勝利東二號(hào)露天煤礦采場(chǎng)南幫邊坡穩(wěn)定防控研究

姜連軍

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際錫林浩特礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

在露天礦生產(chǎn)中，采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷增大，邊坡工作線的不斷增長(zhǎng)，開采深度的逐漸增加，邊坡穩(wěn)定性問題越發(fā)突出。受地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、生產(chǎn)作業(yè)的影響，以及受冰凍、降雨等影響，會(huì)導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑坡。為保障采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定，避免滑坡事故再次發(fā)生，提升礦山經(jīng)濟(jì)性及安全性，根據(jù)勝利東二號(hào)露天煤礦的南幫地質(zhì)特征、南幫滑坡及未來(lái)建設(shè)情況，采用極限平衡分析、有限元分析、復(fù)合邊坡分析方法，對(duì)根據(jù)勝利東二號(hào)露天煤礦南幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究[1-4]，確定安全、經(jīng)濟(jì)的邊坡形式，并由此提出采場(chǎng)南幫邊坡的防控措施[5-10]。

1 工程概況

勝利東二號(hào)露天礦采場(chǎng)南幫巖層順傾，巖石以碎屑沉積巖為主，巖石力學(xué)強(qiáng)度低，在地下水作用下易軟化、泥化，含煤地層中有弱面。南幫位于向斜盆地之南翼，發(fā)育有F68、F8、F61等斷層且?guī)r體節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層走向與南幫邊坡傾向基本一致。區(qū)域內(nèi)主要有4 個(gè)主要含水層，第四系孔隙水、第三系孔隙及裂隙潛水、4#煤組裂隙及孔隙承壓水、6 煤組裂隙及孔隙承壓水，巖層透水性差。

采場(chǎng)南幫邊坡于2011 年2 月出現(xiàn)變形，9 月初形成1＃、2＃2 條弧形裂縫帶。2012—2013 年，該邊坡受2 次強(qiáng)降雨影響，先后發(fā)生以1＃裂縫帶為后緣的采場(chǎng)南幫大滑坡及以2＃裂縫帶為后緣的采場(chǎng)南幫、南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡大型滑坡。

南幫發(fā)生滑坡后，先后采取了削幫減負(fù)、削南排土場(chǎng)北側(cè)臺(tái)階減負(fù)、壓腳支撐等措施進(jìn)行治理，但效果一般。后經(jīng)多次組織專家及委托相關(guān)科研院所論證分析，確定采用橫采內(nèi)排[2]壓腳的方式對(duì)南幫滑坡進(jìn)行治理，即在采場(chǎng)東幫建立內(nèi)排土場(chǎng)，在向西沿著煤層走向開采過(guò)程中，內(nèi)排土場(chǎng)逐步跟進(jìn)壓腳南幫，通過(guò)北幫對(duì)其支撐，實(shí)現(xiàn)支護(hù)南幫。目前內(nèi)排土場(chǎng)頂面為963 m 水平，距計(jì)劃排棄地表高度約100 m，有效壓腳至南幫滑落區(qū)903 m 水平，上部區(qū)域未再次發(fā)生滑坡，實(shí)踐證明，該方法有效。隨著內(nèi)排土場(chǎng)向西跟進(jìn)壓腳，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)南幫滑坡區(qū)治理，而且可保證未來(lái)西推過(guò)程中南幫邊坡穩(wěn)定。

但在后續(xù)生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，受北幫完全到界時(shí)間較晚，煤炭未完全采出的制約，內(nèi)排土場(chǎng)推進(jìn)至東北轉(zhuǎn)角處時(shí)將無(wú)法繼續(xù)向西發(fā)展，至北幫到界恢復(fù)內(nèi)排時(shí)存在5 年左右的停排時(shí)間。隨著西幫推進(jìn)，南幫邊坡暴露長(zhǎng)度將逐步增大，待恢復(fù)內(nèi)排時(shí)，南幫邊坡頂部長(zhǎng)度達(dá)到約4 km，底部約0.7 km，由于南幫地質(zhì)條件的特殊性，邊坡存在較大滑坡風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中如果再次發(fā)生滑坡，將造成煤炭損失、生產(chǎn)無(wú)法接續(xù)的嚴(yán)重后果。

