露天煤礦邊坡變形與次生災(zāi)害演化及防治措施

劉子春，王樹清，韓 猛，梁成江，李紅清

（1.內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021116；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

露天煤礦邊坡變形與次生災(zāi)害演化及防治措施

劉子春1，王樹清1，韓 猛2，梁成江1，李紅清1

（1.內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021116；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

露天煤礦水、火、邊坡問題相互聯(lián)系，相互制約，邊坡變形是災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素。分析了邊坡變形與次生災(zāi)害演化的聯(lián)系、災(zāi)害治理對次生災(zāi)害演化的影響，提出從邊坡變形源頭控制、在災(zāi)害監(jiān)測基礎(chǔ)上的綜合防治措施。

邊坡變形；次生災(zāi)害；地下水；自燃

0 引 言

資料統(tǒng)計(jì)顯示，露天煤礦災(zāi)害頻率排在前3位的分別是滑坡災(zāi)害、水患及煤層自燃[1]。露天煤礦水、火、邊坡問題相互聯(lián)系，相互制約，邊坡變形是滑坡產(chǎn)生的直接誘發(fā)原因，通常滑坡要經(jīng)歷3個(gè)階段：初始變形階段、等速變形階段、加速變形階段。當(dāng)邊坡進(jìn)入加速變形階段以后，邊坡面臨滑動危險(xiǎn)；邊坡變形導(dǎo)致煤巖松散破碎，形成裂縫，造成煤層裂隙透風(fēng)自燃；邊坡變形的實(shí)質(zhì)為邊坡巖體結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而改變地下水的運(yùn)移規(guī)律；當(dāng)?shù)叵滤x存環(huán)境及運(yùn)移路徑改變后，會對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生新的影響[2-3]。因此，若不及時(shí)對邊坡變形進(jìn)行預(yù)防或控制，將可能導(dǎo)致各種次生災(zāi)害的發(fā)生，次生災(zāi)害反之又會誘發(fā)變形的加劇。

1 邊坡變形引發(fā)的次生災(zāi)害

1.1 滑坡

工程實(shí)踐與滑坡研究表明，露天邊坡的破壞或滑動，在大多情況下并不是在開挖形成以后立即產(chǎn)生，邊坡巖體應(yīng)力與變形隨時(shí)間變化發(fā)展并不斷地調(diào)整，其調(diào)整的過程大都需要經(jīng)歷一個(gè)較長的時(shí)期。邊坡變形是滑坡產(chǎn)生的最初特征，邊坡變形曲線一般包含3個(gè)階段，即初始變形階段、等速變形階段及加速變形階段。也有的學(xué)者將初始變形階段細(xì)化為瞬時(shí)彈性變形及初始蠕動變形2個(gè)階段[4-5]。一般而言，初始變形經(jīng)歷時(shí)間較短，隨即進(jìn)入較長時(shí)期的等速變形階段，當(dāng)邊坡進(jìn)入加速變形階段以后預(yù)示著邊坡隨時(shí)面臨滑坡危險(xiǎn)。因此，邊坡變形的研究或監(jiān)測對于滑坡預(yù)防意義重大，對于滑坡防治所采取的各種工程措施或采礦措施一般要在邊坡進(jìn)入加速變形以前實(shí)施?；聲r(shí)間曲線如圖1。

露天礦邊坡發(fā)生持續(xù)變形的作用機(jī)理非常復(fù)雜，邊坡變形各時(shí)期臨界點(diǎn)也較難確定，一般只能通過變形監(jiān)測手段獲取。邊坡變形的一個(gè)重要機(jī)制為巖石的蠕變特性。對于力學(xué)強(qiáng)度較差的軟巖邊坡而言，巖石的蠕變特性最為明顯。其特點(diǎn)為變形大、強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)性明顯、賦存環(huán)境和時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)烈。在恒定的應(yīng)力作用下，軟巖材料一般都出現(xiàn)蠕變速率減小、穩(wěn)定和增大3個(gè)階段，但各階段出現(xiàn)與否以及延續(xù)時(shí)間，則與巖性和所施加的應(yīng)力水平有關(guān)。堅(jiān)硬巖石發(fā)生流變變形相對較小。

