chengheng1,2（1.China Coal Science and Industry Group Shenyang Research Institute Co.,Ltd,Fushun 113122,China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Fushun 113122,China）Abstract:In order to explore the influence of water level drop on the slope stability in the process of draining the pit water in theopen-pit mine,taking an open-pit mine of Inner Mongolia as the background,the stability change of the slope during the drawdown ofthe pit water level is studied,and the change of the safety factor of the pit slope with high water level(elevation 88m)and lowwater level(elevation 28 m)under earthquake action is analyzed.The results show that the horizontal displacement of the slopeincreases with the decrease of the water level,and the maximum location area is mainly concentrated in the 4060 m elevation.The seepage direction of water inside the slope is moving along the slope towards the foot of the slope.The height of the phreaticline decreases with the decrease of water level.The buried depth of the phreatic line decreases by 35 m for every 6 m of waterlevel decrease;The change trend of safety factor can be divided into rapid decline stage and gentle stage.Under earthquake action,the minimum safety factors of high water level and low water level pit slopes are 1.56 and 0.97 respectively.Key words:ponding in the pit;water level change;earthquake;seepage effect;slope stability收稿日期：2022-员0-16责任编辑：张东旭基金项目：中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点资助项目（2019-ZD004）作者简介：马诗文（1991），男，辽宁抚顺人，助理工程师，大专，2014 年毕业于沈阳理工大学，从事露天煤矿安全工作。随着煤矿资源的开发，露天采矿场深度逐渐变大，边坡的高度和扰动面积逐渐增大，因此诱发的滑坡事故的频率和规模逐渐变大，对工作人员以及周边居民的民生安全造成严重威胁1-2。露天煤矿边坡滑动是由变形、破坏、滑动3部分组成，边坡变形不断积累诱发内部破坏，内部破坏贯穿后引起滑动3-4。而露天矿坑在降雨和地下水汇流的影响下，形成坑底积水，积水软化岩土体强度，加大了滑坡危险性，所以研究露天矿坑积水对边坡稳定性的影响具有重要意义。近年来，学者们对露天矿边坡稳定性研究做了大量研究。