魏金發(fā)，劉 亮，于大鵬

（1.華能伊敏煤電有限責任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134；2.華能呼倫貝爾能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

控制開采與梯級截排技術在伊敏露天礦邊坡治理中的應用

魏金發(fā)1，劉 亮2，于大鵬1

（1.華能伊敏煤電有限責任公司 露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134；2.華能呼倫貝爾能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

伊敏露天礦通過采取科學的治理措施，控制開采、內(nèi)排壓腳、小井帷幕、梯級截排、底板涌水治理、邊坡位移自動監(jiān)測等關鍵技術與科學研究相結合的方式，提高邊坡管理與防治質(zhì)量，為伊敏露天礦邊坡安全提供保障，為高寒軟巖區(qū)礦山邊坡治理提供了寶貴經(jīng)驗。

控制開采；軟巖邊坡；梯級截排

1 伊敏露天礦概況

伊敏露天礦地處呼倫貝爾大草原鄂溫克族自治區(qū)境內(nèi)，是國家20世紀70年代中期開始規(guī)劃于1976年開發(fā)建設的全國五大露天煤礦之一，也是全國首家煤電一體化企業(yè)。伊敏露天礦采區(qū)面積共計42.35 km2，煤炭儲量20.98億t，1983年拉溝建設，經(jīng)過一、二、三期擴建，核定生產(chǎn)能力達到2 200萬t/ a，2016年根據(jù)煤炭行業(yè)去產(chǎn)能相關要求，重新確定生產(chǎn)能力為1 848萬t/a。

伊敏露天礦從年產(chǎn)100萬t的小露天礦發(fā)展為1 848萬t的大露天，露天采場占地面積7.5 km2，目前采深達到125 m，內(nèi)排土場高差150 m，隨著采掘推進高差將達到200 m，在國內(nèi)是最大的軟巖露天礦，邊坡管理難度很大。30多年來，伊敏露天礦主要經(jīng)歷了南幫、東端幫以及內(nèi)排土場邊坡變形情況，通過幾代露天人科學的治理措施與研究，確保邊坡處于可控狀態(tài)，未發(fā)生災害性滑坡事件。

2 伊敏露天礦影響邊坡穩(wěn)定因素

2.1 地層巖性

伊敏露天礦地層從上至下邊坡巖性為第四系松散沉積層、亞黏土、砂質(zhì)黏土、中細砂、粉砂、粉細砂、泥巖和第三系砂礫巖、含煤地層、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖層。在端幫滲水的作用下泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖都具有塑性和蠕變特性，同時端幫滲水攜帶泥沙，從而產(chǎn)生邊坡的剪出、塑性變形、蠕滑、垮塌等邊坡不穩(wěn)定現(xiàn)象[1-2]。

2.2 邊坡滲水

南幫存在南露天滲水和第三第四系泥巖互層及含水砂巖；東端幫二、三臺階四系層滲水和泥巖弱面；西端幫局部存在殘余水；16#煤層東部底板涌水，西部底板殘余水；巖石中的蒙脫石、高嶺石等吸水礦物軟化作用增強，降低了巖石內(nèi)摩擦角等各種力學參數(shù)和地層的穩(wěn)定性。

2.3 構造

伊敏露天南幫位于F43斷層帶及斷層下盤位置；東端幫位于煤層露頭區(qū)，煤炭嚴重風化且與新近系、第四系成不整合接觸；西端幫位于F8斷層附近，受斷層影響，西端幫局部伴有褶曲、斷裂等小構造，15#煤層頂板存在大量剪切面和軟弱夾層。剪切面和軟弱夾層在一定的條件下，容易誘發(fā)產(chǎn)生邊坡滑動。

2.4 采礦活動

露天開采，各端幫形成臨空面，失去支撐作用，在重力、水動力和生產(chǎn)擾動的作用下向采場內(nèi)滑移。伊敏露天礦邊坡穩(wěn)定性受地層、構造等內(nèi)在因素影響，同時也受端幫滲水、采礦活動等外在因素影響，是典型的軟巖邊坡，在各因素的影響下，邊坡存在一定隱患，具有變形風險，需加強技術管理與研究。

