復(fù)雜構(gòu)造帶影響下的露天礦邊坡穩(wěn)定性評價及 控制技術(shù)

王永偉

(山西焦煤山煤國際河曲露天煤業(yè)有限公司， 山西 忻州市 036500)

河曲舊縣露天煤礦位于山西省河曲縣境內(nèi)，礦田屬典型黃土高原地貌，地形切割劇烈，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，礦區(qū)整體為一軸向北西的褶曲構(gòu)造，地層平均傾角在2°～3°之間，最大傾角為8°，礦田發(fā)育有4條背向斜與3條正斷層。礦區(qū)從老至新發(fā)育的地層依次為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、新近系上新統(tǒng)和第四系上更新統(tǒng)。目前，河曲舊縣露天煤礦主要開采區(qū)域為首采區(qū)，首采區(qū)高程范圍為870～1060 m，本次主要對礦田首采區(qū)非工作幫、外排土場邊坡的穩(wěn)定性及控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 邊坡穩(wěn)定性模擬分析

本次選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析，重點對礦田非工作幫及外排土場邊坡（如圖1、圖2所示）的變性破壞機理與潛在滑坡模式進(jìn)行模擬分析計算，主要監(jiān)測礦田總位移、沉降位移、XZ方向剪應(yīng)力和位移矢量。

圖1 非工作幫FB-2剖面地質(zhì)簡化模型

1.1 非工作幫數(shù)值模擬計算

礦田非工作幫模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，非工作幫總位移云圖、沉降位移云圖、XZ方向剪應(yīng)力云圖和位移矢量云圖如圖4所示。

由圖4可知，礦田非工作幫邊坡整體位移主要集中在+1030水平至地表區(qū)域，最大位移出現(xiàn)在+1070水平區(qū)域，非工作幫最大位移區(qū)域為礦田上部，+1040至+1050水平區(qū)域主要以沉降變形為主；礦田應(yīng)力主要集中在內(nèi)排土場排棄物料下部+925水平坡腳區(qū)域，該區(qū)域承載上部排棄物料的全部重力，巖體變形程度較大，非工作幫邊坡上部的變形 主要為沉降變形，局部臨空區(qū)域呈現(xiàn)出水平變形特征[1-2]。整體而言，礦田非工作幫邊坡呈現(xiàn)“圓弧式”變形破壞模式。

圖2 外排土場邊坡WP-5剖面地質(zhì)簡化模型

圖3 礦田非工作幫模型網(wǎng)格劃分

圖4 礦田非工作幫數(shù)值模擬計算結(jié)果

圖5 礦田外排土場邊坡模型網(wǎng)格劃分

1.2 礦田外排土場邊坡數(shù)值模擬計算

礦田外排土場邊坡模型網(wǎng)格劃分如圖5所示，外排土場邊坡總位移云圖、沉降位移云圖、XZ方向剪應(yīng)力云圖和位移矢量云圖如圖6所示。

分析圖6可知，礦田外排土場邊坡整體位移主要集中在+1060水平至地表區(qū)域，最大位移出現(xiàn)在+1075水平區(qū)域，外排土場最大位移區(qū)域為礦田上部，+1025至+1030水平區(qū)域主要以沉降變形為主；外排土場邊坡應(yīng)力主要集中在排土場排棄物料下部+970水平坡腳區(qū)域，該區(qū)域承載上部排棄物料的全部重力載荷，外排土場邊坡上部的變形主要為沉降變形，局部臨空區(qū)域呈現(xiàn)出水平變形特征。整體而言，礦田外排土場邊坡呈現(xiàn)沿排棄廢料內(nèi)側(cè)的“圓弧式”變形破壞、沿排棄廢料基底側(cè)的“坐 落-滑移式”變形破壞模式。

圖6 礦田外排土場邊坡數(shù)值模擬計算結(jié)果

1.3 礦田邊坡穩(wěn)定性分析評價

本次采用極限平衡法對河曲舊縣露天煤礦礦田非工作幫、外排土場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評 價[2]，通過對露天礦采場、排土場邊坡進(jìn)行實地勘察，結(jié)合礦田生產(chǎn)現(xiàn)狀，建立礦田非工作幫、外排土場邊坡典型剖面模型并進(jìn)行穩(wěn)定性驗算分析，礦田非工作幫、外排土場邊坡穩(wěn)定性分析模型如圖7、圖8所示。

礦田非工作幫邊坡選取FB-2典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，整體坡角為24°～32°，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.25，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.14，其上部為黃土層，土質(zhì)較松軟，穩(wěn)定性較差，極易出現(xiàn)臺階片幫現(xiàn)象，因此，礦田生產(chǎn)期間需及時清理，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算，現(xiàn)狀條件下該礦田非工作幫邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

礦田外排土場邊坡選取WP-5典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，整體邊坡角為10°～18°，整體穩(wěn)定系數(shù)為1.58，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10，單臺階邊坡易出現(xiàn)片幫危險，礦田生產(chǎn)期間，需及時對片幫區(qū)域進(jìn)行清理與維護(hù)，現(xiàn)狀條件下，該礦田外排土 場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 礦田非工作幫FB-2剖面邊坡穩(wěn)定性分析模型

