扎哈淖爾露天礦煤礦南幫大變形區(qū)治理方案

劉敬玉，趙立春，王彥卓，劉 巖，張 琦

（1.內(nèi)蒙古能源有限公司 北露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特旗 029100）

露天礦邊坡穩(wěn)定性是保證礦山持續(xù)健康發(fā)展和良好經(jīng)濟效益的前提，是礦山安全生產(chǎn)中的重中之重[1]。隨著露天礦開采規(guī)模及開采深度的加大，受不良地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、荷載情況、暴露長度、暴露時間等因素影響的邊坡發(fā)生滑坡頻率呈逐年上升趨勢，尤其是軟巖邊坡[2-4]。如白音華煤田、勝利煤田、寶日希勒煤田、霍林河煤田的20 余座軟巖露天煤礦中，均發(fā)生過不同程度的滑坡現(xiàn)象，造成的損失也極為慘重。分析其原因，軟巖是邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)的主控因素，其具有顯著的塑性變形，穩(wěn)定性難以控制，因此確保軟巖露天煤礦邊坡穩(wěn)定性尤為突出重要，已成為邊坡工程領域亟待解決的科學問題[5]。

軟巖是邊坡失穩(wěn)的主控因素，也能成國內(nèi)外專家關注的熱點話題之一，學者們應用不同理論對軟巖邊坡展開大量研究。程強等[6]以弱層試樣為研究對象進行蠕變試驗，確定了弱層的長期抗剪強度，并得出邊坡滑坡易從弱層面剪出；李海洲等[7]以砂質(zhì)泥巖為試驗對象，基于西元體蠕變模型及Hoek－Brown準則確定了砂質(zhì)泥巖的蠕變特性；謝瑾榮等[8]基于間接耦合法，應用非飽和滲流－應力計算原理，提出了兼顧滲流效應的邊坡穩(wěn)定性分析方法；付宏淵等[9]提出了復合黏彈塑流變模型，并用壓縮（卸載）試驗驗證該模型的合理性；任青文等[10]通過砂土相似模擬試驗及數(shù)值模擬分析了大氣降水對排土場邊坡穩(wěn)定性影響；劉子振等[11]考慮非飽和黏土邊坡的基質(zhì)吸力和滲流力，提出了降雨條件下非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的極限平衡條分法計算式；劉福明等[12]揭示了壓實區(qū)與非壓實區(qū)滲透速率不同的內(nèi)在原因，根據(jù)試驗結(jié)論提出了提高露天礦排土邊坡穩(wěn)定性的建議。

為此，以扎哈淖爾露天煤礦采場南幫邊坡變形區(qū)為例，基于極限平衡分析，應用GEO－SLOPE 軟件進行模擬分析現(xiàn)階段南幫大變形區(qū)邊坡穩(wěn)定性與滑坡機理，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出合理工程治理措施，得到南幫大變形邊坡坡滑坡模式為推動式的部分順層－剪出滑動，邊坡處于不穩(wěn)定階段；通過對坡頂卸荷減載或者內(nèi)排壓腳治理措施，解決了露天煤礦迫切的安全問題。

1 南幫邊坡穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式

結(jié)合遼寧工程技術大學2015 年所做的報告《扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)邊坡壓覆資源采出方案研究報告》、西安煤科院所做報告及扎哈淖爾露天礦初步設計中的數(shù)據(jù)，以及弱層指標反分析結(jié)果，綜合確定扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)地質(zhì)資料統(tǒng)計，南幫煤層、巖層局部孔隙含水，孔隙含水通過裂隙進入弱層面，造成巖體尤其是弱層的力學強度降低，是大變形發(fā)生的重要因素。在ⅢB 煤底板以下3～6 m 處的炭質(zhì)泥巖夾層是滑體的下部邊界，該泥巖夾層由于受到地下水的浸潤作用逐漸演化形成弱層是本次變形發(fā)生的主控因素。在變形區(qū)域上部賦存一定風氧化煤，受前期以壓覆排棄物料為主治理方式，并未從根本上治理火煤，致使風氧化煤一直在排棄物料底部自然，隨著氧化煤的燃盡：一方面導致上部排棄物料成為火燒巖，結(jié)構(gòu)松散，力學指標降低；另一方面氧化煤燃盡，上部物料受自身重力作用，致使上部火燒巖下沉，給下部弱層以一定載荷，邊坡在荷載作用下穩(wěn)定程度急劇下降。同時分析變形前的邊坡形態(tài)可知，局部臺階高度過大，在重力作用下擠壓下部巖體沿弱層發(fā)生滑動，即滑坡發(fā)生的力學成因機制類型為推動式滑坡。南幫邊坡變形區(qū)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性的主要受巖性、荷載、形態(tài)、邊坡高度及角度等因素的影響。但弱層存在起控制性因素，確定其潛在的滑坡模式為推動式的部分順層－剪出性滑動。