3 邊坡管理與治理關鍵技術應用

伊敏露天礦自建礦以來，先后經(jīng)歷了南幫W16-E32線邊坡變形、東端幫邊坡失穩(wěn)以及內(nèi)排土順傾排土等技術性難題，面對這些問題，伊敏露天礦依靠自身力量，以科研相結合的方式，不斷探索邊坡治理經(jīng)驗，實現(xiàn)了軟巖邊坡的成功控制。

3.1 建立健全邊坡防治體系

伊敏露天礦高度重視邊坡災害防治工作，建立了《伊敏露天礦邊坡災害應急預案》，建立自動化邊坡監(jiān)測系統(tǒng)預警機制，在發(fā)生邊坡災害前，采取有效的預控措施，將邊坡變形控制在可控范圍內(nèi)，確保邊坡穩(wěn)定，在發(fā)生邊坡災害時，能及時的采取有效的救援措施，減少災害造成的人員傷亡及財產(chǎn)損失。編制并落實《伊敏露天礦邊坡管理辦法》，健全邊坡管理機構，配備專業(yè)技術人員進行日常管理、位移監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場巡視檢查、重大危險源隱患排查等，實現(xiàn)礦山邊坡管理的科學化、制度化和規(guī)范化。

目前，伊敏露天礦地表位移監(jiān)測點36個，其中西端幫布設地表位移監(jiān)測線3條，地應力監(jiān)測線4條，14個地表位移監(jiān)測點，9個地應力監(jiān)測點；東端幫布設4條線，13個位移監(jiān)測點；內(nèi)排土場布設3條線，9個位移監(jiān)測點，地表位移監(jiān)測點與地應力監(jiān)測相結合，形成伊敏露天礦邊坡監(jiān)測網(wǎng)。

3.2 控制開采及內(nèi)排壓腳技術，實現(xiàn)南幫資源回收

3.2.1 南幫邊坡變形區(qū)概述

2001年7月，伊敏露天礦南幫W16-E32線之間F43（9）斷層下盤局部開始發(fā)生滑動變形，變形區(qū)的底部平盤發(fā)生鼓脹裂縫，變形區(qū)頂部出現(xiàn)多處拉張裂縫，并有向貫通、閉合的趨勢發(fā)展，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘、監(jiān)測、確定邊坡為“坐落-滑移式并由拖拉牽引式破壞特征”滑移類型，滑動區(qū)長2 600 m、寬680 m，面積180萬m2，滑動體積約9 000萬m3，滑動坡角8°～10°，滑體兩側地下水位高差75 m，一旦出現(xiàn)滑坡災害，將產(chǎn)生上億立方米的滑體剝離量，南露天區(qū)地下水通過滑坡區(qū)淹沒采坑，對人身、設備造成傷害，引發(fā)嚴重安全事故。

2007年，南幫邊坡變形區(qū)平均位移為2.67 cm/d最大位移達到4.2 cm/d。變形區(qū)的存在影響1 940萬t煤炭資源量無法開采，內(nèi)排土場無法正常發(fā)展，剝采比由1.8 m3/t上升至2.45 m3/t。

3.2.2 南幫變形區(qū)治理措施

1）建立邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)。伊敏露天礦設專人定期對變形監(jiān)測點進行監(jiān)測，用GPS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)處理軟件計算、分析處理數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測點平面布置圖、監(jiān)測點位移矢量圖、繪制監(jiān)測點垂直和水平位移的歷時曲線，監(jiān)測點位移成果表等，結合工程地質(zhì)條件綜合分析，繪制變形曲線，劃分勻速滑移區(qū)、加速滑動區(qū)和災害滑動區(qū)，為制定邊坡治理方案提供基礎。根據(jù)監(jiān)測點的位移速度、矢量方向判斷變形區(qū)的變形所處的發(fā)展階段，并對滑坡做出預報，避免重大人身事故和重大財產(chǎn)事故發(fā)生。