圖1 滑坡時(shí)間曲線

邊坡巖體的變形通常還與斷層、節(jié)理等構(gòu)造以及軟弱夾層等因素有關(guān)。巖體結(jié)構(gòu)控制巖體變形、破壞以及力學(xué)特性。尤其對于存在軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡，由于軟弱夾層具有蠕變力學(xué)特性，且蠕變時(shí)間較長，直接影響著邊坡巖體的長期穩(wěn)定性。所以軟弱夾層的變形也是邊坡巖體變形的重要研究內(nèi)容[3]。

1.2 煤層自燃

對于大多露天煤礦而言，受開采境界約束及開采條件限制，邊坡一般存在不同程度的壓煤，尤其對于傾斜煤層，由于露頭煤煤質(zhì)較差，且松散破碎，在開采布置時(shí)往往有不采的劣質(zhì)露頭煤殘留在邊坡體內(nèi)。當(dāng)邊坡出現(xiàn)變形后，很容易破壞邊坡的地形和原始應(yīng)力平衡。導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，這樣在外界風(fēng)力、壓力及外界與煤體內(nèi)部之間的自然風(fēng)壓作用下，外界含氧空氣滲入邊坡煤體之中。煤炭具有吸附空氣中氧的特性，發(fā)生煤氧復(fù)合作用，并放出相當(dāng)多的熱量。由于煤體體積較大，熱量被積聚起來，積聚的熱量反過來加熱煤體，使煤體與空氣之間的氧化反應(yīng)更加劇烈，煤體溫度不斷上升，當(dāng)達(dá)到煤的著火溫度時(shí)，導(dǎo)致邊坡壓煤發(fā)生自燃[1]。

1.3 地下水變化

邊坡變形對地下水的影響方式一般分2個(gè)方面：①邊坡變形導(dǎo)致的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，巖體滲透性質(zhì)隨之發(fā)生改變，一般在巖體松散破碎后，大氣降水及地面匯水更容易向邊坡巖體滲透，尤其在地面裂縫形成后，大氣降水及地面匯水容易沿裂縫直接向巖體內(nèi)滲透，導(dǎo)致地下水位發(fā)生變化；②邊坡變形后，地下水的賦存環(huán)境及運(yùn)移路徑會發(fā)生變化，尤其當(dāng)隔水層遭到破壞后，將導(dǎo)致不同含水層地下水產(chǎn)生貫通，造成越流補(bǔ)給，進(jìn)而造成地下水位的上漲。需要指出的是，當(dāng)?shù)叵滤\(yùn)移方式發(fā)生改變后，容易給露天礦地下水疏干帶來困難。

1.4 災(zāi)害聯(lián)系與制約因素

露天礦災(zāi)害演化模式如圖2。露天礦邊坡變形可能導(dǎo)致滑坡、煤層自燃、地下水位上漲等次生災(zāi)害。事實(shí)證明，各種災(zāi)害并不是孤立存在的，其誘發(fā)及制約因素也不是唯一的。邊坡變形導(dǎo)致煤巖松散破碎，并形成裂縫，進(jìn)而造成煤層沿裂隙透風(fēng)自燃，煤層自燃后又將導(dǎo)致邊坡巖體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞，過火區(qū)邊坡巖土力學(xué)參數(shù)將產(chǎn)生變化，其巖體強(qiáng)度有顯著降低，影響邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)增加了滑坡災(zāi)害的發(fā)生幾率；邊坡變形導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)改變及形成裂縫后，水對露天礦邊坡穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在：