2 采場(chǎng)南幫邊坡穩(wěn)定性

1）極限平衡分析。根據(jù)邊坡地質(zhì)特征，確定臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs＝1.05，到界邊坡或重要工程位置邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs＝1.20。選取南幫邊坡角度大于19°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于1.05，不滿足臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)。選取南幫邊坡角度為18°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.068，大于臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs＝1.05，只能滿足臨時(shí)邊坡安全要求，不能滿足較長(zhǎng)時(shí)間的邊坡暴露。如繼續(xù)減小南幫邊坡角度，會(huì)進(jìn)一步增大剝采比，經(jīng)濟(jì)性較差，為此，在南幫邊坡角度選取18°的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，考慮在南幫852 m 水平（最上部煤層頂板出露水平）留設(shè)寬平臺(tái)，以提高南幫邊坡的整體穩(wěn)定性。以初始留設(shè)平臺(tái)寬度20 m，計(jì)算步距10 m 進(jìn)行計(jì)算，平臺(tái)寬度20 m 時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.05，之后隨著平臺(tái)寬度增加逐步增大，在平臺(tái)留設(shè)寬度150 m 時(shí)（整體邊坡角度約15°），邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.212，大于邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs＝1.20。南幫852 m 水平留設(shè)150 m 寬平臺(tái)邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖1。根據(jù)極限平衡分析，南幫邊坡角18°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.068，大于臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)Fs＝1.05。所以，在回采852 m 水平以下煤柱使南幫整體到界時(shí)，通過(guò)隨采隨排，內(nèi)排快速跟進(jìn)壓腳方式，可保證南幫邊坡穩(wěn)定。

圖1 南幫852 水平留設(shè)150 m 寬平臺(tái)邊坡穩(wěn)定系數(shù)

2）有限元分析。利用有限元法進(jìn)行計(jì)算分析[5]，南幫開采至最終邊坡角18°時(shí)，邊坡主要位移集中在邊坡弱層、斷層及邊坡坡腳處，說(shuō)明邊坡最可能發(fā)生的滑動(dòng)方式為沿著弱層發(fā)生的牽引式順層滑動(dòng)破壞。因南排土場(chǎng)距采場(chǎng)南幫地表境界距離較近，形成復(fù)合邊坡，需綜合考慮南排土場(chǎng)對(duì)采場(chǎng)南幫的影響。采場(chǎng)南幫及南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡總位移如圖2。經(jīng)分析，當(dāng)外排土場(chǎng)距離采場(chǎng)地表境界超過(guò)400 m 時(shí)，兩者之間的影響相對(duì)較小。在南排土場(chǎng)距離采場(chǎng)南幫地表境界為400 m，且在南幫852 m 水平留設(shè)150 m 寬平臺(tái)時(shí)，從邊坡總位移圖可以明顯看出，主要位移已經(jīng)不發(fā)生在坡腳，而在留設(shè)平臺(tái)的上部邊坡，說(shuō)明留設(shè)寬平臺(tái)起到了效果，對(duì)邊坡主要變形位置起到了控制作用，對(duì)邊坡穩(wěn)定起到了有利作用。

圖2 采場(chǎng)南幫及南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡總位移圖

3）復(fù)合邊坡分析。對(duì)南幫及南排土場(chǎng)形成的復(fù)合邊坡進(jìn)行整體分析[5]，分析南排土場(chǎng)與南幫安全距離為400 m，南幫邊坡角為18°且在南幫852 m 水平留設(shè)150 m 安全平臺(tái)時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)，采場(chǎng)南幫及南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定系數(shù)如圖3。經(jīng)計(jì)算，南幫剖面復(fù)合邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.346，符合露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范[6]要求。

圖3 采場(chǎng)南幫及南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定系數(shù)

經(jīng)上述分析，未來(lái)生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，采場(chǎng)南幫邊坡可以采用將到界邊坡角調(diào)整為18°，且在852 m水平預(yù)留寬平臺(tái)，南排土場(chǎng)距離采場(chǎng)地表境界距離保持至少400 m 的方式。

3 采場(chǎng)南幫邊坡防控措施

1）加快采場(chǎng)北幫到界。受采場(chǎng)北幫到界影響，內(nèi)排土場(chǎng)向西推進(jìn)緩慢，且存在停排時(shí)間較長(zhǎng)的情況。為此，可將原二期初設(shè)首采區(qū)及二采區(qū)分界向南回收，以實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)北幫快速推進(jìn)到界，縮短內(nèi)排停排時(shí)間，快速向西推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)橫采內(nèi)排支護(hù)南幫。

2）全面監(jiān)測(cè)巡視，掌握邊坡變形動(dòng)態(tài)。①采用邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)南幫全天候、全方位監(jiān)測(cè)；②根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，合理規(guī)劃并布設(shè)在南幫重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置，每日對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；③在監(jiān)測(cè)點(diǎn)或雷達(dá)故障不能及時(shí)修復(fù)時(shí)，可采取人工打樁方式，在地表穩(wěn)定位置及南幫重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置打鐵樁或木樁（幾十公分即可），每日用測(cè)量?jī)x器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，掌握該些位置的位移情況；④重點(diǎn)對(duì)南幫邊坡及地表進(jìn)行巡視，檢查有無(wú)裂縫、底鼓、錯(cuò)動(dòng)等邊坡變形情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并予以處理。

