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[摘要]本文从科学的角度，讨论了露天矿山边坡破坏机理； 以昌元露天矿为例，阐述了露天煤矿区影响边坡稳定的最不利外部因素，以及边坡的整体稳定性的治理方案。随着我国露天开采工业的飞跃发展，研究露天矿边坡加固，特别对深凹露天矿边坡加固，确保矿山稳产高产具有很高的现实意义。
[关键字]露天矿 边坡支护 加固
[中图分类号] TV554+.13[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-4-273-2
0引言
露天开采作业改变了原岩应力场和地下水流动条件，使岩体由三向受力变为两向受力状态，降低了岩体的整体强度，增大了其变形性能，加之暴露的岩体孔隙，为地表和地下水的渗入和流动进一步创造了条件，不利于维持边坡的稳定。在新应力场、岩石风化、地下水，以及采场爆破震动等因素的影响下，边坡岩体朝临空面方向产生形变和位移，并逐渐发展直至岩体产生剪切滑移、拉剪破坏等[1]。
常见的矿山破坏类型主要有平面破坏、楔体破坏、圆弧形破坏和倾倒破坏[2-3]。据不完全统计，我国大中型露天矿山的不稳定边坡或具有潜在滑坡危险的边坡占露天边坡总量的15-20%，个别矿山高达30%[4]。而露天矿山目前采用的边坡加固支护方法有挡墙、抗滑桩、锚杆索、爆破、疏导地下水等方法。随着矿山开采规模和深度的增大，矿山边坡滑坡问题日益突出，成为矿山工作者和科研人员亟待解决的重要研究课题。本文以汾西正晖煤业有限责任公司昌元煤矿为例，根据地质条件分析滑坡原因并提出解决方案。
1研究区域概况
1.1昌元矿井概况
汾西正晖煤业有限责任公司昌元煤矿井田（以下简称井田）位于宁武县城西南方向60km。井田地理坐标：北纬38°36′59″-38°39′55″，东经111°55′03″-111°58′22″。
井田呈一不规则多边形，面积8.3859km2。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组（C3t）共含煤4层及煤线，自上而下编号为2、3、4、5号。其中2、3、5号煤层为可采煤层，2号煤层厚2.97-3.87m，平均3.6m， 3号煤层2.85-4.0425m，平均3.26m，为可采煤层，4号煤层0-1.21m，平均0.65m，为局部可采煤层，5号煤层厚度10.25-11.01m，平均厚10.72m，太原组煤层总厚18.23m，地层平均厚度为85.50m，含煤系数18.41%。
1.2 矿井地质水文形势分析
本井田地处山西中台隆起之中北部，吕梁断窿之北东部，宁静断陷盆地之北西边缘，区域内出露地层主要为太古界五台群、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和中生界二叠系、三叠系及部分侏罗系。地层呈NE—SW向展布。
区内构造以褶皱构造为主，北东向褶皱构造（春景洼—马仑背斜和盘道梁—化北屯向斜）为主体构造，控制着区内地层、煤层的分布，北西向褶皱仅见春景洼—麻地沟向斜。区内断裂构造发育，大的断裂构造有东寨—春景洼逆推断层，此外见有数条小的断裂构造。区内岩浆活动微弱，仅在西南部见吕梁期侵入岩体—马仑岩体。区内主要矿产有煤、铝土矿、耐火粘土、石灰岩等。
地表水系属黄河流域汾河水系，流向自北向南。井田内无常年流水性河流，发育的冲沟均为季节性排水通道，平时干涸，雨季沟谷有水汇集流出注入井田东南汾河。矿井正常涌水量为10m3/h，最大涌水量为20m3/h。由于奥灰水位标高为1687.37m，高于目前的开采水平，矿井属于带压开采。水文地质属复杂型，必须做好矿井防治水工作，掌握动态，做好水文地质预探工作
2昌元煤矿边坡滑坡影响因素分析
