撫順西露天礦綜合治理與整合利用階段性方案

肖 平，馮 萍，王雪峰，張千宇，薛喜坤

（撫順礦業(yè)集團有限責任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113001）

為推動撫順西露天礦綜合治理和整合利用，國家發(fā)改委指導中咨公司配合遼寧省和撫順市，從東北振興的全局、遼寧振興和撫順轉(zhuǎn)型的大局出發(fā)，開展撫順西露天礦綜合治理和整合利用方案研究。形成了《撫順西露天礦綜合治理和整合利用總體思路》，提出了采用“回填壓腳、覆蓋滅火、疏截蓄用”與“生態(tài)修復”相結(jié)合的多災并治方式對礦坑進行綜合治理。

1 礦區(qū)概況

1）自然條件。撫順西露天礦坑位于渾河河床南面與丘陵山地北面所夾的狹長平原上，地形較緩，地勢較低，地面標高在+70～+80 m，總趨勢是東北高，西南略低，地形坡度為2‰左右。屬北中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，受西伯利亞及蒙古高原寒冷氣流和黃海暖濕氣流的影響，夏季炎熱多雨，冬季漫長寒冷[1]。全年平均降雨量為808.1 mm，多集中在7、8 月份。煤田北側(cè)的渾河為撫順市的主要水系干流；東部有海新河；西部有古城子河；南側(cè)千臺山坡下為人工河-楊柏河，存在河卵石層，滲透性良好[2]。

2）工程地質(zhì)條件。礦坑北幫由上至下共有3 個巖層單元，依次為為第四系松散層組合單元、綠色泥巖與褐色頁巖互層組合單元和硬巖巖組單元。北幫褶曲構(gòu)造分為煤田牽引向斜和復式褶曲共2 級。南幫區(qū)內(nèi)有2 個巖土工程地質(zhì)單元，上部為第四系松散層工程地質(zhì)單元，下伏基巖層工程地質(zhì)單元。對邊坡穩(wěn)定性影響的較大斷裂構(gòu)造主要有F1A、F1、F2、和F5斷層[3]。

2 礦坑地質(zhì)災害機理

經(jīng)過百余年的生產(chǎn)，撫順西露天礦因其特殊的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)環(huán)境、邊坡幾何參數(shù)和形態(tài)及下部井工生產(chǎn)影響等因素，地質(zhì)災害頻發(fā)。退煤閉坑后，如不進行治理，其地質(zhì)災害和安全隱患仍會長期存在，其中滑坡災害和自然發(fā)火是西露天礦主要的災害類型。

2.1 礦坑邊坡破壞機理

通過選取典型剖面對礦坑邊坡的數(shù)值模擬，結(jié)合前期的工程地質(zhì)調(diào)查成果，將北幫研究區(qū)域劃分成3 個工程地質(zhì)區(qū)域，每一區(qū)域的潛在滑坡模式及控制因素如下：

1）單斜構(gòu)造-斷層發(fā)育區(qū)。通過對E1100 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域巖體為逆傾單斜構(gòu)造、斜切坡面的小斷層發(fā)育程度較高、坡面滲水明顯、局部邊坡的臺階高度較高、臺階坡面角較大、地質(zhì)構(gòu)造較復雜巖體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，當節(jié)理裂隙與斷層在傾向上相交構(gòu)成楔體的2 個底滑面，且滑面上的剪力均平行于底滑面的交線，滑面上的剪力大于其最小抵抗力時可能會出現(xiàn)楔體破壞的現(xiàn)象，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為受節(jié)理面和斷層面共同影響的“楔體破壞”式。主要控制因素為地下水和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

2）復式褶曲區(qū)。通過對E1800 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域上部臺階出露褶曲構(gòu)造，受其影響局部巖層順傾，巖層的傾角達到37°。由于綠泥巖巖組中存在褐色頁巖泥化夾層，該夾層遇水極易泥化力學強度指標降低，形成滑動面，易在坡角處形成剪出，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為后緣坐落，前緣沿泥化夾層剪出的“坐落滑移破壞”。主要控制因素為地下水和不利的邊坡巖體產(chǎn)狀。

3）單斜構(gòu)造-斷層不發(fā)育區(qū)。通過對E3400 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，巖體主要為逆傾，局部邊坡的臺階高度較高、臺階坡面角較大，綠泥巖巖組中存在褐色頁巖泥化夾層，受長期風化作用的影響，巖石力學強度指標降低，將出現(xiàn)局部的片幫、垮落現(xiàn)象，受地下水的長期浸泡的影響，褐色頁巖泥化夾層力學強度指標急劇下滑，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的陡傾角逆傾邊坡出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為“傾倒破壞”式。主要控制因素為地下水和坡面巖性。