圖2 露天礦災(zāi)害演化模式

1）對巖體力學(xué)指標(biāo)的影響。當(dāng)水向下滲透進(jìn)入巖體內(nèi)的空隙、裂隙時(shí)，一方面會溶解巖體中的部分可溶物，降低巖體強(qiáng)度；另一方面在上覆巖體重力下，封閉于空隙中的水會產(chǎn)生強(qiáng)大的空隙水壓力，使巖體顆粒間的結(jié)合力減小，從而降低巖體強(qiáng)度，形成軟質(zhì)巖體，增加邊坡失穩(wěn)發(fā)生的概率。

2）對潛在滑動面的影響。露天礦邊坡體存在潛在滑動面及垂直張裂縫的情況，在張裂縫處存在拉張應(yīng)力作用下，張裂縫逐漸擴(kuò)張發(fā)育。在地表水或大氣降水的作用下，水從張裂縫滲入到邊坡體以下，并滲入到潛在滑動面，促進(jìn)滑動面內(nèi)巖體蠕變流動變形。

2 災(zāi)害治理與次生災(zāi)害演化

邊坡變形導(dǎo)致地下水位上漲后，將地下水位疏干降低至煤層底板以下，是開采工作得以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，因此需加大地下水疏干強(qiáng)度，而高強(qiáng)度的疏干排水措施可能導(dǎo)致水體在運(yùn)移過程中進(jìn)一步加大了巖體內(nèi)的空隙、裂隙等運(yùn)移通道，同時(shí)進(jìn)一步溶解巖體中的部分可溶物，降低巖體強(qiáng)度；煤層起火自燃后，水消法及覆土法是露天礦煤層滅火的常見方法，而對于邊坡殘煤而言，尤其當(dāng)裂縫形成并貫通后，水消法容易造成水流沿裂隙滲入地下，并在隔水層位滯留，活化弱層，降低邊坡穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)而造成滑坡，并且大量澆水將導(dǎo)致礦坑內(nèi)地下水位抬升，影響開采工作；覆土對邊坡穩(wěn)定的影響也很明顯，尤其當(dāng)在邊坡體上部覆土?xí)r，將導(dǎo)致邊坡荷載過重影響邊坡穩(wěn)定；邊坡殘煤自燃后，過火區(qū)邊坡巖土力學(xué)參數(shù)將產(chǎn)生變化，其巖體強(qiáng)度有顯著降低，影響邊坡穩(wěn)定性。

3 災(zāi)害預(yù)防與治理

綜上所述，露天礦災(zāi)害防治要從源頭出發(fā)，將露天礦邊坡、水、火等因素協(xié)同考慮，盡量避免在治理一種災(zāi)害時(shí)增加其它災(zāi)害發(fā)生的頻率。在總結(jié)國內(nèi)外露天礦災(zāi)害防治案例及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為在露天礦常見的幾種災(zāi)害防治方面應(yīng)重點(diǎn)做好以下工作：

1）災(zāi)害監(jiān)測：①邊坡變形監(jiān)測。目前常用的監(jiān)測手段有人工監(jiān)測、GPS自動監(jiān)測、雷達(dá)自動監(jiān)測等。對于監(jiān)測范圍較大且監(jiān)測區(qū)域分散的礦區(qū)，可采用人工監(jiān)測與GPS自動監(jiān)測相結(jié)合的辦法，空間上形成固定或可移動監(jiān)測線，監(jiān)測位置需涵蓋排土場、采場地面、邊坡、坑下等幾個(gè)區(qū)域；對于監(jiān)測區(qū)域集中或重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，可采用雷達(dá)自動監(jiān)測手段；②煤層自燃監(jiān)測?？刹捎眉t外望遠(yuǎn)鏡、紅外測溫儀等監(jiān)測巡查設(shè)備，有條件的礦區(qū)也可建立全自動火警預(yù)防監(jiān)測系統(tǒng)；③地下水位監(jiān)測。利用數(shù)字礦山監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下水位、疏干流量等監(jiān)測。

