采掘场及排土场边坡稳定

山西交口永兴煤业有限公司露天煤矿边坡工程精细化管理措施及制度采掘场及排土场边坡稳定第一节矿田工程地质条件一、地层矿田地表大部被第四系中上更新统(Q2+3)所覆盖。

本次钻孔揭露，矿田地层由老至新如下：（一）奥陶系中统峰峰组（O2f）钻孔揭露奥陶系地层上部岩性主要为深灰色石灰岩，块状，致密坚硬，巨厚层状构造，具裂隙，局部有破碎，裂隙充填方解石。

厚度大于100m。

（二）石炭系中统本溪组（C2b）奥陶系中统峰峰组石灰岩顶面至K1石英砂岩底，矿田内钻孔揭露厚度在14.50-25.50m，平均19.06m，矿田西部沟谷中零星出露。

岩性主要为浅灰色-深灰色粉砂岩、深灰色泥岩、2-3层深灰色石灰岩及中粒砂岩，底部泥岩中含黄铁矿。

（三）石炭系上统太原组（C3t）为矿田内含煤地层，西部、中南部及东南部沟谷中出露，除ZK5、ZK11号钻孔揭露全外，其余均被不同程度剥蚀。

岩性由深灰色砂质泥岩、深灰色泥岩、浅灰色中细粒砂岩、浅灰色细粒砂岩、浅灰色铝质泥岩、2-4层深灰色石灰岩及煤层组成。

石灰岩块状结构，性脆，坚硬，具裂隙，裂隙中常充填方解石，厚度2-8m。

含9+10、11号煤层，稳定全区可采。

底部K1砂岩，厚度1.00-7.00m，局部相变为砂质泥岩、泥岩，以K1为标志层与下伏本溪组地层整合接触。

本组厚度87.20-90.50m，平均88.89m。

（四）山西组（P1s）矿田内除ZK5、ZK11号钻孔揭露本组地层外，矿田大部被剥蚀。

残留厚度27.70m。

岩性为浅灰色粉砂岩、浅灰色细砂岩、灰色-深色灰色泥岩，未见煤层。

底部为K7砂岩，钻孔揭露厚度3.50-4.00m。

以K7砂岩为标志层与下伏太原组地层整合接触。

（五）第四系中、上更新统（Q2+3）矿田广泛分布，厚度一般0-30m，岩性为灰黄色粘土，含砂质，顶部常为杂色。

二、构造本矿田地质构造为一组宽缓褶曲组合构造，以北部背斜为主体，东南部为2个小背斜。

北部主体背斜（S1）轴向近东西，向东倾伏；东南部2个背斜（S2、S3）轴部近南北，西边背斜（S2）封闭，东边背斜（S3）向北倾伏。

矿田地层倾角平缓，一般3°-5°，矿田东北部倾角最大为8°。

三、水文地质（一）地表水本区属黄河流域汾河水系，矿田内没有常年性地表水体，西部、中南部较大沟谷，雨季山坡水汇集沟谷中流泄。

矿田上游亦无常年性河流，但雨季地表水汇聚沟谷沿沟会流向矿田内，增加矿田采掘场汇水量。

（二）含水层1、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层仅在矿田西部深沟中零星出露，区域资料表明该含水层富水性强，其上部峰峰组厚100m左右，岩性以灰岩为主，夹泥灰岩、白云质灰岩。

钻孔揭露裂隙较发育，局部有破碎带，据区域资料显示，含水层富水性强。

2008年11月山西省第二地质工程勘查院在矿田西南为交口县兴荣冶炼有限公司施工一供水井，井口标高为1390m，井深600m，终井深度为马家沟组地层，抽水试验结果：静止水位埋深337m，水位标高为1053m，涌水量2000m3/d。

水质化验结果：矿化度为821.11mg/L，PH值为7.66,总硬度为662.15mg/L，水质类型为SO4·HCO3-Ca型。

矿田奥灰水位1052.50-1053.50m。

2、石炭系石灰岩岩溶裂隙含水层K2石灰岩多为9+10号煤层间直接顶板，厚度一般6.0m左右，于矿田西部沟谷两侧山坡下部零星出露，全矿田基本属K2之浅埋藏地带，并与K3、K4共处于基岩风化带之中，与K3、K4在出露地带发生水力联系，共同接受少量大气降水，据本矿排水资料，正常排水量为30m3/d，属含水性弱的含水层。