2.2 礦坑煤層自然發(fā)火機理

煤的氧化自燃過程分3 個階段，即潛伏階段、自熱階段、燃燒階段。煤體要發(fā)生自燃必須具備以下4個條件：①具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態(tài)存在；②有大于12%氧含量的空氣通過這些碎煤；③空氣流動速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；④在上述3 個條件同時具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時間，使煤體達到著火溫度[4]。

西露天礦煤層吸氧量在0.71～1.3 cm3/g，平均值為0.989 cm3/g，為Ⅰ級容易自然發(fā)火。煤的自然發(fā)火期為3～6 個月，屬于自燃發(fā)火危險的礦井。原生煤體暴露在空氣中，雖有足夠的氧氣接觸，但不具備聚熱條件，因此，煤層本身不易產(chǎn)生自然發(fā)火。

2.3 油頁巖層自然發(fā)火機理

油頁巖自燃主要分3 個階段，即潛伏階段、蒸餾階段、自燃階段[5]。油頁巖自燃有3 個特點：①油頁巖含有大量活性物質(zhì)，氧化性強，常溫下自燃傾向性較嚴重。油頁巖體含水量大，排棄堆積過程中油頁巖體大面積暴露，巖體內(nèi)的大量固有水分迅速蒸發(fā)脫離，巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附氧氣的能力增強，為自燃發(fā)火創(chuàng)造了條件；②油頁巖排棄物松散系數(shù)大于1.3，孔隙率大，油頁巖與氧氣充分接觸，因此氧化發(fā)熱速度快，自燃發(fā)火突發(fā)性強；③當外界空氣流速較大時，能為油頁巖提供充分的氧氣條件。所以油頁巖自燃發(fā)火有明顯的季節(jié)性，主要發(fā)生在秋、冬2 個季節(jié)[6]。

油頁巖的主要成分包括油母、水分和礦物質(zhì)，其本身的長期低溫氧化即導致自然發(fā)火，自然發(fā)火過程受其產(chǎn)生的氧化熱與傳導熱和對流形成的熱擴散之間平衡狀況的制約。因此油頁巖的含油率、破碎程度以及周圍的空氣流通程度、溫度、濕度等都對油頁巖自然發(fā)火有著很大的影響。

2.4 滑坡-火災鏈式轉(zhuǎn)化關系及礦坑災害分區(qū)

1）滑坡-火災鏈式轉(zhuǎn)化關系。單一災害的產(chǎn)生、發(fā)展并不是孤立的，各災種之間往往存在鏈式轉(zhuǎn)化關系。礦坑火災造成邊坡下部空化和巖體力學性質(zhì)的改變；滑坡又為自然發(fā)火提供了供氧通道和較為封閉的蓄熱環(huán)境。

2）礦坑災害分區(qū)。撫順西露天礦北幫雖為采掘場最終邊坡，但是閉坑后即將進行綜合治理，現(xiàn)存邊坡暴露時間較短，根據(jù)GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范綜合考慮，短期內(nèi)安全儲備系數(shù)選定為1.20，待國家統(tǒng)一規(guī)劃的綜合治理方案實施后，邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)須達1.50 以上。通過邊坡穩(wěn)定性計算，E1200 剖面整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，E1700為 1.29，E1800 為 1.22，E2300 為 1.21，E2600 為1.26，E2700 為1.25，所有剖面穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.20，滿足安全儲備系數(shù)要求。對于下部局部高段邊坡，E1200 剖面局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.20，E1700 為1.27，E1800 為1.22，E2300 為1.13，E2600 為1.14，E2700 為1.16。E1200 至E1800 剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.20，滿足安全儲備系數(shù)要求；E2300 至E2700 剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.20，安全儲備系數(shù)不足。

通過分析西露天礦邊坡變形機理、煤層、油頁巖層自然發(fā)火的影響，滑坡-火災鏈式轉(zhuǎn)化關系，以不同控制因素下邊坡采取的治理措施不同，將礦區(qū)分為自然發(fā)火區(qū)和邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)。

3 綜合治理整合利用方案

通過對礦區(qū)地質(zhì)資料的收集和整理，研究了邊坡的變形機理、自然發(fā)火機理和主要控制因素，并對邊坡進行穩(wěn)定性計算，根據(jù)現(xiàn)場火區(qū)溫度監(jiān)測和邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果，綜合確定自然發(fā)火區(qū)域和邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域范圍，提出相應的治理方案，并結(jié)合地下水疏干、生態(tài)修復及礦坑監(jiān)測保障等措施，提升礦坑綜合治理安全質(zhì)量和綠色生態(tài)水平。