2）工程地質(zhì)調(diào)查。結合地質(zhì)資料，現(xiàn)場測繪、踏勘，確定滑坡區(qū)的巖性、地層、斷層產(chǎn)狀、斷層兩側地下水位、滑坡區(qū)的滑動特征。并在O、E40生產(chǎn)剖面線上布置工程地質(zhì)調(diào)查孔，以查清滑坡區(qū)的巖性特征（物理、力學性質(zhì)）、滑面位置（軟弱層）、地下水位、監(jiān)測滑動層位的滑動方向和微觀位移量等。

3）建立數(shù)學地質(zhì)模型[3-4]。根據(jù)鉆探資料，與科研單位一起建立滑坡區(qū)邊坡變形破壞機理的數(shù)學模型，確定邊坡的滑動模式，結合露天礦開采的實際情況對南幫邊坡穩(wěn)定性進行重新核定計算。如圖1所示。

4）控制開采與內(nèi)排壓腳。根據(jù)工程地質(zhì)研究，結合伊敏露天礦實際，確定南幫變形區(qū)內(nèi)煤炭開采方法。對煤層頂部距F43斷層水平距離60 m、煤層底部坡腳距斷層水平距離115 m以內(nèi)的煤層，通過30 m寬度反復拉溝方式開采，采煤后內(nèi)排立即跟進形成內(nèi)排壓腳，即小幅橫采、內(nèi)排壓腳的控制開采方式（如圖2所示），將變形速度控制在3 cm/d以內(nèi)。

圖1 開采位置塑性區(qū)分布

圖2 小幅橫采，內(nèi)排壓腳

5）及時封堵地表裂隙，防止大氣降水滲入裂隙。到2008年6月伊敏露天礦已完全實現(xiàn)內(nèi)排，安全度過了總位移量17.5 m的特大型南幫變形區(qū)，并搶救性開采南幫變形區(qū)內(nèi)煤量約1 130萬t，不但創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，還為軟巖露天礦的邊坡治理提供了成功的實例。

3.3 卸載削坡以及梯級截排控制東幫邊坡變形

3.3.1 東幫邊坡變形區(qū)概述

2011年末，東端幫剝離一、二臺階出現(xiàn)緩慢變形；2012年4月以后，邊坡變形有明顯的加速趨勢；2012年10月，東端幫變形區(qū)滑動程度進一步加劇，三號公路一周內(nèi)沉降40 cm，2#破碎站、半連續(xù)膠帶出現(xiàn)嚴重側向變形[5]。

通過現(xiàn)場踏勘和對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定變形區(qū)位于東端幫13勘探線—16勘探線之間，后緣環(huán)狀拉裂縫走向為北偏西，長度1 800 m，最大寬度達到60 cm，最大落差達到140 cm，變形區(qū)內(nèi)最大裂隙貫穿三號公路、剝離二臺階，最南端至剝離三臺階半連續(xù)端幫膠帶平盤，變形區(qū)底臺階出現(xiàn)底鼓及鼓張裂隙（如圖3、圖4所示），滑體上出現(xiàn)羽狀裂隙，已經(jīng)形成了完整的變形滑坡體，滑坡體面積為26萬m3，體積約420萬m3。

出現(xiàn)滑坡體后，立即將西端幫地表位移監(jiān)測點移至東端幫，加密監(jiān)測點，形成4條監(jiān)測線，18個監(jiān)測點，結合地下位移監(jiān)測點監(jiān)測滑移速度與滑移方向，為治理措施的制定和實施提供依據(jù)。根據(jù)觀測，滑坡體平均位移量為4.46 cm，移動方向為北西29°～41°（垂直邊坡方向），最大位移點平面滑動距離達到7.35 cm，滑動面邊坡角8°，已進入滑落階段。