2）邊坡變形源頭控制：以邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)作為重要依據(jù)，采用邊坡參數(shù)調(diào)整、工程措施、采礦措施相結(jié)合的方法，針對所在礦區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)條件，在開采過程中將邊坡變形速率控制在可控范圍內(nèi)，避免邊坡變形進(jìn)入加速期。

3）災(zāi)害綜合防治措施：①裂縫填埋。對于邊坡變形產(chǎn)生的地面裂縫及坡面裂縫，要及時(shí)巡查、掩埋，防止邊坡巖體結(jié)構(gòu)的持續(xù)破壞，防止大氣降水、地面匯水滲入對邊坡巖體的破壞，防止煤層透風(fēng)自燃發(fā)生幾率；②滑坡防治措施。常用的方法有削坡減載、內(nèi)排壓腳、工程加固等，在措施的選擇上應(yīng)根據(jù)所在礦區(qū)實(shí)際情況靈活考慮，并需與采排工藝與采排計(jì)劃相結(jié)合；③防治水措施。防水工作必須貫徹“以防為主，防排結(jié)合“的原則，并應(yīng)與排水、疏干統(tǒng)籌安排。目前國內(nèi)外常用防治水方法及措施主要有防水及疏干2種方法。防水法主要包括地表水的防治和防滲堵水2種方法。地表水的防治方法有截水溝、河流改道和水庫攔洪。防滲堵水工程分為防滲墻、注漿帷幕和高壓旋噴樁堵水。疏干法對富水性強(qiáng)、威脅安全生產(chǎn)或影響采場邊坡穩(wěn)定的含水層，借助于巷道、疏水孔、明溝等疏水構(gòu)筑物，全部或局部降低地下水位；④防滅火措施。露天礦滅火常用方法及措施分為：噴水滅火、挖除火源滅火、隔離帶滅火、覆蓋滅火、滴灌滅火、注漿滅火、氮?dú)鉁缁鸬?。?dāng)防滅火措施可能對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮注漿滅火及挖除火源滅火，避免覆土及噴水對邊坡穩(wěn)定的不良影響。

4 結(jié)語

對于露天礦災(zāi)害防治而言，在進(jìn)行災(zāi)害治理時(shí)應(yīng)從災(zāi)害源頭出發(fā)，重點(diǎn)突出、綜合治理。防滅火、防滑坡、防治水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，如何在開采方案制定及災(zāi)害治理過程中權(quán)衡幾者之間的聯(lián)系與矛盾，是關(guān)系露天礦安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采的重要問題。

［1］王航龍，楊溢，李永亮，等.露天礦煤層自燃防滅火方法［J］.工業(yè)技術(shù)，2007（11）：9.

［2］趙錫剛.露天煤礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害及其影響因素分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2013（1）：61-63.

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［4］李曉鳳，彭洪閣.地下水對露天礦邊坡穩(wěn)定性影響及防治措施研究［J］.能源技術(shù)與管理，2013（5）：8-20.

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Slope deformation and secondary disaster evolution and prevention measures in Open-pit Coal Mine

LIU Zichun1,WANG Shuqing1,HAN Meng2,LIANG Chengjiang1,LI Hongqing1
(1.Inner Mongolia Dayan Mining Group Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021116,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun113122,China)

The problems of water,fire and slope in open-pit coal mine are interrelated and mutually restricted.Slope deformation is an important inducement factor of disaster occurrence.The article analyzes the relationship between slope deformation and secondary disaster evolution,and the effect of disaster management on the secondary disaster evolution,and proposes the comprehensive prevention and control measures from the source control of slope deformation and disaster monitoring.

slope deformation;secondary disaster;groundwater;spontaneous combustion

TD824.7

B

1671－9816（2017）03－0074－03

2016-11-02

劉子春（1966—），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，高級工程師，現(xiàn)就職于內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司扎尼河露天礦，從事露天煤礦技術(shù)管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.021

劉子春，王樹清，韓猛，等.露天煤礦邊坡變形與次生災(zāi)害演化及防治措施［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：74-76.