2 南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性

結(jié)合南幫大變形區(qū)潛在滑坡模式，采用GEOSLOPE 軟件數(shù)值模擬的方法，對其進行穩(wěn)定性進行分析，通過滑坡模式及計算的穩(wěn)定系數(shù)進而確定邊坡所處變形階段及危險程度。

根據(jù)南幫變形區(qū)現(xiàn)狀，結(jié)合以往工程地質(zhì)信息和煤巖頂?shù)装宓雀呔€等地層信息建立數(shù)值模擬模型，模型南幫變形區(qū)邊坡高度為156 m、南北長為686 m，變形區(qū)面積，推斷變形區(qū)體積為，各地層從上至下分別為：排棄物料，變形區(qū)巖體、IIIB 煤、IIIB 煤底板弱層、泥巖，煤，泥巖。南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性計算結(jié)果圖如圖1。

圖1 南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性計算結(jié)果圖

由圖1 已知，通過GEO－SLOPE 軟件數(shù)值模擬計算得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.99，說明南幫大變形區(qū)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，在現(xiàn)階段情況下，受IIIB 煤底板弱層控制，邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在邊坡上部荷載的推動作用下，再加上氧化煤強度指標的弱化，煤層含水對巖體強度指標影響，邊坡體出現(xiàn)嚴重變形，滑坡模式為推動式的部分順層－剪出性滑動，隨著變形區(qū)邊坡暴露時間過長、大氣降雨量與降雨強度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動之前建議采用清幫減重、內(nèi)排壓腳或者兩者方案結(jié)合實施治理工程措施。

3 南幫邊坡變形區(qū)治理方案

扎哈淖爾露天煤礦南幫邊坡已經(jīng)形成多年，為地質(zhì)條件復雜的軟巖邊坡，結(jié)合以往邊坡工程治理實踐可知，邊坡滑坡治理措施包括3 大類：①卸荷減載、坡角處壓腳；②增強、增大邊坡巖體強度；③利用三維效應，制造支擋物。針對南幫邊坡的大變形，結(jié)合滑坡模式，有效可行的措施是對邊坡進行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進一步提高邊坡穩(wěn)定性。所以采場南幫邊坡變形區(qū)邊坡治理方案為坡頂卸荷減載或壓腳方案。

1）卸荷減載方案。根據(jù)滑體巖性及形態(tài)，為了保證后期邊坡穩(wěn)定性要求，對其進行卸荷減載設計，減載最小工作平盤寬度30 m，臺階高度10 m，臺階坡面角50°，臺階高度為10 m，卸載方案為卸載高度為5、10、15、20 m 4 種，通過計算卸載高度為10 m 南幫邊坡變形區(qū)邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.062，卸載工程量為13.2 萬m3，滿足安全儲備系數(shù)1.05 要求。卸荷減載方案極限平衡法計算結(jié)果如圖2。

圖2 卸荷減載方案極限平衡法計算結(jié)果

2）壓腳方案。為了保證沉降導致的穩(wěn)定性要求，對其進行壓腳設計，壓腳方案為壓腳高度5、10、15、20 m 4 種，根據(jù)滑體形態(tài)，壓腳最小工作平盤寬度20 m，壓腳臺階高度10 m，臺階坡面角35°，臺階高度為10 m，因作業(yè)設備小型化，采取5 m 分層作業(yè)；通過計算壓腳高度為15 m 南幫邊坡變形區(qū)邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.05，同時改變邊坡滑坡模式為切層－順層－剪出性滑坡，增加變形區(qū)邊坡的穩(wěn)定程度，壓腳工程量為17.9 萬m3，達到了滿足安全儲備要求1.05 要求。壓腳方案極限平衡法計算結(jié)果如圖3。

圖3 壓腳方案極限平衡法計算結(jié)果

綜上，采用卸荷減載方案，卸載高度為10 m，南幫變形區(qū)滿足安全儲備系數(shù)1.05；而采用壓腳方案，壓腳高度為15 m，南幫變形區(qū)滿足安全儲備系數(shù)為1.05。因此，建議采用卸荷減載方式進行治理。

4 結(jié)語

1）通過GEO－SLOPE 軟件數(shù)值模擬計算得到穩(wěn)定系數(shù)為0.991，說明南幫大變形區(qū)邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

2）現(xiàn)階段變形區(qū)滑坡式為推動式的順層－剪出性滑動，采用卸荷減載措施，不改變滑坡模式，采用壓腳措施，滑坡模式變?yōu)榍袑樱槍樱舫鲂曰隆?/p>

3）結(jié)合變形區(qū)滑坡機理，建議采用卸荷減載方式進行治理。