3、基岩风化带裂隙含水层本矿田西部沟谷两侧出露9+10号及11号煤层：其顶板均处于基岩风化带环境，风化裂隙发育，雨季可直接接受大气降水的补给，形成良好的透水层可直接导入矿坑，据老井开采资料，靠近煤层露头附近的巷道，雨季顶板及煤层中均表现为渗滴，但水量不大，因补给区到排泄区极近，季节性十分明显，一般雨停10-20天即基本消失，实属良好的透水层。

（三）地下水补、径、排矿田岩溶水属郭庄泉域，位于郭庄泉域东部，为郭庄泉域的补给径流区，水位标高1053m，其补给主要为矿田外西、北方向奥灰岩出露区大气降水，在矿田内由西北向东南径流。

太原组灰岩岩溶裂隙含水层在矿田内外出露区接受大气降水补给，顺岩层径流，其排泄主要为矿井水疏排。

矿田内表土层较薄，其底部的松散孔隙水接受大气补给渗入基岩风化裂隙带，形成地下浅水，赋存形态、径流与地形一致，在沟谷中切割处以渗水或泉的形式排泄。

四、气象本区温带大陆性季风气候，昼夜温差较大，四季分明。

据交口县气象站近年气象资料统计，年平均最低气温-8.1°C，年平均气温9°C，七月份最热，最高气温28.1°C，降水多集中于夏季，年最小降水量为285.5mm，年最大降水量798.8mm，年平均降水量566.0mm，年平均蒸发量1799.4mm，蒸发量是降水量3.18倍，霜冻期为十月上旬至次年四月下旬，最大冻土深度1.04m。

最大积雪厚度0.4m。

主导风向冬季为西北风，平均风速3.0m/s，最大风速为22m/s。

五、地震根据中华人民共和国标准GB50011-2001《建筑抗震设计规范》，本区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。

第二节采掘场边坡稳定一、计算方法1、滑坡模式采掘场帮坡地层的构成，其上部大部分为黄土覆盖，一般为0-30m，其中部分为缓倾斜岩层，形成沿层理面的圆弧--直线（层面）型滑坡的可能性较小。

上部黄土覆盖层较薄，易形成较小的张裂缝，在由黄土、岩层和煤层构成的帮坡体中，形成“张裂缝-圆弧型滑坡”的可能性较大。

2、计算方法根据地质报告，本矿地层内含水量较小，含水层主要是第四系和基岩裂隙含水层水具微承压性，但也易于疏干，其富水性弱，易于疏干；采空区有积水地下，所以不需考虑来自此地层内潜水对滑坡体产生的水力推压力矩和水力浮托力，计算方法选用简化毕肖普(Bishop)法。

计算方法选用简化毕肖普(Bishop)法。

简化毕肖普(Bishop)法简化毕肖普法是计算单一圆弧型破坏最为常用和有效的方法。

数学模型如下：图2-2-1∑∑++=Q Z F Y X F )/1/( 式 中：i i i wi w i i X tg h r rh C X αφcos /])([∆-+=i i tg tg Y φα ·=i i i X rh Z αsin ·∆= R a Z r Q w / · ·212=必须满足条件：张裂缝预想滑面H（1）0/1/ ·〉‘FY F tg c h r rh i wi w i +'--=ασ （2）2.0cos )/1(〉i F Y α+ 式 中：F ——稳定系数；i C ——瞬时粘结力；r ——岩石容重；i h ——条块高度；w r ——水容重；wih ——水位高；——瞬时内摩擦角；——条块宽度；——条块底面倾角；——张裂隙水的水平作用力；——有效正压力。

