某露天煤礦邊坡裂縫破壞機(jī)理及治理措施

張文耀

（山西忻州神達(dá)能源集團(tuán)有限公司 山西 忻州 034000）

0 前言

該露天煤礦開采境界內(nèi)可采原煤量為51 Mt，生產(chǎn)能力為原煤1.20 Mt/a，儲量備用系數(shù)按1.1計算，露天礦設(shè)計服務(wù)年限為38.65 a。開采工藝為單斗-卡車工藝，工作線沿煤層走向布置，沿煤層傾向推進(jìn)。煤、巖臺階均水平布置，高度為10 m，巖石臺階坡面角70°、土臺階坡面角65°，剝離最小工作平盤寬度37 m；煤石臺階坡面角70°，最小工作平盤寬度35 m；最終邊坡角35°，共分為15個剝離臺階和一個采煤臺階。同時根據(jù)礦區(qū)實際情況，建立了邊坡巖移觀測線和監(jiān)測網(wǎng)。

該露天礦于2020年5月份在采場北幫邊坡發(fā)現(xiàn)一條裂縫，經(jīng)現(xiàn)場實測，裂縫區(qū)域東西平均長度約360 m，南北平均長度110 m，面積約為39 600 m2。裂縫頂部標(biāo)高為1 580 m，底部標(biāo)高為1 530 m，裂縫傾角約為9°~19°，西部裂縫傾角大，東部裂縫傾角小，截止治理開始之日，裂縫區(qū)域頂部累計下沉417 cm，底部累計伸出245 cm，為及時消除隱患，保證安全生產(chǎn)，對該邊坡裂縫進(jìn)行治理已迫在眉睫。

1 地質(zhì)條件概況

裂縫區(qū)域北側(cè)為山體，南側(cè)為礦坑采區(qū)，地形為北高南低，西高東低，位于兩個山體水道之間。地形地貌如圖1所示。

圖1 裂縫區(qū)域地形地貌示意圖

1.1 區(qū)域地層

由現(xiàn)場揭露斷面及礦區(qū)內(nèi)地層整體情況，裂縫區(qū)域地層由新至老敘述如下：

（1）第四系上更新統(tǒng)（Q3）

土黃色黃土，為細(xì)粉砂土，砂質(zhì)粘土，其下為礫石夾1－2層半膠結(jié)石灰?guī)r小礫石層，下部為巨礫，不整合于下伏各時代基巖之上，厚度約30 m~60 m。

（2）二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）

以砂巖為基底，連續(xù)沉積于山西組之上，K3為灰色中粗粒砂巖，底部有時含礫，厚1.13 m～7.34 m，平均6.35 m。本組下部以灰色泥巖、粉砂巖為主，夾灰綠色粘土泥巖，向上變?yōu)辄S、黃褐、黃綠、紫色泥巖及黃綠色砂巖，揭露最大厚度90 m。

（3）二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）

以K2砂巖為基底連續(xù)沉積于太原組之上，K2為灰白色以石英、長石為主的中粗砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，底部有時含礫石，層位穩(wěn)定，厚4.05 m～7.34 m，平均6.35 m，中下部為灰白色、淺灰色、淺黃色中粗砂巖夾深灰色的砂質(zhì)泥巖，頂部有淺灰色粘土泥巖一層，本組厚37.22 m～47.48 m，平均43.40 m。

1.2 區(qū)域構(gòu)造

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)報告和揭露現(xiàn)狀，裂縫區(qū)域在F1斷層帶范圍內(nèi)。

F1斷層帶：位于礦田西北部邊界，根據(jù)鉆孔揭露，該斷層走向NE，傾向SE，落差大于200 m，傾角80°，兩端一直延展到區(qū)外10 km，F(xiàn)1斷層帶中存在破碎帶，有良好的導(dǎo)水性和充水性，裂縫區(qū)域位于斷層帶的上部。

1.3 區(qū)域含水層

區(qū)域內(nèi)共涉及兩個含水層即第四系松散巖類含水層和二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖組。

（1）第四系松散巖類含水層

主要由黃土及卵礫石組成，中夾隔水和半隔水的亞粘土、亞礫土層，致使下部承壓。第四系松散巖含水較豐富，為當(dāng)?shù)卮迕耧嬘盟饕础ｌo止水位高出孔口0.91 m，水位標(biāo)高1 538.41 m，水位降低為24.36 m時，涌水量4.78 L/s，單位涌水量0.196 L/（s?m），滲透系數(shù)0.369 m/d。為弱～中等富水性含水層。

（2）二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖組

主要由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖組成。主要含水巖層為砂巖，以K3砂巖較為穩(wěn)定，厚4.05 m~7.34 m，一般6.00 m左右。涌水量0.41 L/s，單位涌水量0.230 L/（s?m），滲透系數(shù)2.556 m/d，為弱－中等富水性含水層。

2 裂縫區(qū)域破壞機(jī)理分析

2.1 區(qū)域裂縫分析原因

裂縫產(chǎn)生的主要原因是存在含水弱層、1530水平以上有含水層及斷層構(gòu)造。

2.1.1 含水弱層

該區(qū)域土質(zhì)松軟，含水量較大，有一條明顯的含水弱層（第四系松散巖類含水層）和二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖組。第四系松散巖含水較豐富，單位涌水量0.196 L/s.m，為弱～中等富水性含水層。二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水巖組單位涌水量0.230 L/s.m，為弱～中等富水性含水層。

2.1.2 斷層構(gòu)造

裂縫區(qū)域在F1斷層帶范圍內(nèi)，F(xiàn)1斷層帶位于礦區(qū)西北部邊界，該斷層走向NE，傾向SE，落差約200 m，傾角80°，F(xiàn)1斷層有導(dǎo)水性和充水性，裂縫區(qū)域位于斷層帶的上部。

