露天礦火燒區(qū)特征及邊坡穩(wěn)定性分析

孫玉亮

(中煤科工集團 西安研究院有限公司工程地質(zhì)研究所，陜西 西安 710077)

某露天煤礦隨著開采深度的增加，邊坡問題逐步顯現(xiàn)。南幫為順傾邊坡，且處于火燒區(qū)，賦存有較為松散破碎的燒變巖，對于邊坡穩(wěn)定非常不利[1-2].

1 燒變巖分布

礦田內(nèi)分布著編號為Ⅲ、Ⅳ的2個火燒區(qū)(見圖1). 燒變巖經(jīng)火燒、烘烤變質(zhì)而成，堅硬且裂隙發(fā)育，孔洞發(fā)育，巖石局部呈蜂窩狀，類似于煤炭爐渣，氣孔連通性好，透水性強，富水、含水不均一，差異性極大[3-4].

圖1 火燒區(qū)分布范圍圖

Ⅲ火燒區(qū)位于礦田東南部，面積4.55 km2，其中進(jìn)入到北露天開采范圍的面積為0.48 km2. 最大揭露火燒深度226.42 m，燒變巖最大厚度188.22 m，水位埋深5.50～42.51 m，水位標(biāo)高為406.61～406.91 m. 該區(qū)位于原二井田地形的最低點，是地表徑流的匯水區(qū)，地面標(biāo)高413～430 m，因此受大氣降雨和匯水補給，成為富水區(qū)。單位涌水量3.598 6～9.045 1 L/s·m，富水性強～極強，滲透系數(shù)為1.52～4.99 m/d，含水層地下水礦化度15.38～16.5 g/L，水的化學(xué)類型為Cl-Na、Cl·SO4-Na型。硫酸根含量比例全區(qū)最高，礦化度最低，說明該區(qū)為地下水補給區(qū)。

礦區(qū)二號煤礦及其周邊，無任何地表水流，同時該地區(qū)是全國少降水地區(qū)之一，全年降水量不足40 mm，降水不足25天。因此Ⅲ火燒區(qū)含水層雖然富水性很強，但以靜儲量為主，補給條件差，在連續(xù)抽排條件下可以降低水位，以水位下燒變巖統(tǒng)計，Ⅲ火燒巖區(qū)水下估算體積為38 934萬m3，以給水度0.25估算，其富水靜儲量為9 734萬m3. 因此，Ⅲ火燒區(qū)是井田開采的主要影響含水層。

Ⅳ火燒區(qū)也有較好的透水性，但底板高于本礦田地形最低點，也高于區(qū)內(nèi)地下水位。因此，Ⅳ火燒區(qū)透水而不含水，只有局部低洼點存在少量積水或上層滯水。因此，Ⅳ號火燒區(qū)對煤層開采無大的充水影響。

2 燒變巖巖石力學(xué)特征

南幫邊坡未來可能會處于火燒區(qū)范圍內(nèi)，為了對南幫邊坡穩(wěn)定性做出科學(xué)合理的評價，對首采區(qū)燒變巖巖石力學(xué)特征進(jìn)行分析，在南幫NB-NB’剖面線上布置BP-5和BP-6鉆孔來揭露火燒區(qū)巖層。鉆孔位置見圖2.

圖2 鉆孔位置圖

2.1 巖性特征

BP-5鉆孔揭露火燒區(qū)巖層：厚度約19.08 m，主要由粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、粉砂巖組成，呈磚紅色～紅褐色和深黃色，手掰易碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，遇水易碎裂。

BP-6鉆孔揭露火燒區(qū)巖層：厚度約99.49 m，主要由粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖、細(xì)礫巖、砂礫泥巖、粉砂巖等組成，呈暗紅色～紅褐色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖心破碎，碎塊結(jié)構(gòu)多數(shù)成燒結(jié)狀，巖體抗壓強度4.7 MPa.

2.2 巖石力學(xué)性質(zhì)特征

通過對原巖與燒變巖力學(xué)試驗結(jié)果，并結(jié)合北露天以往勘探試驗成果分析，初步認(rèn)為燒變巖單軸抗壓強度與抗拉強度明顯要大于煤、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖的強度，但是要小于砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖的強度，與泥巖強度較為接近；而燒變巖的黏聚力比煤、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖的要小，但內(nèi)摩擦角與煤、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖的差異性較小，比較接近。

邊坡原巖與該區(qū)燒變巖巖石力學(xué)特征出現(xiàn)差異的主要原因[5]在于，正常原巖經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，巖石內(nèi)部原有的孔隙水被燒干，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定重構(gòu)，導(dǎo)致巖石強度會產(chǎn)生一定弱化，而當(dāng)帶有泥巖性質(zhì)的或含有一定泥巖成分的巖石遇高溫后呈燒結(jié)狀，強度會有一定的提高。

3 火燒區(qū)積水對邊坡穩(wěn)定性影響

燒變巖體從剖面上可分為3個帶：類熔巖帶、燒變巖帶和烘烤巖帶[6]. 類熔巖帶位于自燃煤層頂板，因距火源較近，巖石發(fā)生塑變和熔化流變，會生成爐渣狀殘留物，巖石呈紫灰、灰蘭等雜色，多氣孔，表面粗糙，形狀不規(guī)則，質(zhì)地堅硬，厚度較小。燒變巖帶，位于類熔巖之上，烘烤強烈，呈紫紅色、磚紅色，局部呈白色，結(jié)構(gòu)略有改變；其硬度大，裂隙發(fā)育且張開度好。烘烤巖帶，位于燒結(jié)巖之上，距自燃煤層較遠(yuǎn)，巖石呈淺紅色，層理清晰，結(jié)構(gòu)基本上未受到破壞，硬度略有增大，巖石中的有機物已經(jīng)全部燒失，裂隙以閉合為主。