圖8 礦田外排土場WP-5剖面邊坡穩(wěn)定性分析模型

2 邊坡穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)措施

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析計算，礦田非工作幫與外排土場邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡基本滿足安全儲備需求，為進(jìn)一步加強邊坡穩(wěn)定性，保障安全作業(yè)，從邊坡安全性角度出發(fā)，提出以下邊坡穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)措施。

2.1 完善疏干排水系統(tǒng)

河曲舊縣露天煤礦礦田黃土層、黏土賦存厚度較大，土質(zhì)遇水后多呈現(xiàn)松軟狀態(tài)，力學(xué)強度會明顯降低，從而降低邊坡的穩(wěn)定性，甚至造成滑坡現(xiàn)象，威脅礦田的安全生產(chǎn)，因此，需加強疏干排水工程建設(shè)，避免大氣降水、地表水大量滲入至滑坡體內(nèi)，以保持邊坡的穩(wěn)定性。主要防范措施如下。

（1）修筑固定排水水溝，盡可能將地面水?dāng)r截阻斷在地表，將積水抽排至礦田之外，同時，加強對排水溝的清理維護(hù)，及時清除淤泥，防止出現(xiàn)積水回流、滲漏、倒灌現(xiàn)象。

（2）在外排土場邊坡施工3%～5%的反坡，提高坡面的防水沖刷能力，同時，在坡底修筑防滲排水溝，根據(jù)地形特點在不同水平內(nèi)構(gòu)筑蓄水池，利用集水井、立井、滲井、砂井或平孔等多種方式排水，阻止外部積水進(jìn)入或停留在邊坡內(nèi)，實現(xiàn)對礦田積水有序、統(tǒng)一排放。

（3）加強對排土場上部的植被恢復(fù)工作，促進(jìn)土內(nèi)水分的蒸散，阻止土壤發(fā)生水蝕、風(fēng)蝕現(xiàn)象。

2.2 完善邊坡監(jiān)測系統(tǒng)

對現(xiàn)有邊坡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，建立綜合監(jiān)測站，構(gòu)建邊坡光纖監(jiān)測系統(tǒng)，超前預(yù)報掌握邊坡的動態(tài)，實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的實時監(jiān)測[3-4]。隨著礦田工作幫邊坡的持續(xù)推進(jìn)，在內(nèi)排土場未跟進(jìn)非工作幫的區(qū)域增設(shè)監(jiān)測點，提高監(jiān)測的精度；在礦田外排土場排棄到界的邊坡增設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，保證生產(chǎn)工作的安全進(jìn)行。此外，在凍融、雨季來臨前，在邊坡區(qū)域建立完整的監(jiān)測線，加強監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，重點對邊坡的變形速率、變形規(guī)律等進(jìn)行關(guān)注分析，對異常區(qū)域及時進(jìn)行加固，確保礦田邊坡的穩(wěn)定。

2.3 完善邊坡巡查

（1）加強日常巡查工作，保證每日巡查不得低于2次，對重點危險區(qū)域加強巡查次數(shù)與精度，并設(shè)置安全警戒線，防止坡體滑落造成人員傷亡。

（2）加強邊坡維護(hù)，及時清理邊坡上部的松散巖體，加強危險臺階外緣擋土墻防護(hù)工作，確保邊坡形態(tài)平整，結(jié)構(gòu)可靠。

2.4 加強廢料排棄管理

一般而言，堅硬物料排至邊坡上部時不利于邊坡的穩(wěn)定，排至邊坡下部時有利于邊坡的穩(wěn)定性，因此，排棄廢料時要避免物料混排，需對物料進(jìn)行劃分排棄，將強度較大、遇水軟化效果不好的物料在基底或下部排棄，將強度較小、吸水軟化程度較高的物料選擇在上部排棄，避免因排土場強度較低造成滑坡現(xiàn)象，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。

2.5 優(yōu)化爆破工藝

為提高爆破效果，礦田采用預(yù)裂爆破時，盡量采用間隔不連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，在底部1 m處采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，順序爆破，主爆破之前采用50 ms的延遲齊發(fā)起爆預(yù)裂孔，緩沖爆破齊發(fā)起爆，減振孔排至少預(yù)留15 ms的延遲時間，在主爆破孔之后起爆，以減小爆破對邊坡巖體穩(wěn)定性的影響[5]。

3 結(jié)論

以河曲露天煤礦為研究對象，對礦田在復(fù)雜構(gòu)造帶影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，得出的結(jié)論與提出的控制技術(shù)措施如下。

（1）采用FLAC3D數(shù)值模擬計算，確定礦田非工作幫邊坡呈現(xiàn)“圓弧式”變形破壞模式，礦田外排土場邊坡呈現(xiàn)沿排棄廢料內(nèi)側(cè)的“圓弧式”變形破壞、沿排棄廢料基底側(cè)的“坐落-滑移式”變形破壞模式。

（2）采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價， 得到礦田非工作幫邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.25，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.14，礦田外排土場邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)為1.58，局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10，兩邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析評價指標(biāo)，提出了邊坡穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)措施，主要包括完善疏干排水系統(tǒng)、完善邊坡監(jiān)測系統(tǒng)、完善邊坡巡查、加 強廢料排棄管理及優(yōu)化爆破工藝等。