边坡的岩石性质、构造状况、地表水和地下水特征、边坡角是影响边坡稳定的关键因素。
2.1 岩石性质
根据巷道及钻孔揭露情况分别叙述如下：
2号煤层：赋存于太原组顶部，距K2砂岩0-10m，煤层厚度2.97-3.87m，平均3.6m，含0-6层夹矸，结构简单-复杂，其老顶为K2砂岩，直接顶板为砂质泥岩，底板岩性为泥岩。
3号煤层： 位于太原组中部，上距2号煤层26.85-38.65m，平均32.91m，厚度2.85—4.0425m，平均厚3.26m，煤层结构简单，不含夹矸。顶板岩性为粉砂岩，底板岩性为粉砂岩。
5号煤层：位于太原组下部，上距3号煤层19.66-30.11m，平均23.27m，煤层厚度10.2525—11.0175m，平均厚10.72m，含1-6层夹矸，夹矸单层厚度0.07-0.30m，为结构中等、层位、厚度稳定的全区可采特厚
顶板管理方法为自然垮落法，煤层开采后直接顶板滞后能垮落，基本能填满采空区，底板较为平整。
2.2 构造因素
井田地处宁武煤田宁静向斜西翼的西北部，盘道梁-化北屯向斜北西翼的南部，故受区域性构造的影响，井田内地层呈单斜产出，地层展布方向与构造线方向基本一致，井田内地层呈NE向展布，倾向SE，地层倾角30°-40°，井田内断层不发育，未见岩浆岩侵入体。
综上所述，本井田地质构造简单
2.3 地表水和地下水
通常地表水和地下水对边坡的危害方式主要有三种形式，即静水压力作用、动水压力和软化作用。在昌元煤矿表现形式为：
（1） 静水压力作用：在雨季时，地表水就会涌入边坡地层裂隙中，在垂直裂缝中产生对潜在滑坡体的水平压力，在潜在滑坡体的滑动面上，地下水将产生浮托力。使岩体滑动力增大，摩擦阻力减少，降低了滑动面岩体的抗剪强度，边坡的稳定性降低，诱使其发生滑动。
（2） 动水压力的作用：昌元露天矿边坡开挖形成临空面后，在水动力作用下，地下水夹带大量的中砂、细砂流出，受流动水压力的冲刷作用进一步破坏了岩体的完整性，使表土层边坡角度变大、垮塌，裂缝不断向边坡外侧移动，使岩体的凝聚力和摩擦力减小，降低了边坡的稳定性。 （3） 水的软化作用：当地下水渗入软弱结构面后，岩层会因含水量的增加被软化，凝聚力降低，软弱结构面的总体抗剪强调降低，也就降低了边坡的稳定性。
3边坡滑坡治理方法选择
露天矿边坡治理是一个复杂的系统工程，除了治理之前必须查清边坡的工程地质、水文地质条件，分析边坡可能的破坏模式及评价边坡的稳定性外，还要遵循露天矿开采特点的治理原则，采取与生产工艺特点相结合的技术上可行、经济上合理的治理方案。
在保持边坡整体稳定的前提下，为获得最大的经济效益采取必要的加固和防护措施，确保边坡在采矿期限内的安全。针对本边坡设计的特殊性，结合边坡的实际情况采取以下措施。
3.1加强疏干水的管理，控制水压的变化
地下水是引起滑坡的主要原因，所以昌元露天煤矿滑坡治理主要是对治理地下水的治理。治理边坡中地下水有 3 种主要的方法：做防水帷幕、竖井疏干和巷道疏干。通过经济比较，在基本相同的情况下，竖井疏干方案在 10 年之内费用低于帷幕方案和巷道疏干方案。针对边坡现状以及地下水特征，施工了疏干井疏排地下水，取得了很好的效果，提高了边坡的稳定性。
加强边坡渗出的水的管理，使其流入防渗水沟内，有序的流入矿积水坑内，防止对泥岩的浸泡，降低泥岩的强度。
3.2加强边坡安全参数管理，适时控制边坡角
根据边坡特点对局部边坡采取放缓帮坡角的措施缓减边坡变形的速度，减少治理的费用，保持边坡的稳定。在边坡的服务年限内，对于变形过程中即将失稳破坏的边坡而言，一般是不处理而躲避，但是对于重要部位，就必须深入研究边坡变形治理控制措施，缓减边坡变形的速度，使其不影响露天矿的正常发展，满足边坡服务年限，以最小的投入获得最大的经济效益。对本矿边坡而言原设计的36°边坡改成采用消坡成30°的边坡角，加上疏干降压等措施保持边坡的稳定。
