撫順東露天礦南幫到界邊坡優(yōu)化

王 洋，李煥忠

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 東露天礦，遼寧 撫順 113003）

《撫順礦業(yè)集團(tuán)東露天礦恢復(fù)工程初步設(shè)計》中一期設(shè)計以開采油頁巖富礦為主，一期到界后，南幫將形成高135～200 m 的單臺階順傾邊坡，坡面角29°～39°。由于南幫E4800～E6600 地表受撫順煤都路、老虎臺礦工業(yè)設(shè)施及廠房等限制，需分期進(jìn)行開采。構(gòu)成該區(qū)域南幫一期邊坡的主體巖層則為油頁巖富礦下伏的油頁巖貧礦、殘采煤層、軟硬不均的凝灰?guī)r層等。該區(qū)域工程地質(zhì)條件較復(fù)雜多變，影響邊坡穩(wěn)定的不利因素較多[1-2]。近年來開采時曾出現(xiàn)邊坡局部變形現(xiàn)象，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析，該區(qū)域邊坡局部有失穩(wěn)的可能，其中E5200、E6200 及E6400 剖面的局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)不到安全儲備要求[3-4]。因此，在收集、整理以往地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場踏勘、工程地質(zhì)勘察資料，對此邊坡開展邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析與評價，建立邊坡工程地質(zhì)模型，通過歸納、分析、整理，確定巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，對邊坡變形破壞機(jī)理及滑坡模式分析，對一期到界邊坡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而保證東露天礦邊坡穩(wěn)定與安全生產(chǎn)[5-6]。

1 南幫E4800～E6600 邊坡巖體地質(zhì)調(diào)查

1）南幫邊坡地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與野外地質(zhì)素描。通過對南幫E4800～E6600 邊坡巖體的地質(zhì)調(diào)查，其巖體由上至下為沖積層、油頁巖貧礦、煤、底板頁巖、泥頁巖、軟質(zhì)凝灰?guī)r、硬質(zhì)凝灰?guī)r和玄武巖，經(jīng)過詳盡的地質(zhì)調(diào)查，繪制地質(zhì)素描圖，對南幫的地質(zhì)情況進(jìn)行重新的認(rèn)識[7]。

2）南幫水文地質(zhì)情況調(diào)查。該區(qū)南幫邊坡主要含水層為沖積層含水層，屬于空隙潛水類型，凝灰?guī)r、玄武巖等基巖裂隙含水層。大氣降水和居民生活廢水是本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源。經(jīng)過多次詳細(xì)的調(diào)查和測試，本區(qū)內(nèi)沖積層厚度變化范圍為2.5～20 m，其沖積層含水層厚度0～7 m。滲水系數(shù)k=92.80～10.27 m/d，與大氣降水有關(guān)。

3）巖層分布情況調(diào)查。分別在南幫E5200 剖面、E6000 剖面、E6200 剖面、E6400 剖面施工了8 個工程地質(zhì)勘探鉆孔，進(jìn)尺共計1 257 m。通過勘探鉆孔和南幫揭露的巖層看，該區(qū)域邊坡巖層主要由第四系沖積層、油頁巖、煤、炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖、硅質(zhì)砂巖、軟質(zhì)凝灰?guī)r、硬質(zhì)凝灰?guī)r、玄武巖等巖層組成[8]。第四系沖積層主要由回填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、淤泥、砂、礫砂組成。通過鉆孔軟弱層及破碎帶的統(tǒng)計結(jié)果表明，該邊坡多個鉆孔在勘察深度內(nèi)發(fā)育有1 層軟弱層。

4）巖石完整程度（R.Q.D）的分析。通過對南幫邊坡的8 個工程地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計，該邊坡鉆孔R.Q.D 在60%～81%之間，其中最大為硬質(zhì)凝灰?guī)r和玄武巖，最小為煤層。鉆孔R.Q.D 平均值為76%。巖石的完整度良好。