圖3 東端幫泥巖剪出面

圖4 東端幫臺階底鼓

如東端幫變形區(qū)進一步擴大，將對東端幫變形區(qū)范圍內(nèi)的供電線路、運輸?shù)缆贰⒔ㄖ约白冃螀^(qū)下部的端幫膠帶、破碎站、輔助設施、設備等構成威脅，影響生產(chǎn)安全。伊敏露天礦根據(jù)分析研究，立即采取了邊坡卸載、半連續(xù)膠帶變更移設方式和底板壓腳等治理措施進行綜合治理。

3.3.2 東端幫邊坡變形原因分析

1）邊坡巖性因素。松散的新生界地層，砂礫石、粉砂、粉細沙層、煤系軟巖地層等組成，且為第四系含水層。煤系地層中的泥巖成巖程度低，受上部水層長期浸泡、滲入使泥巖具塑性和蠕變特性。

2）采礦活動因素。采礦活動改變原有穩(wěn)定平衡地層結構，泥巖、沙在水動力作用下，加速向臨空向移動（如圖5所示），一旦達到臨界狀態(tài)，邊坡將產(chǎn)生剪出、塑性變形、蠕滑等邊坡不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3.3.3 卸載削坡以及內(nèi)排壓腳措施

圖5 東端幫松散巖組受滲水影響垮塌

為降低滑坡體壓力，2012年11月7日—2013年1月20日，對滑坡體一、二臺階進行集中卸載，形成長550 m、寬55 m、高12 m的卸載區(qū)，累計卸載量達42萬m3，在卸載削坡的同時，滑坡體下部實施排土壓腳。

為加大內(nèi)排壓腳量，同時較少滲水對滑坡體下部半連續(xù)運煤膠帶的影響，將輸煤膠帶向內(nèi)偏移8°，避開最下部臺階的剪出位置，在二破膠帶與半連續(xù)膠帶間留出壓腳空間后立即增加內(nèi)排壓腳排土量，增加抗滑力。

通過上述卸載削坡和壓腳，東端幫邊坡變形區(qū)位移逐步回落到2 cm以下。

3.3.4 東端幫邊坡變形區(qū)滲水梯級截排技術措施[6-7]

伊敏伊敏露天礦東端幫滲水主要來源為新近系、第四系水通過東端幫煤層露頭區(qū)、古河道剝蝕區(qū)的不整合面，側向補給露天采區(qū)，對邊坡穩(wěn)定及安全生產(chǎn)帶來影響。

通過采取臨時措施治理后，東端幫邊坡失穩(wěn)暫時得到控制，但受水力因素影響，東端幫邊坡仍存在風險。為有效控制東端幫滲水，實現(xiàn)邊坡變形區(qū)的徹底治理，采取了梯級截排措施。

1）第1梯級。在東端幫布設小井帷幕進行滲水攔截，即在東端幫地表采界外布置169口四系層降水孔，攔截四系層水側向補給。

2012—2014年，陸續(xù)在東幫施工169口四系層降水孔形成小井帷幕，充分攔截四系層側向補給，在局部來水量較大區(qū)域布設第2排疏干降水孔，實現(xiàn)“品”字形雙排孔截排，使其攔截效果更加突出。經(jīng)過3 a的降水孔陸續(xù)投入，東端幫出水點由原來的15 m降深至39 m，降深24 m，水量由最大的1 000 m3/ h降至340 m3/h，端幫滲水量的減少及水位線的下降，都為邊坡穩(wěn)定創(chuàng)造條件。東端幫小井帷幕抽排水直接作為電廠循環(huán)冷卻水使用，全年排量約1 140萬 m3，節(jié)約水費約3 400萬元。

2）第2梯級。伊敏露天礦在東端幫二、三臺階布設東端幫明排系統(tǒng)（如圖6、圖7所示）。根據(jù)各臺階涌水點與采掘位置關系，開挖順水溝，把各臺階涌水引至超降坑，抽排至污水處理廠處理。