3.3加强工艺优化研究，协调开采顺序
在采矿工艺选择、采区布置、工作线推进方向、采空区利用等都应与边坡工程管理结合起来，协调发展。尤其是在工程地质和水文地质条件不好的地区，这一点就更为重要。对于昌元露天矿边坡的特殊性为保持边坡稳定，适当放缓边坡角，但到具备内排条件时应把非工作帮边坡加陡，最大限度的采出煤炭，实现利润的最大化。这就要求采矿统一协调，利用单斗卡车工艺的灵活性，缩短工作线、快速剥离、快速采煤、快速内排，重点压住坡角，尽量缩短边坡极限位置的暴露时间，这样当各种不稳定因素尚未促成滑动之前就已经回填了。
3.4加强边坡大变形监测
及时掌握边坡动态变化为掌握边坡的动态变化发展过程，预防边坡的大变形破坏甚至滑坡事故发生，对边坡进行地表岩移和深部位移的监测，以查明滑动性质、滑坡规模，准确预报滑坡变形等情况，为边坡稳定型分析治理提供基础资料。
4结语
上述分析和评价表明：昌元煤矿边坡岩石抗压强度小，遇水形成软弱层，减小了摩擦力，而露天矿的设计边坡角又较大，边坡的稳定系数较小，开挖之后应力释放，致使边坡垮落，发生滑坡。特别是边坡岩土强度低、地下水位高、稳定性差，降低边坡中的地下水是提高边坡稳定性的最好方法。
边坡的稳定性与露天矿的安全生产紧密相关，要求人们去探讨不稳定边坡加固后边坡内部的应力变化规律，研究边坡滑坡机理， 评价加固支护效果，探明加固结构物与岩体之间的互相作用原理。今后必须大力开展边坡加固效果的研究工作，提高边坡的强度同时要基于安全生产和减低生产成本，经济效益最大的原则下，进一步加强工艺研究和边坡管理，采取经济的、行之有效的方法提高边坡的稳定性。
参考文献
[1] 姚颖康，周传波，郭廖武，等.深凹露天矿山岩质高陡边坡稳定性预测[J].金属矿山，2008（3）：42-45.
[2] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2006.
[3] 左治兴.露天转地下开采过程中高陡边坡的稳定性评价与控制技术研究[D].长沙：中南大学，2009：13-20
[4] 抚顺谋炭研究所：《阜新海州露夭煤矿边坡滑落整治措施的研究》，《露天采煤》，1975年2期.
[关键字]露天矿 边坡支护 加固
[中图分类号] TV554+.13[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-4-273-2
0引言
露天开采作业改变了原岩应力场和地下水流动条件，使岩体由三向受力变为两向受力状态，降低了岩体的整体强度，增大了其变形性能，加之暴露的岩体孔隙，为地表和地下水的渗入和流动进一步创造了条件，不利于维持边坡的稳定。在新应力场、岩石风化、地下水，以及采场爆破震动等因素的影响下，边坡岩体朝临空面方向产生形变和位移，并逐渐发展直至岩体产生剪切滑移、拉剪破坏等[1]。
常见的矿山破坏类型主要有平面破坏、楔体破坏、圆弧形破坏和倾倒破坏[2-3]。据不完全统计，我国大中型露天矿山的不稳定边坡或具有潜在滑坡危险的边坡占露天边坡总量的15-20%，个别矿山高达30%[4]。而露天矿山目前采用的边坡加固支护方法有挡墙、抗滑桩、锚杆索、爆破、疏导地下水等方法。随着矿山开采规模和深度的增大，矿山边坡滑坡问题日益突出，成为矿山工作者和科研人员亟待解决的重要研究课题。本文以汾西正晖煤业有限责任公司昌元煤矿为例，根据地质条件分析滑坡原因并提出解决方案。
1研究区域概况
1.1昌元矿井概况
汾西正晖煤业有限责任公司昌元煤矿井田（以下简称井田）位于宁武县城西南方向60km。井田地理坐标：北纬38°36′59″-38°39′55″，东经111°55′03″-111°58′22″。