2 工程地質(zhì)模型和巖石力學(xué)指標(biāo)

1）工程地質(zhì)條件。南幫E4800～E6600 邊坡上部為松散沖積層，下部巖層與深部發(fā)育的斜交斷層易形成楔形滑塌體。在該范圍內(nèi)第四紀(jì)沖積層主要產(chǎn)生弧形滑動，而南幫基巖沿弱層面產(chǎn)生。

2）工程地質(zhì)模型。依據(jù)各種巖層層內(nèi)反射波同相軸的變化和巖層中不同巖層的反射波動力學(xué)特點，確定了該區(qū)域各剖面的巖層分布情況及賦存規(guī)律[9]。在歸納、整理、分析以往勘察資料基礎(chǔ)上，建立了南幫E4800～E6600 區(qū)段邊坡工程地質(zhì)簡化模型。

3）確定巖石力學(xué)指標(biāo)。邊坡巖土體的工程力學(xué)的性質(zhì)是邊坡設(shè)計、綜合評價和穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)依據(jù)。在邊坡穩(wěn)定性研究中進(jìn)行過大量的相關(guān)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗，得到相關(guān)巖石試驗的力學(xué)數(shù)據(jù)。主要試驗有巖土原位剪切試驗、三軸剪切試驗、弱層流變試驗、直剪試驗、滑坡反分析等方法，并結(jié)合西露天礦東區(qū)巖體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)值。撫順東露天礦巖體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 撫順東露天礦巖體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

3 邊坡穩(wěn)定分析與評價

3.1 安全儲備系數(shù)和邊坡穩(wěn)定系數(shù)

參考GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》選取安全儲備系數(shù)。根據(jù)規(guī)范和東露天礦南幫E4800～E6600 工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，結(jié)合東露天礦采礦規(guī)劃，東露天礦南幫E4800～E6600 邊坡穩(wěn)定性分析的安全儲備系數(shù)選取為1.25～1.30，第四系邊坡安全儲備系數(shù)選取為1.5。

邊坡穩(wěn)定計算。方法選取極限平衡法。通過極限平衡法計算，分別計算出的第四系邊坡穩(wěn)定系數(shù)和整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)見表2 和表3。

表2 第四系邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總表

表3 整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總表

3.2 邊坡穩(wěn)定分析與評價

1）第四系邊坡。根據(jù)工程地質(zhì)條件和邊坡穩(wěn)定計算成果可以看出：第四系現(xiàn)狀邊坡E6000、E6200 和E6400 邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.14、1.07、1.10，均小于1.15，安全儲備系數(shù)不足，易在降雨、爆破施工等有關(guān)因素的影響下，出現(xiàn)失穩(wěn)變形現(xiàn)象[10]；第四系設(shè)計邊坡一期到界E6000、E6200、E6400 邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.02、0.87，0.98，均處于極限平衡狀態(tài)或處于失穩(wěn)狀態(tài)，穩(wěn)定狀況滿足不了安全生產(chǎn)的要求。

2）整體邊坡。影響研究區(qū)總體邊坡穩(wěn)定的因素較多，但根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果，主要分為3 個方面：順傾軟弱夾層（上層軟質(zhì)凝灰?guī)r）、潛在滑體幾何形態(tài)、底部斜切斷層。①軟質(zhì)凝灰?guī)r+底部斜切斷層：E5200 剖面主要受軟質(zhì)凝灰?guī)r和底部斜切斷層影響，下滑力較大，抗滑力較小，邊坡穩(wěn)定狀況較差（1.03）；②軟質(zhì)凝灰?guī)r+不利邊坡幾何形態(tài)：根據(jù)一期采礦設(shè)計，E6000～E6400 剖面到界邊坡，潛在滑體幾何形態(tài)為上寬下窄的楔型邊坡，下滑段較寬，抗滑段較窄，形成頭重腳輕的邊坡形態(tài)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.89～0.97，均在1.0 以下，邊坡處于潛在失穩(wěn)狀態(tài)。