3、求最危险滑落面方法求最危险滑落面，也是求稳定系数最小值，其方法是连续变换张裂缝的位置和变换圆心（即圆弧半径），求出一系列滑落面及相应的稳定系数，从中找出接近最小值的某种规律，从而“接近最小值”，便以此定为该剖面（对应边帮体高度和边帮角）的稳定系数。

二、采掘场边帮地层抗剪强度有关指标的选取采场边坡稳定，主要取决于组成边坡体的岩体强度，根据地质报告提供的岩块强度、岩石物理力学资料及岩层情况和岩体抗剪强度指标。

边帮岩体抗剪强度，一般情况要小于岩块抗剪强度，用减弱系数来表示。

岩体中的结构面抗剪强度要比非结构面位置减小许多，煤矿沉积岩层不同于火成岩的金属矿山等非煤矿地层，煤矿的岩层结构从大到小为：大到断层，一般为层理面，小到节理、裂隙。

抗剪强度中有两项主要指标，其中“凝聚力”指标受影响极大，以减弱系数表示。

本节对岩层、煤层凝聚力减弱系数取值如下：1、对于长期暴露，3年（3冬冻涨、3夏充水矿化、充填、震动、应力释放、断层、节理等）以上的边坡岩体，减弱系数取值为0.045或更小。

2、对于刚刚揭露的工作帮台阶，存在半年左右（未经冬夏），考虑原来在地层中受黄土接触面风化影响的上部岩层（20m范围内），减弱系数取值为0.2；考虑原来赋存深部非风化带，减弱系数取值为0.3。

3、对于黄土暂不考虑岩体凝聚力减弱系数。

三、采掘场边坡稳定分析计算采用简化Bishop法，选取采场内具有代表性的两个剖面从不同角度进行稳定性分析，以此来确定最佳边坡角。

在一采区的北部中间偏西，即11号煤层露头的东部，该边坡高120m左右，覆盖层为黄土、中砂岩、细砂岩、炭质泥岩和泥岩，煤层含夹矸。

经选取34°、35°、36°进行稳定性分析计算，在边坡角度达到35°时Fs ≥1.20，为1.215。

四、结论按照《煤炭工业露天矿设计规范》规定采掘场最终边坡稳定系数不小于1.3，规范规定临时边坡稳定系数可取1.0-1.2，由于本矿岩体边坡工程地质尚缺资料，首采区边坡参照计算结果及类似边坡选定边坡角，在边坡勘探进一步进行后修正，一般规律采掘场随开采深度增加稳定角减小，但考虑到深部岩体强度提高的可能性最终边坡角推荐按35°设计。

第三节排土场边坡稳定一、排土场抗剪强度指标的确定1、排弃物料抗剪强度指标的确定本矿排土场的排弃物料为黄土、粉砂岩、泥岩及砂质泥岩等混合物料，由于没有排土场稳定计算所必须的不同配比的排弃物料物理力学性质试验资料，设计只能按排弃物中各种岩性所占比例综合确定力学指标，参照附近已开采的矿山的排土场排弃物料参数，并结合经验数据确定计算参数，其内摩擦角为值为25°，凝聚力为20KPa。

排土场长期松散系数为1.05～1.1，中期为1.1～1.15，暂按1.15考虑，综合物料容重为2.01t/m3。

2、排土场基底抗剪强度指标的确定（1）外排土场基底抗剪强度指标的确定外排土场基底大部分为第四系黄土，基底强度相对较低。

外排土场基底容重为1.95 t/m3，内摩擦角为22°，接触面再生凝聚力为30KPa，也即假设以存在的弱层为依据，比较可靠。

（2）内排土场基底抗剪强度指标的确定内排土场基底以泥岩为主，强度较高。

但要以低洼处积水的不利假设为依据较为可靠，内摩擦角定为23°，凝聚力定为40KPa，也即弱层指标，较为稳妥。

二、排土场滑坡模式外排土场基底分析，不会产生基底滑坡，从内排土场基底以泥岩为主，吸水后可能软化，要防止发生深层滑坡，因此在煤层底板应做鱼刺状泄水盲沟将水引至低处及时排出，防止长期浸泡。

排土场滑坡模式很可能是排弃物料的“坐落滑移式”的滑坡。