焦步青，丁鑫品

（1.中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006；2.煤炭科学研究总院，北京 100013）

煤系地层陷落柱是煤系下伏可溶岩系中的大跨度溶洞发生持续向上塌陷所形成的，主要以上小下大的倒置漏斗状存在，一般多为岩石棱角分明，形状不规则，排列紊乱，大小混杂，黏土充填黏结。以安家岭露天矿北帮姚吉坪陷落柱为例，该陷落柱位于该区域边坡上部，呈椭圆形，长304 m，宽209 m，面积51 597 m2，边界区域岩性混杂，多为角砾岩，岩层倾角大小极不稳定。在露天开采中，由于陷落柱体内岩体破碎，充填物多为顶板岩石或煤屑、煤泥，同时陷落柱在形成过程中导致地应力重新分布，局部应力不断集中，区域地层不均匀下沉，周边岩土体逐渐向中心区域滑移，最终导致边坡失稳，故其对煤矿安全生产影响较大[1-2]。所以，提出长期有效的方法和措施来降低陷落柱对边坡稳定的影响迫在眉睫，对提升矿山经济效益及安全性具有重大的现实意义和长远影响[3-4]。目前，已有不少专家学者在这方面进行了研究。屈亮等[5-6]采用有限元强度折减法分析了陷落柱破碎带影响下的边坡稳定情况，结果表明，陷落柱中心逆断层影响区域是剪应力变化主要集中的区域，但是滑动贯通面未形成；通过分析边坡稳定性，稳定性系数变化规律呈现由小逐渐增大再变小趋势；随着开采深度的增加，边坡应力重新调整，坡底剪应力不断发生改变，因此出现升高现象，但整体表现为随采深的增加边坡安全稳定系数逐渐降低。王志鹏等[7-10]以安太堡露天矿南帮为研究对象，采用模拟计算仿真软件Geo Studio 对陷落柱影响下南帮边坡的稳定性进行了模拟分析，结果表明，陷落柱对边坡稳定的影响程度较大，而内排压脚措施可以有效提高边坡稳定性。

1 研究区域概况

安家岭露天矿位于平朔矿区的中南部，地处山西省朔州市平鲁区境内，其地理坐标为：东经112°20′52″—112°26′22″，北纬39°26′03″—39°30′30″，井田面积54.765 1 km2，于1998 年4 月开始建设，2003年达到设计生产能力。安家岭露天矿共分3 个采区，其中首采区可采原煤量461.8 Mt、剥离量2 105.93 Mm3、平均剥采比4.56 m3/t，服务年限20.99 年。主要可采煤层从上往下分别为4#、9#、11#煤，平均总厚度为29.5 m，煤层起止标高1 186～1 376 m，埋藏深度100～200 m。煤层一般单独划分台阶、倾斜分层开采，经过穿孔爆破后，由前装机或电铲采装、重型卡车运输至破碎口。露天矿剥离采用单斗-卡车间断工艺，采煤为半连续工艺，即电铲采掘-卡车运输-半固定破碎站-带式输送机至选煤厂。

目前采场内影响边坡稳定的陷落柱为北帮姚吉坪陷落柱，其边界在地表可观测，位于该区域边坡上部。后期通过钻孔对陷落柱边界进行圈定，确定陷落柱为椭圆形，长304 m，宽209 m，面积51 597 m2。陷落柱轴向为北西向，在空间上呈倒漏斗状，上小下大，塌陷角从10°到近似垂直，边界区域岩性混杂，多为角砾岩，岩层倾角大小极不稳定。另外根据物探及钻探成果资料，整个陷落柱视电阻率值较高，表明陷落柱内破碎部分富水性较弱，受陷落柱影响，边坡岩体破碎，胶结程度较低，坡体局部坍塌，不利于边坡稳定，而该区域边坡高度达到200 m，各平盘运输干道密集，且边坡底部设有可移式破碎站，如果边坡一旦发生失稳，将会造成巨大的经济损失。为保证现场生产安全，必须就陷落柱对安家岭露天矿北帮边坡稳定的影响规律、影响的程度及控制措施展开深入研究。

2 陷落柱影响下边坡稳定性

2.1 研究剖面

根据现场实际工程概况，利用工程地质钻探手段对北帮姚吉坪陷落柱边界进行了圈定，该陷落柱为椭圆形，长304 m，宽209 m，轴向为北向西，为了研究陷落柱对边坡稳定性的影响，选取典型剖面NS-3 进行稳定性分析。

2.2 数值模型

为了研究陷落柱对安家岭露天矿非工作帮边坡稳定的影响程度及其控制措施，基于边坡地表航测图、煤层顶底板等高线图、工程地质钻孔及现场实测建立工程地质模型，NS-3 工程地质模型如图1。

图1 NS-3 工程地质模型

基于工程类比法和数理统计方法，通过对安家岭露天矿及其周边矿井已有岩土体物理力学性质指标进行归纳、整理和分析[11]，得到研究所需的岩土体物理力学性质指标，岩土力学参数推荐值见表1。