孙世国等5利用极限平衡法对抚顺西露天10露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月矿内排压脚前后的边坡稳定性进行评价，得出回填压脚有效控制边坡变形，安全系数显著提高；曹兰柱等6运用极限平衡法、数值模拟等方法，研究了不同煤柱留设长度边坡稳定性变化规律，确定了该露天矿南帮的滑坡模式为剪切圆弧-顺层滑移，且留设煤柱越长边坡稳定性越小；侯成恒7利用有限元法、极限平衡法研究了排土场边坡潜在滑动模式以及边坡稳定性，表明该排土场破坏模式为“坐落滑移式”破坏且稳定系数不满足安全储备要求，应采取底部压脚等措施进行加固；刘向峰等8研究了雨季矿震作用下抚顺西露天矿边坡稳定性，得出降雨对边坡稳定性影响存在临界值，降雨及矿震对稳定性影响严重，应提前加固；LI Shuai等9以井下转露天开采为例，通过现场调查建立了露天矿边坡模型，并在模型中选取部分边坡进行定性和定量分析，采用强度折减法和极限平衡法计算了各工况下的安全系数,指出了潜在失稳区域。从以上研究可以看出，地震和渗流在露天矿边坡稳定方面的作用至关重要。而在积水的矿坑中边坡的稳定影响最为严重，水位高低受降雨以及排水能力的影响，同时又控制着边坡稳定性。水位下降导致上部孔隙水压力消散，上部支持力减小，容易诱发“推移式滑坡”；同时受地震等不可抗因素的影响，边坡稳定性会愈加降低。为此，以内蒙古某矿为例，开展高水位（高程88 m）下降到低水位（高程28m）过程中边坡稳定性研究，并在高、低水位施加地震荷载分析安全系数变化情况。1工程概况和数值模型内蒙古某矿位于白音华煤田中南部，处于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗哈日根台镇范围内。地理坐标为东经：118毅22忆耀118毅36忆；北纬：44毅50忆耀44毅56忆。南北长14.25 km，东西宽3.8 km，面积约46.566 km2。该矿2005年开工建设，现在查明煤炭资源储量约为1 365.9 Mt，设计规模20.0 Mt/a。目前采场深度为175 m，由于雨季降雨、地下水汇聚和排水不及时，造成坑底大量积水，严重影响到日常采矿工作。选取南帮一剖面作为本次研究计算模型，根据以往资料确定地层分布，建立长450 m，高182 m的模型，并划分为1 265个节点和1 062个单元进行计算，采用极限平衡法整合渗流场分析边坡稳定性，分析方法选用Morgenstern-Price法。工程地质简化模型如图1。岩土体物理力学性质试验研究，是边坡稳定性分析中的重要内容之一10。岩土体物理力学性质是决定边坡稳定性的内在控制因素，只有正确掌握岩石的强度特征，才能对边坡的稳定性作出正确的评价11。通过对矿区以往岩土体试验成果搜集、现场工程地质勘查、滑坡反分析等方法确定的本次计算模型各地层物理力学参数见表1。基于计算模型，先对边坡进行不同水位高度下边坡渗流分析，得到不同情况下的渗流场；其次计算孔隙水压力对边坡稳定性的影响；最后考虑地震与矿坑积水共同作用下边坡稳定性计算。2数值模拟2.1水位下降对稳定性影响1）水位下降对位移影响。水位在88 m和82 m边坡水平位移云图如图2，水位下降过程中最大水平位移变化图如图3。水位下降，边坡内部水压力消散，对于上部岩土支持力降低，容易诱发上部岩土体发生向下的“坐落式移动”，边坡发生变形导致内部应力集中，为达到新的应力平衡，边坡下部发生变形将内部应力释放，因此，边坡的水平位移不断增大。随着水位高度不断下降，边坡水平位移也不断变大，最大位置区域主要集中在4060 m高程，变化量由初始的0.12 m发展为最后的0.42 m。可见水位下降对边坡变形影响之大。图 1工程地质简化模型表 1各地层物理力学参数岩层名称密度/（t cm-3）黏聚力/kPa弹性模量/GPa泊松比第四系煤泥砂互层2.762.682.7262.257.823.53.256.243.240.260.230.26内摩擦角/（毅）渗透系数/（10-5 m s-1）27.531.734.45.23.55.511露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 6地震作用下安全系数变化2）水位下降对浸润线影响。不同水位浸润线形态如图4。由图4可知：边坡内部水流渗出方向是沿坡面向坡脚运移，浸润线的高度随着水位的降低而变小，水位每下降6 m，浸润线埋深随着下降35m；浸润线边坡内部形态不同，其原因是各岩层之间渗透性差异导致。3）水位下降对安全系数影响。边坡安全系数变化如图5。安全系数变化趋势分为2个阶段：第1阶段为快速下降阶段，水位下降当46 m之前，安全系数从1.65迅速下降到1.38；第2阶段为平缓阶段，当水位在4628 m，安全系数变化平缓且具有缓慢升高的趋势。水位下降对边坡安全系数影响非常明显，尤其是在下降前中期，一方面是由于边坡内部缺少水的支持力，另一方面就是积水对边坡表面压力的丧失。