圖6 東端幫順水溝

圖7 東端幫集水坑

3）第3梯級。雖然三、四臺階設置集水坑和引水渠，仍然有部分水經(jīng)過沙層向坑內(nèi)滲出，因此在三、四臺階局部設置集水坑和引水渠向上臺階集水坑倒水作業(yè)。目前東端幫通過地面、二、三、四臺階梯級降水措施的實施，已形成了完整的工作面排水系統(tǒng)，能夠使采掘及時跟進，剝離物采出后再開挖順水溝進行置換抽排，循環(huán)往復，直至排出。

4）第4梯級。伊敏露天礦16#煤層底板東部由于底板局部缺失粉細砂巖、泥巖隔水層，中砂巖承壓含水層直接與煤層接觸，底板揭露后，承壓水從中砂巖層涌出，涌水量約200 m3/h。同時16#煤層底板西側存在底板殘余水，東部存在部分端幫滲水，因此第4梯級涌水量在700 m3/h。

半連續(xù)系統(tǒng)不能開采至煤層底板，只能通過反鏟作業(yè)清理底板煤，開挖順水溝把東端幫滲水和16#煤層底板涌水、16#底板殘余水引流至12#超降井，通過西端幫3條明排水管路將水集中抽排至污水處理廠。底板煤清理完畢后，對該區(qū)域涌水點進行泥巖分層碾壓，封堵出水點并形成隔水層，為內(nèi)排土場跟進提供空間，縮短排土運距；封堵底板涌水，降低涌水對排土場基底的浸潤作用，提高內(nèi)排土場的邊坡穩(wěn)定性。

通過梯級截排，減少端幫滲水，底板涌水和底板殘余水，確保邊坡穩(wěn)定；同時降低了滲水對生產(chǎn)的影響，使東端幫滲水區(qū)采掘作業(yè)能夠正常推進和演化。16#煤層底板煤炭能夠最大限度進行回收；端幫滲水的再利用，還將降低環(huán)保風險，減少電廠用水運營成本。

3.4 內(nèi)排土場順傾排土邊坡治理模式探索

伊敏露天礦煤層傾角3°～8°，整體呈“東高西低”，東部可達6°～8°，目前內(nèi)排土場臺階9個，排土段高為15～20 m，排土場頂?shù)赘卟?50 m，內(nèi)排土場、東幫內(nèi)排土場邊坡角度為10°，小于設計18°邊坡角。

由于采區(qū)正在進行扇形轉向，排土工作也呈扇形布置，工作線方向垂直于煤層傾向方向。由于排土位置集中在東部，因東部端幫滲水、底板隔水層缺失，隨著采礦延深，內(nèi)排土場整體高度將達到200 m以上，內(nèi)排土場存在失穩(wěn)風險。

3.4.1 加強觀測，提前預警

伊敏露天礦采用數(shù)據(jù)監(jiān)測與人工踏勘相結合的方法對內(nèi)排土場、東端幫內(nèi)排土進行實時監(jiān)測。目前內(nèi)排土場共布設有21個監(jiān)測點，形成了7條觀測線，利用邊坡監(jiān)測自動預警系統(tǒng)，形成了完整的監(jiān)測網(wǎng)。并對邊坡各臺階裂隙進行封堵、回填，地表設置攔截水壩，防止地表徑流回灌采場。

3.4.2 置換壓埋，提高底板基底穩(wěn)定

通過對16#煤層底板、內(nèi)排土場底板的滲水量的控制，對底板涌水區(qū)利用泥巖進行分層回填，每層10 m，分3層進行碾壓，通過設置人工隔水層，提高了內(nèi)排土場基底強度的方法治理16#煤層軟弱底板。內(nèi)排土場下部臺階通過調(diào)整排土平盤參數(shù)，加大平盤寬度，降低排棄強度，降低邊坡角，提高邊坡穩(wěn)定性。