3）根據(jù)南幫邊坡穩(wěn)定情況動(dòng)態(tài)調(diào)整邊坡角。在內(nèi)排停排期間，通過(guò)全面監(jiān)測(cè)巡視，以及邊坡穩(wěn)定性分析，對(duì)南幫邊坡角進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如果邊坡不穩(wěn)定，可減小邊坡角，保證邊坡穩(wěn)定。待恢復(fù)內(nèi)排后，可結(jié)合內(nèi)排跟進(jìn)時(shí)邊坡穩(wěn)定情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整邊坡角，如邊坡穩(wěn)定，可加大邊坡角，在快速回采煤炭后內(nèi)排及時(shí)跟進(jìn)。

4）采取合理的西幫及內(nèi)排推進(jìn)方式。采場(chǎng)南幫滑坡斷臂頂部標(biāo)高為945 m，2013 年滑坡出露至今斷臂仍保持穩(wěn)定?？紤]南幫層理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在恢復(fù)內(nèi)排后，采取錯(cuò)位排棄方式，即優(yōu)先快速排棄內(nèi)排土場(chǎng)中部以下水平（可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況分析確定分段位置），在保持合理距離內(nèi)，同時(shí)排棄內(nèi)排土場(chǎng)上部水平，實(shí)現(xiàn)下部水平快速支護(hù)南幫，最大限度保證南幫整體穩(wěn)定，隨著內(nèi)排土場(chǎng)上部水平的跟進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)完全支護(hù)南幫。

5）防控水對(duì)邊坡的影響。①挖設(shè)地表防洪溝：隨著采場(chǎng)西幫向西推進(jìn)，繼續(xù)在采場(chǎng)南幫地表沿幫挖設(shè)防洪溝，將匯水?dāng)r至防洪溝并向西排至草原，防止因降雨導(dǎo)致匯水流入采場(chǎng)，對(duì)南幫邊坡穩(wěn)定造成影響；②完善采場(chǎng)及礦坑周邊疏干排水系統(tǒng)：重點(diǎn)在南幫及南幫地表有充分補(bǔ)給水源的地段設(shè)置疏干井，用潛水泵將水抽出，降低水頭，減少對(duì)邊坡體的滲流，結(jié)合設(shè)計(jì)方案并根據(jù)復(fù)工后生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)置采場(chǎng)防洪及正常疏干排水管路，合理規(guī)劃挖設(shè)排水溝及集水坑，保證排水系統(tǒng)能夠正常高效運(yùn)行，及時(shí)將采場(chǎng)內(nèi)匯水排出，減少其對(duì)邊坡的影響，巡查采場(chǎng)邊坡涌水位置，在該些位置向巖體打水平放水孔[7]，降低邊坡內(nèi)部水壓，改善邊坡穩(wěn)定狀況。

6）持續(xù)開展邊坡穩(wěn)定分析工作。持續(xù)開展地質(zhì)寫實(shí)工作，總結(jié)完善水文及工程地質(zhì)數(shù)據(jù)及資料，同時(shí)保持與專業(yè)科研院所合作，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及地質(zhì)資料持續(xù)開展邊坡穩(wěn)定研究，結(jié)合研究成果、生產(chǎn)建設(shè)實(shí)際與規(guī)劃，綜合考慮南幫邊坡形式，對(duì)到界邊坡角等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與調(diào)整。

7）其他防控措施。①為避免因爆破對(duì)南幫邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，在生產(chǎn)過(guò)程中，合理規(guī)劃爆破位置及參數(shù)，降低爆破對(duì)南幫的擾動(dòng)[8]；②在生產(chǎn)過(guò)程中，控制采場(chǎng)深部弱層暴露長(zhǎng)度，及時(shí)采取碾壓及夯實(shí)、排水固結(jié)等方法予以處理[9-10]；③對(duì)已出現(xiàn)的邊坡變形位置，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)采取削幫減重等方式進(jìn)行處理，在上部減重，改變滑體外形，減少下滑力，使滑體重心向下部轉(zhuǎn)移，來(lái)改善邊坡穩(wěn)定狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

基于勝利東二號(hào)露天煤礦采場(chǎng)南幫滑坡情況，以安全、經(jīng)濟(jì)性為前提，對(duì)南幫邊坡穩(wěn)定進(jìn)行防控研究；采用極限平衡法確定南幫邊坡臨界安全角度，采取在下部水平留設(shè)寬平臺(tái)的方式，提高整體邊坡穩(wěn)定性；通過(guò)有限元法對(duì)南幫邊坡滑動(dòng)形式進(jìn)行分析，采取擴(kuò)大南排土場(chǎng)與南幫地表境界距離的方式，對(duì)南幫邊坡主要變形位置進(jìn)行控制。當(dāng)露天礦采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性較差時(shí)，既不能僅為了安全性而采取較小的最終邊坡角，導(dǎo)致邊幫壓煤增多，使剝采比增大、經(jīng)濟(jì)效益降低，也不能僅為了經(jīng)濟(jì)效益而保持較大的最終邊坡角，增加邊坡滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，需綜合考慮。通過(guò)采取有效的防控措施，在生產(chǎn)過(guò)程中最大限度的保證采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定，這樣既保證露天礦采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定，也保障了經(jīng)濟(jì)效益。