露天礦工程地質(zhì)類型分區(qū)及邊坡地質(zhì)模型分析

姬 超

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

露天礦山開采過程中其采場邊坡受地質(zhì)、水文和氣候條件等因素影響易發(fā)生失穩(wěn)變形，給露天礦山開采帶來嚴(yán)重安全隱患[1-2]。為保證采場安全，必須對邊坡穩(wěn)定性進行評價，以制定相應(yīng)的防范措施。大煤溝煤礦采用露天—井工聯(lián)合開拓方式，露天采場具有典型的深凹露天礦山特征，其坡體巖石強度較低，局部裂隙發(fā)育。隨著開采深度及到界臺階數(shù)量的增加，露天采場邊坡變陡，其穩(wěn)定性也隨之降低。根據(jù)大煤溝煤礦礦山地質(zhì)條件及采空區(qū)現(xiàn)狀，對邊坡穩(wěn)定性影響情況進行詳細分析，對礦區(qū)工程地質(zhì)區(qū)域進行劃分，并選取各區(qū)的代表性模型進行分區(qū)研究，為邊坡穩(wěn)定性分析提供基本參數(shù)及評價依據(jù)。

1 工程概況

大煤溝煤礦地處柴達木盆地北緣東部，達肯大坂山東南，該礦露天采場位于井田東部。地勢整體呈東北高西南低；東北部為高山區(qū)，海拔在+3 800 m以上，原始地形坡度25°～40°；西南部地勢相對較緩，屬山前沖洪積地貌，海拔約+3 510 m，原始地形坡度18°～24°。露天采場現(xiàn)已開采至+3 465 m，到界幫坡角24°～30°；未到界幫坡角15°～23°，最大邊坡高度約230 m。揭露的邊坡地層巖性主要有：第四系沖洪積層；古近系砂巖及礫巖；侏羅系砂巖、泥巖及煤層。

該礦設(shè)計生產(chǎn)能力0.30 Mt/a，采用露天—井工聯(lián)合開拓方式。露天開采范圍內(nèi)共劃分為一個采區(qū)，采區(qū)長約1 500 m，寬約1 300 m，設(shè)計最低開采標(biāo)高為+3 450 m，最終幫坡角30°。該礦主要可采煤層兩層： 其中F2煤層是F 煤組的上分層，厚度0.85～12.29 m，平均6.3 m，煤層傾角15°～20°，傾向259°～326°；F1煤層是F 煤組的下分層，煤層厚度6.88～21.04 m，平均14.67 m，煤層傾角15°～25°，傾向262°～324°。F2煤層與F1煤層的間距為0.92～9.96 m，平均3.22 m；巖性以深灰色粉砂巖、泥巖為主，層位穩(wěn)定。

2 坡體節(jié)理、裂隙調(diào)查

根據(jù)觀測手段的不同，巖體節(jié)理、裂隙調(diào)查主要有三種調(diào)查方法[3-4]：一是出露面調(diào)查法；二是鉆孔巖芯和鉆孔孔壁調(diào)查法；三是攝影測量法。

因采場巖體已揭露，本次坡體節(jié)理、裂隙調(diào)查采用出露面調(diào)查法，具體是在巖體出露處拉一條直線，然后對結(jié)構(gòu)面進行詳細素描。

本次坡體節(jié)理、裂隙調(diào)查集中在采場東、西部邊幫，共布置測點25 個，測線總長200 m。其中東部邊幫布設(shè)測點11 個，測線長88 m； 南部邊幫共布設(shè)測點14 個，測線長度112 m。實測節(jié)理裂隙672 條，間距0.24～0.32 m，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場節(jié)理、裂隙調(diào)查結(jié)果；采場邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育以較小傾角結(jié)構(gòu)面為主，采場坡體節(jié)理裂隙優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向總體為NW-SE 及NE-SW 向，采場邊坡無延伸較長和規(guī)模較大的破碎帶，無滑坡楔形體。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析如圖1和表1所示。

圖1 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析結(jié)果

表1 采場邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面綜合統(tǒng)計分析

3 采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

本礦采用井工+露天聯(lián)合開拓方式，井工開采形成的采空區(qū)會引起上覆巖層垮落及地表沉陷。大煤溝井工礦采空區(qū)共兩處，總面積0.64 km2。其中一處位于露天礦西部邊幫，面積約0.46 km2，標(biāo)高范圍+3 250～+3 400 m； 另一處位于5 勘探線南部，面積0.18 km2，標(biāo)高范圍+3 250～+3 400 m。

