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露天煤矿残煤回采东帮边坡稳定性分析研究
摘 要： 在详细分析了灵泉露天煤矿东帮边坡的工程地质、水文地质情况，及以往的边坡稳定性研究资料的基础上，对东帮边坡稳定性进行了详细的分析、研究。研究结果表明：东帮最终帮坡边坡角为32~35°，边坡稳定系数为1.05~1.15，满足临时边坡稳定储备系数要求。
关键词： 露天煤矿；边坡；帮坡角

1 引言
灵泉露天矿是1960年开始建设，1966年5月投产，设计能力为年产60万t的中型露天矿。1974年进行改扩建，设计能力扩大到年产180万t。自1966年至2008年40余年间，累计生产煤炭4 060.6万t，剥离土方22 748.8万m3。2008年末剩余可采储量6 806万t。现灵泉露天煤矿进行残煤回采，实现横采内排，原工作帮东帮成为了端帮，为了消除滑坡对残煤回采的影响及对安全生产的制约，对灵泉露天煤矿东帮边坡稳定性进行分析研究。
2 矿区概况
2.1 矿区位置及地形
灵泉露天煤矿位于大兴安岭西坡之内蒙古高原，属于额尔古纳隆起带和海拉尔沉降带的接壤部位。区内地势虽高但地形平坦，邻近区外最高绝对标高为602.3 m，区内绝对标高一般在545 m左右，相对高差20~30 m。本区西部为上侏罗统兴安岭群，岩性以中酸性火山岩为主，抗风化性较强，在地貌上形成低山丘陵地带。
2.2 矿区水文地质条件
灵泉露天矿水文地质条件比较复杂，按其含水层的组成和水力性质的不同分为3个含水层组：
第Ⅰ含水层为第四系冲积层。该层由细砂、粉砂、砂质粘土、砂砾等组成，为孔隙潜水含水层。该层以细砂含水层为主要含水层，遍布于全矿区。第四系冲积层厚度变化不大，最大厚度18.4 m，最小厚度9.48 m，一般厚度为14~18 m；细砂含水层发育较稳定，埋藏深度一般在0.5~1.35 m，厚度7.53~8.7 m，渗透系数为4.35~6.35 m/d。
第Ⅱ含水层为煤系风化带裂隙承压含水层。该层赋存于第四系地层以下至垂深90 m，由褐煤、砂岩、砂页岩组成，其中以褐煤含水层富水性与透水性最强，为矿区的主要含水层。该褐煤为风化带内的Ⅱ2~Ⅱ3煤层，其厚度变化不大，为17~19 m，裂隙发育，渗透系数为10~12 m/d，煤层顶底板砂岩透水性与富水性均不强，顶板砂岩渗透系数为3.0 m/d，底板砂岩渗透系数为1.0 m/d。
第Ⅲ含水层为亚风化带裂隙承压含水层。该层赋存于垂深90 m以下，由褐煤、砂岩、砂页岩组成，为富水性与透水性均较弱的含水层，渗透系数为0.6 m/d。
在露天境界范围内，第Ⅰ与第Ⅱ含水层被粘土隔水层相隔，但在开采区之外的北部及东部的局部地区粘土层尖灭，使第Ⅰ与第Ⅱ含水层相互发生水力联系。第Ⅱ与第Ⅲ含水层岩性组成相同，只是依据所处风化带的深度不同而区分的这两个含水层的水力联系甚为密切。
2.3 边坡岩体的工程地质条件
（1）地层及其特征。第四系冲积层：主要为粉细砂层、粘土层和砂砾层，其厚度分别为6.0～9.0 m、2.0～4.0 m和3.0～5.0 m，而且都分布在529标高以上，总厚度为15 m左右。
煤层上部基岩岩层：主要为侏罗系—下白垩系的砂岩和泥质岩，砂岩以细砂岩和粉砂岩为主。其次，尚有一部分中粗砂岩和少部含砾粗砂岩。
煤层底板下部岩层：煤层底板岩层系侏罗系松软岩层，自上而下为细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩互层和泥岩。其中粉砂岩透水性较好，胶结性极差，强度很低，平均厚度为8~12 m；互层的岩性由上而下渐变，其砂质成分逐渐变低，泥质成分逐渐变高，透水性逐渐变差，其厚度为0.2~2 m。
（2）地质构造。露天矿区为扎赉诺尔煤田向斜西翼呈单斜构造，区内构造以断层为主，除局部地段的煤层露头部分和深部近水平呈微小起伏外，没有褶皱出现。地层走向总体呈NE 40°左右，但到了勘探区北部增大到NE 50°以上，勘探区南部则略有减少，一般为NE 25~30°。地层的倾向为ES，倾角0~18°，一般均在8~12°以下，但露头部分变化很大。
该矿断层发育，共有6个主要断层，F4、F5、F6、F10、F33、F35均为走向正断层，断层倾角为45~60°不等，断层走向趋近于地层走向。F4断层近于平行地层走向，呈弧形横贯全区，为正断层，走向为NE 30~50°，倾向SE 40～60°，断层落差10～70 m。F4断层与东帮最终帮坡在85剖面的+420处相交，交角在45°左右。由于85剖面底部以北接近露天矿的最终开采，而且F4倾向与东帮边坡坡向相反，所以F4断层对东帮边坡稳定性影响较小。F5、F6、F10、F33、F35与东帮最终边坡不相交，所以对东帮边帮稳定性没有影响。
（3）煤层。全区可采煤层为Ⅱ2-1煤和Ⅱ3煤，大部分可采煤层为Ⅱ2-2煤，煤层平均厚度为29.4 m。Ⅱ2-1煤层全区可采，顶板一般为泥岩或粉砂岩，底板一般为细砂岩及中砂岩。Ⅱ2-2煤层全区大部分可采，煤层顶板均为粉砂岩或泥岩。Ⅱ3煤层全区可采，煤层顶板为泥岩，底板为细砂岩。
3 边坡岩体物理力学试验指标
岩石物理力学指标是边坡稳定分析和综合评价的重要基础资料和依据。根据岩石物理力学性质试验成果和工程地质、水文地质特征，分析以往所进行的灵泉露天煤矿边坡稳定性研究资料，结合灵泉露天煤矿实际边坡存在情况，综合确定岩体物理力学指标见表1。