3.4.3 優(yōu)化輸煤系統(tǒng)布置，實現(xiàn)排土壓腳

2014年以前，因東端幫布設有輸煤膠帶系統(tǒng)，排土場“留溝內(nèi)排”，該區(qū)域為煤層露頭區(qū)，位于端幫滲水區(qū)，底板傾角達9°，因東端幫滲水以及內(nèi)排場東部凌空，幫內(nèi)排土場邊坡失穩(wěn)風險驟增[8]。

通過輸煤系統(tǒng)優(yōu)化布置，2014—2015年將東端幫膠帶系統(tǒng)移設至地表，排土空間釋放后，立即組織向該區(qū)域排土，實現(xiàn)內(nèi)排土場快速跟進，為防止?jié)B水以及順傾導致邊坡失穩(wěn)，在物料選擇上嚴格控制，采用隔水性較好的泥巖，形成端幫隔水墻。2015年末，已基本完成該區(qū)域排土跟進，總排土量1 100萬m3。東端幫內(nèi)排土場與內(nèi)排土場相互支撐，互為壓腳，增加內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性。

3.4.4 積極開展邊坡穩(wěn)定性研究

2016年東南側內(nèi)排土場整體發(fā)展到底板出水與東幫滲水集中區(qū)域，煤層底板順傾、底板隔水層缺失以及內(nèi)排土場邊坡高度增加，伊敏露天礦內(nèi)排土場排土條件愈加復雜，除已經(jīng)采取的措施外，現(xiàn)正與煤炭科學技術研究院有限公司合作共同對排土場邊坡進行研究，通過工程地質(zhì)鉆探、巖土力學試驗、礦物成分分析等措施進行邊坡穩(wěn)定性研究：排土場排棄物及基底工程地質(zhì)條件研究；地下水對內(nèi)排土場基底影響研究；排棄物料滲透性研究；重新確定邊坡參數(shù)、排土參數(shù)優(yōu)化以及邊坡變形失穩(wěn)防止措施研究等，為下一步排土場的發(fā)展提供理論依據(jù)。

4 結 語

伊敏露天礦實現(xiàn)典型的高寒地區(qū)軟巖露天礦，在治理邊坡災害的過程中，逐漸形成了系統(tǒng)的邊坡監(jiān)測與防治體系，使邊坡變形在可控范圍內(nèi)。通過控制開采與內(nèi)排壓腳、小井帷幕、梯級截排、底板涌水治理、邊坡位移自動監(jiān)測等關鍵技術，提高了邊坡管理與防治質(zhì)量，為伊敏露天礦邊坡安全提供保障，為高寒軟巖區(qū)礦山邊坡治理提供了寶貴經(jīng)驗。

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【責任編輯：張 夙】

App lication of controlm ining and cascade cutting technology in Yim in Open-pit M ine slope governance

WEI Jinfa1,LIU Liang2,YU Dapeng1
(1.Huaneng Yimin Coal and Electricity Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021134,China;
2.Huaneng Hulunbei'er Energy Development Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021008,China)

By taking scientific measures,control mining,inner dumping pressure foot,slim curtain,cascade cutting,floor water gushing,slope displacement key technology,combining with scientific research,the mine improves the slope management and control quality,which provides protection for the slope safety in Yimin Open-pit Mine and provides valuable experience for soft rock slope control in mine.

controlmining;soft rock slope;cascade cutting

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0025－06

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.007

魏金發(fā)，劉亮，于大鵬.控制開采與梯級截排技術在伊敏露天礦邊坡治理中的應用［J］.露天采礦技術，2017，32（9）：25-30.

2017-05-13

魏金發(fā)（1982—），男，漢族，遼寧凌源人，2007年畢業(yè)于遼寧工程技術大學地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)就職華能伊敏煤電有限責任公司露天礦，主要從事煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)以及礦山邊坡等工作。