生產(chǎn)經(jīng)驗表明，隨著采空區(qū)的不斷擴大，直接頂板不規(guī)則垮落、彎曲、旋轉(zhuǎn)、下沉，使上覆巖層產(chǎn)生移動和破壞。上覆巖層移動和破壞具有明顯的分帶性，自上而下一般可分為三帶：彎曲下沉帶、裂縫帶及冒落帶[5]?！叭龓А敝?，冒落帶中的巖石因碎脹性充填采空區(qū)，為冒落帶上覆巖層提供支撐作用，從而形成以下沉為主的裂縫帶及彎曲下沉帶。相對而言，冒落帶巖層的垮落是影響上覆巖層下沉的決定性因素，隨著冒落程度的加大，采空區(qū)會隨之充填，當(dāng)達到一定的程度時，上覆巖層中的裂縫帶及彎曲下沉帶的變形就會穩(wěn)定，不再變化。本礦西邊幫及排土場下部均賦存有大面積的采空區(qū)，西部邊幫及排土場均位于塌陷范圍內(nèi)，其邊坡穩(wěn)定受其影響較大。

采空區(qū)與露天采場底部之間留有垂深50 m的隔離煤巖柱。由于冒落帶的巖層垮落是上覆巖層下沉的決定因素，也是引起采空區(qū)上方邊幫失穩(wěn)的主要外因，故本次以冒落帶為主要研究對象，分析采空區(qū)對邊幫穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，冒落帶高度按下式計算：

式中：ΣM 為累計采厚，17.89 m。

經(jīng)計算，本礦冒落帶高度為14 m。由于采空區(qū)與露天采場底部之間留有垂深50 m 的隔離煤巖柱，冒落帶處于露天采坑最低標(biāo)高+3 450 m 以下，故露天邊坡受冒落帶直接影響較小，邊坡整體沉陷及垮塌的可能性較低； 但受裂縫帶及彎曲下沉帶巖層變形影響，西部邊幫可能存在局部失穩(wěn)的可能性。

4 工程地質(zhì)分區(qū)及代表性地質(zhì)剖面分析

4.1 工程地質(zhì)分區(qū)原則

以邊坡形態(tài)、 巖石力學(xué)性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造為依據(jù)，先將同一邊坡形態(tài)粗略劃分為一個地質(zhì)分區(qū)[6-7]，再根據(jù)該分區(qū)的巖石力學(xué)性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造等因素細化，得到最終的地質(zhì)分區(qū)。

4.2 工程地質(zhì)分區(qū)

本礦采場邊坡形態(tài)大致可分為兩類，一類為采場東部邊幫，其走向236°～349°，傾向259°～326°，幫坡角18°～30°，坡長約1 500 m，坡向與巖層傾向相同；另一類為采場西部邊幫，其走向234°～352°，傾向262°～324°，幫坡角15°～25°，坡長約1 500 m，坡向與巖層傾向相反。本次分區(qū)將上述兩類邊幫分別劃分為一個地質(zhì)分區(qū)，由于采場各邊幫所在區(qū)域內(nèi)地層、構(gòu)造、水文及巖土體力學(xué)性質(zhì)相近，不再詳細劃分。此外，外排土場邊坡坡體主要由剝離物組成，單獨化為一區(qū)。本次邊坡工程地質(zhì)分區(qū)共劃分為三個分區(qū)，采場劃分為四個分區(qū)，外排土場單獨劃為一個分區(qū)。

4.3 代表性地質(zhì)剖面分析

（1）Ⅰ分區(qū)地質(zhì)剖面分析

Ⅰ分區(qū)位于采場的東部，共形成不規(guī)則臺階21級，自南至北臺階數(shù)依次增多，邊幫長約1 500 m，最大邊坡高度約230 m，+3 525 m 以上為到界臺階，+3 525 m 以下為工作臺階。邊坡上陡下緩，到界幫坡角 25°～30°，未到界幫坡角20°～26°。年度計劃到界邊幫控制角度為30°，降深10 m。組成該區(qū)邊坡的巖層主要有：風(fēng)化層、砂巖組、泥巖組及煤組。巖層傾向與坡向相同，巖層傾角大于坡面傾角。本次選取1-1 和1-2 地質(zhì)剖面作為Ⅰ分區(qū)代表性剖面進行分析，如圖2所示。