2.2 區(qū)域裂縫機(jī)理分析

裂縫區(qū)域處于北側(cè)山體原水道位置，兩側(cè)是山體的出水溝道，下部+1 530 m平盤是通往官地村原河道。該區(qū)域土質(zhì)松軟，含水量較大，含水弱層影響山體穩(wěn)定性，通過現(xiàn)場實測，裂縫區(qū)域含水層平均出水量約0.8 m3/h，前期出水量稍大，后期出水量較小。

裂縫區(qū)域位于F1斷層帶上部，斷層區(qū)域內(nèi)地層較為破碎，且容易積水，有較強(qiáng)的導(dǎo)水性，雖地表未出露，但造成地層穩(wěn)定性大幅度下降。

裂縫區(qū)域巖土力學(xué)強(qiáng)度低，在含水層作用下易軟化、泥化，造成邊坡裂縫滑坡的滑動面。其發(fā)生滑坡的模式以“坐落滑移式”為主，其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復(fù)合滑面。

從裂縫原因及機(jī)理分析，結(jié)合現(xiàn)場對裂縫區(qū)域的測量，裂縫區(qū)域深度在10 m~30 m之間，平均深度17 m左右，裂縫東部深度較小，西部深度較大。根據(jù)裂縫區(qū)域深度、地層巖性及《生產(chǎn)地質(zhì)報告》中裂縫區(qū)域地質(zhì)剖面圖綜合判斷，該滑坡屬于大曲線模式坐落式滑移，具體滑動模式見圖2。

圖2 大曲線模式坐落式滑移

3 治理措施

3.1 治理方式

根據(jù)該裂縫區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖性特征及推斷滑動模式等綜合考慮，采用清頂削坡結(jié)合攔截山體水道匯水，將溝谷洪水和第四系松散巖類含水層水引至采場集水坑或附近河道的方式進(jìn)行治理。

3.2 治理方案及工程量

治理方案采用上部卸載，下部承壓的方式。對1530水平以上的裂縫區(qū)域進(jìn)行清理，修筑1540水平~1580水平臺階（根據(jù)地形條件，局部5 m臺階），最終幫坡角為17°，平盤寬度為8 m~50 m，臺階坡面角55°，治理工程量約為39.82萬m3。

3.3 邊坡穩(wěn)定性驗算

根據(jù)地質(zhì)報告中提供的巖塊強(qiáng)度、巖石物理力學(xué)資料及相臨礦山巖石力學(xué)資料，綜合確定巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，見表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

采用簡化Bishop法，選取裂縫區(qū)域具有代表性的剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析驗算得出，該剖面邊坡角為17°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.32，滿足邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs＞1.2要求。

3.4 治理影響范圍

裂縫區(qū)域東西平均長度約360 m，南北平均長度110 m，面積約為39 600 m2，考慮裂縫區(qū)域周邊設(shè)置截水溝和平盤排水溝攔截山體匯水，設(shè)置安全距離防止局部片幫或再次發(fā)生裂縫，清理裂縫頂部散落物等因素綜合考慮，治理影響范圍較裂縫區(qū)域范圍應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大30 m~50 m。

4 邊坡監(jiān)測措施

根據(jù)裂縫區(qū)域治理施工進(jìn)度，不斷優(yōu)化邊坡監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)調(diào)整監(jiān)測點位置，確保邊坡監(jiān)測全面覆蓋裂縫治理施工區(qū)域。

4.1 邊坡監(jiān)測方式

采用GPS自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合方式。其中GPS自動監(jiān)測采用GPS定位系統(tǒng)和24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)，對裂縫區(qū)域邊坡進(jìn)行24小時不間斷監(jiān)測。根據(jù)實際情況隨時調(diào)整自動監(jiān)測位置監(jiān)測數(shù)據(jù)每30分鐘進(jìn)行更新，發(fā)現(xiàn)異常情況，立即報警；人工監(jiān)測通過在裂縫區(qū)域內(nèi)設(shè)置人工監(jiān)測點，安排專業(yè)巡查人員每日進(jìn)行兩次巡查，查看地表沉降、邊坡位移變形狀況，發(fā)異常情況時，及時匯報處理。

4.2 邊坡監(jiān)測點布設(shè)

裂縫治理區(qū)域內(nèi)共布置3條監(jiān)測線，9個人工監(jiān)測點，1個GPS自動監(jiān)測點。其中西部設(shè)置1條監(jiān)測線、3個監(jiān)測點；中部設(shè)置1條監(jiān)測線、4個監(jiān)測點；東部設(shè)置1條監(jiān)測線、3個監(jiān)測點。具體位置如圖3所示。

圖3 裂縫區(qū)域邊坡監(jiān)測點布置示意圖

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

整個裂縫治理工期為20天，治理期間頂部累計下沉量為76 mm，底部累計伸出量為65 mm；治理結(jié)束后一個月，頂部累計下沉量為75 mm，底部累計伸出量為54 mm；目前頂部下沉速率為6 mm/月，底部伸出速率為4 mm/月，裂縫趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

裂縫區(qū)域地層自上而下由細(xì)粉砂土、砂質(zhì)粘土、中粗粒砂巖、灰色泥巖、粉砂巖、中粗砂巖組成。治理措施采用清頂削坡、攔截山體水道匯水為主，同時輔以防排水措施及邊坡監(jiān)測措施，通過穩(wěn)定性分析計算，治理方式滿足邊坡穩(wěn)定性要求。同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，表明治理措施科學(xué)有效，為安全生產(chǎn)提供可靠保障。