4 边坡稳定性分析研究
4.1 边坡安全储备系数确定
根据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2005）当服务年限小于10 a时非工作帮边坡稳定系数可取1.10~1.20，对于临时工作帮边坡稳定系数可取1.00~1.20。灵泉露天矿东帮边坡达到最终边坡形成时，边坡的服务年限也就结束，进行残煤回采，实现横采内排，边坡暴露时间较短，因此，东帮边坡可视为临时边坡，按采矿条件设置时，边坡的稳定系数介于1.05~1.15，边坡的设置是经济合理的。同时，在采矿过程中设置边坡监测系统，故东帮边坡稳定系数大于1.05时，能满足边坡的稳定性要求。
4.2 边坡稳定性分析

根据采矿推进速度以及现露天采场东帮边坡实际情况选取了4个典型剖面，断面间距400~600m。依据实际生产情况南区东帮边坡稳定性较北区东帮边坡稳定性好，所以研究分析在南区选取了1个典型剖面（13剖面），北区选取了3个剖面即29、45、69剖面对边坡稳定性进行数学计算。
① 13剖面东帮边坡稳定性计算
13剖面东帮边坡见图1。根据13剖面东帮边坡建立模型，进行最危险滑面搜索，计算稳定系数为1.075，满足稳定储备系数要求。边坡滑体模式见图2。

② 29剖面稳定性计算
29剖面东帮边坡见图3。根据29剖面建立模型，进行最危险滑面搜索，计算稳定系数为1.104，满足稳定性储备系数要求，边坡处于稳定状态，滑体模式见图4。
③ 45剖面稳定性计算

45剖面东帮边坡见图5。根据45剖面东帮边坡建立模型，进行最危险滑面搜索，计算稳定系数为1.067，满足稳定性储备系数要求，边坡处于稳定状态，滑体模式见图6。
④ 69剖面东帮边坡稳定性计算

69剖面东帮边坡见图7。根据69剖面东帮边坡建立模型，进行最危险滑面搜索，计算稳定系数为1.083，满足稳定性储备系数要求，边坡处于临界稳定状态，滑体模式见图8。
13、29、45、69剖面的边坡稳定分析结果见表2。

4 结论
通过以上分析，灵泉露天煤矿东帮最终帮坡边后采用上行式注浆方式，自下而上进行注浆，即从垂深151 m开始，先壁间注浆，后壁后注浆。注浆压力、注浆材料与主井注浆相同。注浆量：注入水泥量约220~240 t，水玻璃约10 t。
3.3 开切卸压槽
卸压槽是沿井壁周边在井壁内开切的一个水平环状槽，用以释放和衰减作用于井壁上的竖向附加力，保证井筒的安全。根据预计地表下沉量、水文地质条件、卸压槽的变形特性、施工工艺和井壁参数，经计算确定卸压槽的合理位置、数量以及卸压槽的开切高度。
（1）主井。在垂深124 m处开挖一道高度为300mm的卸压槽，以释放作用于内层井壁上的竖向附加力。
（2）副井。上部卸压槽位于累深92 m处，根据副井揭露的地层，该位置外地层为砂质粘土；下部卸压槽位于累深120 m处，根据副井揭露的地层，该位置外地层为粘土层。
3.4加固内层井壁
（1）主井。在破坏段井壁处进行挖补，并架设槽钢井圈增加井壁整体水平抵抗力。井筒修复加固段高3.8 m，分为2段，共架设19道槽钢井圈，上段从垂深123.47 m至124.27 m，段高为0.8 m，架设4道密集圆形槽钢井圈；下段从垂深143.5 m至146.5m，段高为3 m，架设15道密集圆形槽钢井圈。加固槽钢井圈内径为4 850 mm，槽钢规格［20，槽钢井圈与井壁之间空隙充填C50碎石砼，槽钢井圈及零件加工后应进行防腐处理。
（2）副井。在破坏段井壁处进行挖补，并架设槽钢井圈增加井壁整体水平抵抗力。加固段高4.6 m，分为3段，共架设28道槽钢井圈，上段从累深91.6m至92.4 m，段高为0.8 m，架设4道密集圆形槽钢井圈；中段从累深119.6 m至120.4 m，段高为0.8m，架设4道密集圆形槽钢井圈；下段从累深144.5m至148.5 m，段高为4 m，架设20道密集圆形槽钢井圈，槽钢规格［20。槽钢井圈与井壁之间空隙充填C50碎石砼，槽钢井圈及零件加工后应进行防腐处理。
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