因此，矿坑排水的前中期一定要重视水位剧烈变化而引起滑坡事故。2.2地震对稳定性影响将模型导入Geostudio-Quake/w中计算高水位（高程88 m）、低水位（高程28 m）在地震工况下的边坡稳定性，在模型底部施加水平荷载，峰值加速度为0.05g，持续时间10 s，模型底部及两侧进行固定，坡面设为自由滑动。经过计算后，得出的边坡安全系数随时间变化规律如图6。由图6可知：高、低水位安全系数随时间波动变化，波动的峰值与加速度峰值均在2 s左右，其最小安全系数分别为1.56、0.97，这与加速度峰值时间点图 2不同高度水位计算云图图 3最大水平位移变化图图 4不同水位浸润线形态图 5安全系数变化图12露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月相似，说明地震加速度峰值对边坡稳定性有较大影响；低水位安全系数波动明显，其数值上的变化差异较大大，由于短时间内缺少了积水对边坡表面的压力以及对边坡内部的支持力，加上地震作用导致边坡有可能失稳。3结语1）水位下降导致边坡内部水压力消散，对于上部岩土支持力降低，容易诱发上部岩土体发生向下的“坐落式移动”，边坡发生变形导致内部应力集中，为达到新的应力平衡，边坡下部发生变形将内部应力释放，因此，边坡的水平位移不断增大。2）水位高度不断下降，边坡水平位移也不断变大，最大位置区域主要集中在4060 m高程，变化量由初始的0.12 m发展为最后的0.42 m。可见水位下降对边坡变形影响之大。3）边坡内部水流渗出方向是沿坡面向坡脚运移，浸润线的高度随着水位的降低而变小。水位下降过程中安全系数变化趋势分为2个阶段：第1阶段为快速下降阶段，水位下降小于46 m，安全系数从1.65迅速下降到1.38；第2阶段为平缓阶段，水位在4628 m，安全系数变化平缓且具有缓慢升高趋势。4）地震作用下安全系数随时间波动变化，波动的峰值与加速度峰值均在2 s左右，其最小安全系数分别为1.56、0.97，说明地震加速度峰值对边坡稳定性有较大影响。参考文献：员 李文超，张波，李伟援伊敏露天矿生态修复技术 允 援露天采矿技术，圆园圆圆，猿苑（缘）：愿圆原愿缘援圆 王振伟，李斌，王智涛，等援伊敏露天矿弱层与正断层复合作用下顺倾边坡变形规律 允 援露天采矿技术，圆园圆圆，猿苑（缘）：圆源原圆苑援猿 郭子钰援 露天煤矿边坡变形破坏滑动全过程研究阅 援阜新：辽宁工程技术大学，圆园圆员援源 刘敬玉，赵立春，王彦卓，等援扎哈淖尔露天矿煤矿南帮大变形区治理方案 允 援露天采矿技术，圆园圆圆，猿苑（缘）：愿原员园援缘 孙世国，贾欣欣，肖剑援基于全局临界滑移场技术的抚顺西露天矿边坡稳定性研究 允 援煤矿安全，圆园圆圆，缘猿（员）：圆猿圆原圆猿远援远 曹兰柱，黄浩轩，王东，等援胜利东二露天矿南帮滑坡区压煤回采边坡稳定性研究 允 援煤炭科学技术，圆园员怨，源苑（员园）：愿员原愿苑援苑 侯成恒援露天矿软弱基底排土场边坡稳定分析及治理措施 允 援露天采矿技术，圆园圆园，猿缘（源）：员原源援愿 刘向峰，郭子钰，王来贵，等援降雨矿震叠加作用下抚顺西露天矿边坡稳定性分析 允 援中国地质灾害与防治学报，圆园圆员，猿圆（源）：源园原源远援怨蕴I 杂澡怎葬蚤，在HAO 在藻皂蚤灶早，匀U 月燥赠蚤，et al援 匀葬扎葬则凿悦造葬泽泽蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶 葬灶凿 杂贼葬遭蚤造蚤贼赠 粤灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 匀蚤早澡 葬灶凿 杂贼藻藻责杂造燥责藻泽 枣则燥皂 哉灶凿藻则早则燥怎灶凿 贼燥 韵责藻n 原 孕蚤贼 酝蚤灶蚤灶早允 援陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造 允燥怎则灶葬造 燥枣 耘灶增蚤则燥灶 皂藻灶贼葬造 砸藻泽藻葬则糟澡 葬灶凿孕怎遭造蚤糟 匀藻葬造贼澡，圆园圆圆，员怨（员愿）：11679援员园 金爱兵，陆通，王本鑫，等援基于改进力学等效的岩体关键节理倾角特征试验研究 允 援岩石力学与工程学报，圆园圆猿，源圆（员）：苑远原愿苑援员员 郭建强，卢雪峰，陈建行，等援基于弹性应变能三维匀燥藻噪原月则燥憎灶 准则修正 允 援同济大学学报（自然科学版），圆园圆圆，缘园（圆）：圆园源原圆员员援员圆 王策，张展羽，曹德君，等援基于 灾郧原孕耘晕郧 收缩特征曲线与收缩各向异性的裂隙率估算模型 允 援农业工程学报，圆园圆员，猿苑（苑）：员员圆原员圆员援13