井田呈一不规则多边形，面积8.3859km2。井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组（C3t）共含煤4层及煤线，自上而下编号为2、3、4、5号。其中2、3、5号煤层为可采煤层，2号煤层厚2.97-3.87m，平均3.6m， 3号煤层2.85-4.0425m，平均3.26m，为可采煤层，4号煤层0-1.21m，平均0.65m，为局部可采煤层，5号煤层厚度10.25-11.01m，平均厚10.72m，太原组煤层总厚18.23m，地层平均厚度为85.50m，含煤系数18.41%。
1.2 矿井地质水文形势分析
本井田地处山西中台隆起之中北部，吕梁断窿之北东部，宁静断陷盆地之北西边缘，区域内出露地层主要为太古界五台群、古生界寒武系、奥陶系、石炭系和中生界二叠系、三叠系及部分侏罗系。地层呈NE—SW向展布。
区内构造以褶皱构造为主，北东向褶皱构造（春景洼—马仑背斜和盘道梁—化北屯向斜）为主体构造，控制着区内地层、煤层的分布，北西向褶皱仅见春景洼—麻地沟向斜。区内断裂构造发育，大的断裂构造有东寨—春景洼逆推断层，此外见有数条小的断裂构造。区内岩浆活动微弱，仅在西南部见吕梁期侵入岩体—马仑岩体。区内主要矿产有煤、铝土矿、耐火粘土、石灰岩等。
地表水系属黄河流域汾河水系，流向自北向南。井田内无常年流水性河流，发育的冲沟均为季节性排水通道，平时干涸，雨季沟谷有水汇集流出注入井田东南汾河。矿井正常涌水量为10m3/h，最大涌水量为20m3/h。由于奥灰水位标高为1687.37m，高于目前的开采水平，矿井属于带压开采。水文地质属复杂型，必须做好矿井防治水工作，掌握动态，做好水文地质预探工作
2昌元煤矿边坡滑坡影响因素分析
边坡的岩石性质、构造状况、地表水和地下水特征、边坡角是影响边坡稳定的关键因素。
2.1 岩石性质
根据巷道及钻孔揭露情况分别叙述如下：
2号煤层：赋存于太原组顶部，距K2砂岩0-10m，煤层厚度2.97-3.87m，平均3.6m，含0-6层夹矸，结构简单-复杂，其老顶为K2砂岩，直接顶板为砂质泥岩，底板岩性为泥岩。
3号煤层： 位于太原组中部，上距2号煤层26.85-38.65m，平均32.91m，厚度2.85—4.0425m，平均厚3.26m，煤层结构简单，不含夹矸。顶板岩性为粉砂岩，底板岩性为粉砂岩。
5号煤层：位于太原组下部，上距3号煤层19.66-30.11m，平均23.27m，煤层厚度10.2525—11.0175m，平均厚10.72m，含1-6层夹矸，夹矸单层厚度0.07-0.30m，为结构中等、层位、厚度稳定的全区可采特厚
顶板管理方法为自然垮落法，煤层开采后直接顶板滞后能垮落，基本能填满采空区，底板较为平整。
2.2 构造因素
井田地处宁武煤田宁静向斜西翼的西北部，盘道梁-化北屯向斜北西翼的南部，故受区域性构造的影响，井田内地层呈单斜产出，地层展布方向与构造线方向基本一致，井田内地层呈NE向展布，倾向SE，地层倾角30°-40°，井田内断层不发育，未见岩浆岩侵入体。
综上所述，本井田地质构造简单
2.3 地表水和地下水
通常地表水和地下水对边坡的危害方式主要有三种形式，即静水压力作用、动水压力和软化作用。在昌元煤矿表现形式为：
（1） 静水压力作用：在雨季时，地表水就会涌入边坡地层裂隙中，在垂直裂缝中产生对潜在滑坡体的水平压力，在潜在滑坡体的滑动面上，地下水将产生浮托力。使岩体滑动力增大，摩擦阻力减少，降低了滑动面岩体的抗剪强度，边坡的稳定性降低，诱使其发生滑动。
（2） 动水压力的作用：昌元露天矿边坡开挖形成临空面后，在水动力作用下，地下水夹带大量的中砂、细砂流出，受流动水压力的冲刷作用进一步破坏了岩体的完整性，使表土层边坡角度变大、垮塌，裂缝不断向边坡外侧移动，使岩体的凝聚力和摩擦力减小，降低了边坡的稳定性。 （3） 水的软化作用：当地下水渗入软弱结构面后，岩层会因含水量的增加被软化，凝聚力降低，软弱结构面的总体抗剪强调降低，也就降低了边坡的稳定性。