表1 岩土力学参数推荐值

2.3 边坡稳定计算结果

基于已经建立的极限平衡分析模型，利用数值模拟软件Geo-studio 中Ordinary、Bishop、Janbu 以及M-P 等4 种分析方法对边坡稳定性进行定性分析计算。计算之前主要考虑2 个方面因素：①陷落柱周围煤层以及软弱夹层对边坡稳定性的影响；②陷落柱对周边边坡岩体强度及岩性构成的影响。计算开始后，数值模拟软件会计算显示临界滑移面即最危险滑动面位置，并给出最危险滑动面位置的安全系数，安全储备系数是评价边坡稳定性的1 个重要指标，GB 50197—2005 煤炭工业露天煤矿设计规范第6.0.8条[12]明确规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围，结合安家岭露天矿非工作帮服务年限一般小于10年 的具体情况，选取安全储备系数Fs为1.1～1.2，当Fs＜1.1 时，即认为边坡稳定性不满足要求。

模型中临界边坡滑移面位置及稳定系数如图2和图3。

图2 现状条件下的局部边坡稳定系数

图3 现状条件下的整体边坡稳定系数

计算结果显示局部单台阶稳定系数Fs为1.027，组合多台阶安全系数为1.082，均小于安全储备系数要求1.2，处于不稳定状态，图2 极限平衡分析模型中出现局部单台阶不稳定滑移面的原因为陷落柱影响下单台阶高度较大所致。图3 出现组合多台阶不稳定滑移面的原因为陷落柱影响范围内岩体泥化程度较大，局部应力不断集中，区域地层不均匀下沉，周边岩土体逐渐向中心区域滑移所致，最终导致边坡失稳，发生三级台阶的组合圆弧滑动。

3 陷落柱对非工作帮边坡稳定影响的防治对策

目前，露天煤矿控制边坡稳定主要有内排压脚和削坡减重2 种措施，国内外许多研究学者采用数值分析以及理论方法等对该问题进行了深入的研究，结果表明，内排压脚和削坡减重2 种措施可以有效控制露天矿边坡沿临空面的错动，提高边坡稳定性，研究成果在许多露天矿得到成功应用[13-14]。

结合安家岭露天矿现场实际情况，采用削坡减重措施需要额外配备相应的机械、设备，消耗大量的人力、物力和财力，虽然技术上可行，但经济上不合理。采用内排压脚措施，压脚的材料可以就近取材，既可以实现排弃物料近距离排弃又可以达到控制滑坡的目的，较削坡减重的技术处理措施更为合理可行。因此，选择内排压脚措施来作为边坡稳定的控制对策，另外因内排压脚的取材主要是排弃物料，所以随着内排压脚的高度增加，陷落柱影响下的边坡局部和整体的稳定性也随之改变，如何保证边坡满足一定年限稳定要求的前提下，确定最佳内排压脚高度，对提高矿上经济效益具有指导意义。结合现场实际情况，内排压脚的起始标高为＋1 270 m，高度每增加5 m 后计算陷落柱影响下的局部和整体的边坡安全系数。边坡安全系数随内排压脚标高变化趋势图如图4。

图4 边坡安全系数随压脚标高变化趋势图

由图4 可知，随着内排压脚标高的不断增加，陷落柱影响下的非工作帮边坡局部和整体的稳定性不断提高，当压脚标高达到＋1 320 m 时，边坡局部和整体的安全系数Fs均满足1.1～1.2 范围之间。因此，设计内排压脚标高＋1 320 m，利用SLOPE/W 软件计算得到的采取内排压脚措施后的边坡稳定系数如图5 和图6。

图5 采取内排压脚措施后的局部边坡稳定系数

图6 采取内排压脚措施后的整体边坡稳定系数

由图5 和图6 分析结果可知，当边坡压脚标高到＋1 320 m 时，陷落柱影响区域局部单台阶边坡安全系数Fs＝1.143，组合多台阶边坡安全系数Fs＝1.185，表明内排压脚措施将边坡局部和整体的稳定系数成功增大至安全范围内，满足GB 50197—2005煤炭工业露天矿设计规范中关于露天矿非工作帮服务年限下的边坡稳定系数要求。实践证明，内排压脚可以有效改善陷落柱对边坡稳定的影响，是一项有效且实用的端帮边坡稳定控制措施，对提高矿山边坡稳定性具有实际意义。

4 结论

1）当露天矿非工作帮内部出现陷落柱等地质构造时，周围地应力重新分布，局部应力不断集中，引起边坡岩性构成与产状发生变化，出现岩体破碎，不利于边坡稳定，在岩层面与边坡面顺倾的情况下，边坡岩土体可能沿软弱结构面发生局部滑动失稳。

2）基于模拟计算仿真软件Geo－studio 建立陷落柱影响条件下安家岭露天矿非工作帮现状及采用内排压脚措施处理后的边坡极限平衡分析模型，研究结果表明，陷落柱对边坡稳定性的影响程度较大，而内排压脚可以明显提高边坡稳定性，是一项切实有效的边坡稳定控制措施，不仅可以提高边坡稳定性，而且可以增大排土容量、缩短排土运距，对于露天矿山的安全生产及经济效益有重要的实际意义。