鑒于以上情況，第四系沖積層邊坡和整體邊坡僅有少數(shù)剖面滿足穩(wěn)定要求，大部分剖面不能夠滿足穩(wěn)定要求，需要對南幫E4800～E6400 區(qū)域一期到界邊坡優(yōu)化調(diào)整。

4 南幫E4800～E6400 區(qū)域一期到界邊坡優(yōu)化調(diào)整

綜合采礦施工難易程度、技術(shù)可行性和安全可靠程度，結(jié)合邊坡上部第四系邊坡治理的需要，南幫E4800～E6400 區(qū)域治理推薦采用按現(xiàn)狀邊坡降深，上部清方留設(shè)臺階的綜合方案。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果對邊坡參數(shù)優(yōu)化及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對一期到界邊坡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整界為上部進(jìn)行清巖減重，下部一期設(shè)計邊坡按現(xiàn)狀邊坡角向下降深至-93 m 水平；具體優(yōu)化調(diào)整界+85 m水平形成1 個17 m 沖積層平盤，2 個基巖保安平盤（+68、+35 m 水平），下部按現(xiàn)邊坡坡面角延至-93 m 水平。

1）一期到界邊坡優(yōu)化后整體邊坡穩(wěn)定性。對優(yōu)化調(diào)整后設(shè)計邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計算，一期到界邊坡調(diào)整后邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總表見表4。計算結(jié)果表明，調(diào)整后的一期設(shè)計邊坡穩(wěn)定系數(shù)基本都在1.30 以上，穩(wěn)定狀況較好。

表4 一期到界邊坡調(diào)整后邊坡穩(wěn)定系數(shù)匯總表

2）一期到界邊坡設(shè)計調(diào)整后第四系邊坡穩(wěn)定性。對調(diào)整后第四系設(shè)計邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計算，優(yōu)化調(diào)整后第四系邊坡穩(wěn)定計算匯總表見表5。由計算結(jié)果可以看出，采用該區(qū)域第四系邊坡失穩(wěn)反分析指標(biāo)計算，調(diào)整后的一期設(shè)計第四系邊坡除E6200 剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.12 之外，其它剖面均在1.20 以上，滿足安全儲備系數(shù)要求。若對第四系邊坡進(jìn)一步疏干，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均提高至1.35 以上，穩(wěn)定狀況較好。

表5 優(yōu)化調(diào)整后第四系邊坡穩(wěn)定計算匯總表

3）第四系沖積層邊坡的綜合治理。因水平放水孔造價具有造價低，易于維護(hù)的特點，沖積層地下水采用水平放水孔進(jìn)行疏干；第四系地表上部設(shè)置1條截水溝，引流地表匯水，避免進(jìn)入第四系邊坡內(nèi)部；對第四系坡面采取護(hù)坡措施，以防暴雨沖刷，形成溝壑。

5 結(jié)語

通過巖土力學(xué)試驗，得到相關(guān)巖石試驗的力學(xué)數(shù)據(jù)，確定出邊坡巖石力學(xué)指標(biāo)；通過對工程地質(zhì)進(jìn)行勘察，查明了南幫E4800～E6600 邊坡存在的軟弱層或破碎帶，掌握了該區(qū)弱層的層位、層數(shù)、厚度，并測定其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)；分析了可能引起邊坡滑落的地質(zhì)因素，提出了可能產(chǎn)生的滑落形式；對E4800～E6600 剖面現(xiàn)有淺部沖積層邊坡和基巖邊坡經(jīng)穩(wěn)定分析并進(jìn)行評價。根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果優(yōu)化邊坡參數(shù)，最終根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對一期到界邊坡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，給出優(yōu)化調(diào)整界，優(yōu)化調(diào)整后境界預(yù)計多采油頁巖富礦196.6 萬t，促進(jìn)了東露天礦安全發(fā)展。