3边坡滑坡治理方法选择
露天矿边坡治理是一个复杂的系统工程，除了治理之前必须查清边坡的工程地质、水文地质条件，分析边坡可能的破坏模式及评价边坡的稳定性外，还要遵循露天矿开采特点的治理原则，采取与生产工艺特点相结合的技术上可行、经济上合理的治理方案。
在保持边坡整体稳定的前提下，为获得最大的经济效益采取必要的加固和防护措施，确保边坡在采矿期限内的安全。针对本边坡设计的特殊性，结合边坡的实际情况采取以下措施。
3.1加强疏干水的管理，控制水压的变化
地下水是引起滑坡的主要原因，所以昌元露天煤矿滑坡治理主要是对治理地下水的治理。治理边坡中地下水有 3 种主要的方法：做防水帷幕、竖井疏干和巷道疏干。通过经济比较，在基本相同的情况下，竖井疏干方案在 10 年之内费用低于帷幕方案和巷道疏干方案。针对边坡现状以及地下水特征，施工了疏干井疏排地下水，取得了很好的效果，提高了边坡的稳定性。
加强边坡渗出的水的管理，使其流入防渗水沟内，有序的流入矿积水坑内，防止对泥岩的浸泡，降低泥岩的强度。
3.2加强边坡安全参数管理，适时控制边坡角
根据边坡特点对局部边坡采取放缓帮坡角的措施缓减边坡变形的速度，减少治理的费用，保持边坡的稳定。在边坡的服务年限内，对于变形过程中即将失稳破坏的边坡而言，一般是不处理而躲避，但是对于重要部位，就必须深入研究边坡变形治理控制措施，缓减边坡变形的速度，使其不影响露天矿的正常发展，满足边坡服务年限，以最小的投入获得最大的经济效益。对本矿边坡而言原设计的36°边坡改成采用消坡成30°的边坡角，加上疏干降压等措施保持边坡的稳定。
3.3加强工艺优化研究，协调开采顺序
在采矿工艺选择、采区布置、工作线推进方向、采空区利用等都应与边坡工程管理结合起来，协调发展。尤其是在工程地质和水文地质条件不好的地区，这一点就更为重要。对于昌元露天矿边坡的特殊性为保持边坡稳定，适当放缓边坡角，但到具备内排条件时应把非工作帮边坡加陡，最大限度的采出煤炭，实现利润的最大化。这就要求采矿统一协调，利用单斗卡车工艺的灵活性，缩短工作线、快速剥离、快速采煤、快速内排，重点压住坡角，尽量缩短边坡极限位置的暴露时间，这样当各种不稳定因素尚未促成滑动之前就已经回填了。
3.4加强边坡大变形监测
及时掌握边坡动态变化为掌握边坡的动态变化发展过程，预防边坡的大变形破坏甚至滑坡事故发生，对边坡进行地表岩移和深部位移的监测，以查明滑动性质、滑坡规模，准确预报滑坡变形等情况，为边坡稳定型分析治理提供基础资料。
4结语
上述分析和评价表明：昌元煤矿边坡岩石抗压强度小，遇水形成软弱层，减小了摩擦力，而露天矿的设计边坡角又较大，边坡的稳定系数较小，开挖之后应力释放，致使边坡垮落，发生滑坡。特别是边坡岩土强度低、地下水位高、稳定性差，降低边坡中的地下水是提高边坡稳定性的最好方法。
边坡的稳定性与露天矿的安全生产紧密相关，要求人们去探讨不稳定边坡加固后边坡内部的应力变化规律，研究边坡滑坡机理， 评价加固支护效果，探明加固结构物与岩体之间的互相作用原理。今后必须大力开展边坡加固效果的研究工作，提高边坡的强度同时要基于安全生产和减低生产成本，经济效益最大的原则下，进一步加强工艺研究和边坡管理，采取经济的、行之有效的方法提高边坡的稳定性。
参考文献
[1] 姚颖康，周传波，郭廖武，等.深凹露天矿山岩质高陡边坡稳定性预测[J].金属矿山，2008（3）：42-45.
[2] 蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京：科学出版社，2006.
[3] 左治兴.露天转地下开采过程中高陡边坡的稳定性评价与控制技术研究[D].长沙：中南大学，2009：13-20
[4] 抚顺谋炭研究所：《阜新海州露夭煤矿边坡滑落整治措施的研究》，《露天采煤》，1975年2期.