3.1 潛在不穩(wěn)定區(qū)治理方案

針對局部邊坡安全儲備系數(shù)不足的情況，在保證整體邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲備要求的前提下，采取削坡減載的方式對局部高陡邊坡進行治理，降低局部臺階高度，提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，使得治理后的局部邊坡、整體邊坡均滿足安全儲備要求[7]。

3.2 自然發(fā)火區(qū)治理方案

1）清除火根方案。用清除火根法對火根位置相對明確及火根埋藏相對較淺的火區(qū)采用工程設備對該區(qū)域進行挖掘，將可燃物和火根一并清除，根治自燃發(fā)火；淺層火區(qū)主要為到界端幫煤層表層一定影響范圍，厚度約為20～30 m?；鸶宄?，采取回填物料掩埋壓腳方式提升邊坡穩(wěn)定性[8]。

2）注漿灌漿方案。注漿灌漿法主要針對地下火根面積大、數(shù)量多、火根清除困難的火區(qū)進行打孔注漿，使?jié){液充填到可燃物堆積體內(nèi)的空隙中，并使之駐留在空隙內(nèi)，從而使可燃物與空氣隔絕，則可以切實達到防治其自燃的目的。注漿消火法主要對到界端幫煤層50～100 m 范圍內(nèi)自燃災害治理[9]。

3.3 地下水疏干方案

綠色泥巖與褐色頁巖互層結(jié)構(gòu)的北幫巖體，形成分層含水體，初步估計含水層達30 多層。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用布設疏干孔得方式，由上至下布設3 排水平疏干孔，分別為-52 m 水平、-85 m 水平、-114 m水平。為使鉆孔內(nèi)的水外流方便，鉆孔應有3°～8°向外傾斜的坡度，這樣還可以自清孔中的泥沙，鉆孔直徑一般為120～200 mm，孔深超過潛在滑面20 m。

3.4 生態(tài)修復方案

通過東露天礦至西露天礦坑電鐵排土線路對位于礦坑西端幫28-5 電鐵排土線W1500-W1300，+70水平進行回填儲備，規(guī)劃生態(tài)修復面積計劃10 萬m3；主要修復工程：場地回填整形、客土覆土0.5 m、栽植喬木、灌木等樹種，建設噴灌系統(tǒng)及日常管護，建設土壤修復試驗區(qū)和示范區(qū)。

3.5 礦坑監(jiān)測保障方案

1）邊坡監(jiān)測方案。在礦坑南幫設置雷達對北幫邊坡實時監(jiān)測，同時設置GPS 監(jiān)測線和巖移監(jiān)測點，形成覆蓋全礦坑的監(jiān)測網(wǎng)絡。依據(jù)邊坡雷達監(jiān)測成果及GPS 監(jiān)測成果，進行邊坡穩(wěn)定狀況分析，并對邊坡監(jiān)測成果實現(xiàn)滑坡預警，根據(jù)預警信息，提前將現(xiàn)場作業(yè)人員和作業(yè)設備撤出邊坡危險區(qū)域，避免整個治理過程中發(fā)生安全事故，保證現(xiàn)場作業(yè)人員和作業(yè)設備的安全。

2）水災監(jiān)控方案。在治理工程期間，將勘查孔作為觀測孔對水位進行觀測，實時掌握水位變化，及時預警，保障作業(yè)安全。

3）火災監(jiān)控方案。采用二維陣列紅外熱成像探測技術(shù)，實時對溫度異常區(qū)進行在線監(jiān)測，系統(tǒng)具有記錄、儲存、閾值報警、無線上傳等功能，能實現(xiàn)溫度異常區(qū)精準定位，分析結(jié)果實時上傳。

4 結(jié)語

西露天礦礦坑綜合治理投資額度大、治理周期長、工程措施復雜，是一個世界性難題，沒有成熟的經(jīng)驗可以復制，是一項系統(tǒng)工程，既刻不容緩，又要穩(wěn)扎穩(wěn)打?，F(xiàn)階段必須統(tǒng)籌考慮長遠和近期治理階段任務，既要做好頂層設計、科學規(guī)劃，又要做好近期的治理工作。根據(jù)礦坑災害的調(diào)查與機理分析，有針對性地確定各區(qū)域的治理方案，保障礦坑生態(tài)環(huán)保安全，為下一步整體方案的順利實施奠定基礎。