根據(jù)燒變巖地區(qū)施工的眾多鉆孔資料和露頭觀測，燒變巖三帶發(fā)育往往不齊全，當(dāng)自燃煤層越厚，上覆基巖較厚形成的三帶明顯。一般類熔巖帶的厚度和分布范圍比較復(fù)雜，而大部分區(qū)段以燒變巖、烘烤巖帶居多，鉆進(jìn)到燒變巖段經(jīng)常發(fā)生掉鉆、漏水，使鉆孔沖洗液消耗量明顯增大，甚至全部漏失。

Ⅲ火燒區(qū)位于礦田東南部，以往14個鉆孔揭露，最大火燒深度226.42 m，燒變巖最大厚度188.22 m，水位埋深5.50～42.51 m，水下平均厚度85.57 m. 2006年和2009年水位觀測說明地下水動態(tài)變化不大，但其水位埋深受地形影響變化較大，簡易水文觀測表明水位埋深6.88～38.75 m，但水位標(biāo)高基本一致，同時水化學(xué)分析表明，硫酸根含量比例全區(qū)最高，礦化度最低，說明該區(qū)為地下水補給區(qū)。同時，從抽水試驗過程分析說明該區(qū)含水層富水性很強，但以靜儲量為主，其富水靜儲量為9 734萬m3，且補給條件差，在連續(xù)抽排條件下可以降低水位。隨著抽水強度加大，在反復(fù)抽洗作用下，含水層通道更暢通，出水能力增強。上述情況表明，在煤層火燒區(qū)，燒變巖石較為破碎，裂隙、孔隙相對發(fā)育，具有一定的儲水空間，另外也是良好的透水通道。

通過以上關(guān)于在火燒范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)分布及其含水特征分析，說明火燒區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析重點應(yīng)在火燒區(qū)含水的85.75 m范圍內(nèi)，而該區(qū)段內(nèi)燒變巖石較為破碎，裂隙、孔隙相對發(fā)育，且以靜態(tài)儲水為主。因此，Ⅲ火燒區(qū)內(nèi)，在不疏干降水的條件下，南幫邊坡形成過程中，其邊坡火燒巖體內(nèi)部富集的水會沿裂隙、破碎體接觸面等結(jié)構(gòu)面滲流，從而加速裂隙巖體結(jié)構(gòu)的解體，導(dǎo)致巖體邊坡局部滑塌或失穩(wěn)。

4 邊坡巖(土)體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

在邊坡巖(土)力學(xué)室內(nèi)試驗指標(biāo)基礎(chǔ)上通過準(zhǔn)巖體強度估算法、地質(zhì)力學(xué)法(CSIR)及巖體基本質(zhì)量級別分析法綜合分析基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗研究數(shù)據(jù)分析獲得邊坡巖(土)體強度，給出邊坡穩(wěn)定性計算巖(土)體參數(shù)推薦值。推薦值見表1.

表1 南幫斷面各地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值表

5 邊坡穩(wěn)定性計算與評價

5.1 工程地質(zhì)模型的建立

根據(jù)對地層結(jié)構(gòu)的分析整理，南端幫邊坡建立的工程地質(zhì)模型見圖3.

圖3 邊坡穩(wěn)定性分析計算簡圖

5.2 南幫邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計算

1) 設(shè)計最終邊坡(邊坡角26°).

南幫設(shè)計最終邊坡，隨著計算參數(shù)的折減，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.19時，模擬計算結(jié)束。模擬過程相關(guān)計算云圖見圖4.

2) 建議最終邊坡(邊坡角25°).

南幫建議最終邊坡，隨著計算參數(shù)的折減，當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.23時，模擬計算結(jié)束。模擬過程相關(guān)計算云圖見圖5.

5.3 數(shù)值計算分析

1) 設(shè)計最終邊坡(邊坡角26°).

由圖4可知：安全系數(shù)為1.19，上部、中部和下部平盤均出現(xiàn)位移和塑性破壞，塑性區(qū)貫通形成大的滑移面，導(dǎo)致整體邊坡的變形破壞。

2) 建議最終邊坡(邊坡角25°).

由圖5可知：安全系數(shù)為1.23，邊坡整體穩(wěn)定，滿足要求。坡腳上一個平盤出現(xiàn)塑性破壞，且和上部塑性區(qū)貫通，形成滑移面，可能導(dǎo)致邊坡的變形破壞，應(yīng)加強對底部煤層和粉砂質(zhì)泥巖的控制。

6 結(jié) 論

1) 南幫邊坡破壞模式為切層滑移型。切層滑移主要沿22煤底板、25煤頂板、29煤底板處發(fā)生。

圖4 南幫設(shè)計最終邊坡穩(wěn)定性計算云圖

圖5 南幫建議最終邊坡穩(wěn)定性計算云圖

2) 南幫建議最終邊坡角為25°.

3) 南幫火燒區(qū)應(yīng)加強地下水觀測，獲取地下水動態(tài)變化規(guī)律。

4) 目前，判定的火燒區(qū)范圍距坡面距離較大，對邊坡影響有限，由于火燒區(qū)及水對邊坡危害較大，應(yīng)準(zhǔn)確探明火燒區(qū)及水的范圍。