圖2 Ⅰ區(qū)代地質(zhì)剖面

Ⅰ分區(qū)范圍內(nèi)無較大斷裂破碎帶，坡面未形成較大規(guī)模的滑坡楔形體。該區(qū)中部為高山區(qū)，海拔+3 800 m 以上，地表出露全風(fēng)化—弱風(fēng)化泥巖及砂巖，塊—團塊狀，遇水變軟；風(fēng)化層之下為砂巖、 泥巖及煤組，傾向與坡向相同，傾角25°～34°，其中砂巖組為坡體的主要巖層，主要巖性有：含礫粗砂巖、粗砂巖及細砂巖，砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主，含少量云母碎屑，具有波狀層理，完整性差；泥巖多為煤組頂?shù)装?，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，完整性差；煤巖，碎塊—塊狀，階梯狀斷口，以亮煤為主，屬半亮型煤。

該區(qū)地下水靜水位初始埋深約95 m，巖體節(jié)理、裂隙及層理為地下水的主要通道。受構(gòu)造作用及地下水影響，巖體節(jié)理及裂隙發(fā)育，完整性差，強度較低。

（2）Ⅱ分區(qū)地質(zhì)剖面分析

Ⅱ分區(qū)位于采場的東部，邊幫長約1 500 m，最大邊坡高度約130 m，幫坡角18°～23°。年度計劃到界邊幫控制角度為30°，降深10 m。該區(qū)坡體主要由第四系土層、風(fēng)化層、砂巖、泥巖及煤組組成，坡向與巖層傾向相反。本次選取2-1、2-2地質(zhì)剖面作為Ⅱ分區(qū)代表性剖面進行分析，如圖3所示。

圖3 Ⅱ區(qū)代地質(zhì)剖面

Ⅱ分區(qū)范圍內(nèi)無較大斷裂破碎帶，坡面未形成較大規(guī)模的滑坡楔形體。該區(qū)局部覆蓋有第四系砂礫層，最大揭露厚度約18 m。該層主要由沖積、洪積、風(fēng)積形成的砂卵石、砂土等組成，呈松散—密實狀，稍濕—濕。地表大部出露全風(fēng)化—弱風(fēng)化泥巖及砂巖，塊—團塊狀，遇水變軟；風(fēng)化巖層之下為砂巖、泥巖及煤組，傾向與坡向相同，傾角22°～26°，其中砂巖組為該區(qū)坡體的主要巖層，主要巖性有含礫粗砂巖、粗砂巖及細砂巖等，砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主，含少量云母碎屑，具有波狀層理，完整性差；泥巖多為煤組頂?shù)装?，呈深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，完整性差；煤巖，碎塊—塊狀，階梯狀斷口，以亮煤為主，屬半亮型煤。

該區(qū)地下水靜水位初始埋深約87 m，巖體節(jié)理、裂隙及層理為地下水的主要通道。受構(gòu)造作用及地下水影響，巖體節(jié)理及裂隙發(fā)育，完整性差，強度較低。

（3）Ⅲ分區(qū)地質(zhì)剖面分析

Ⅲ分區(qū)位于采場的西部，為外排土場邊坡。本次選取3-1、3-2 地質(zhì)剖面作為Ⅲ分區(qū)代表性剖面，如圖4所示。

圖4 Ⅲ區(qū)代地質(zhì)剖面

該區(qū)最大邊坡高度80 m，幫坡角19°～26°，共有臺階3 級。臺階高度16～40 m，臺階坡面角20°～33°。年度計劃新增排土高度20 m，排土邊幫最大坡角控制在20°以內(nèi)。排土場基底屬山坡地貌，地形起伏，溝谷發(fā)育，基底巖層大部為全風(fēng)化—弱風(fēng)化的泥巖及砂巖，僅在溝谷區(qū)域為第四系沖洪積層。

5 結(jié)論

1）通過坡體節(jié)理、裂隙調(diào)查，采場坡體節(jié)理裂隙優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面走向為NW-SE 及NE-SW 向，采場邊坡無延伸較長、規(guī)模較大的破碎帶，無滑坡楔形體。

2）通過因采空區(qū)引起邊坡穩(wěn)定性影響分析，露天邊坡受冒落帶直接影響較小，邊坡整體沉陷及垮塌的可能性較低，但受裂縫帶及彎曲下沉帶巖層變形影響，西部邊幫可能存在局部失穩(wěn)的可能性。

3）通過工程地質(zhì)分區(qū)，將大煤溝煤礦采場內(nèi)工程地質(zhì)條件與特性大體相同的地段歸類區(qū)劃為一些獨立的場地單元或系統(tǒng)，為邊坡穩(wěn)定性分析提供所需基本參數(shù)及評價依據(jù)。