董蒙蒙，李 明

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，開(kāi)采深度的不斷增加，邊坡安全問(wèn)題日漸凸顯，軟巖邊坡變形及滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生，制約著露天煤礦的安全生產(chǎn)[1-6]，高陡軟巖邊坡變形破壞機(jī)制及治理成為露天煤礦亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題[7-9]。目前軟巖邊坡研究主要集中在確定其破壞模式方面，喬蘭等[10]通過(guò)研究邊坡破壞模式與結(jié)構(gòu)面賦存特征，提出了5 種邊坡破壞類(lèi)型；鄧華鋒等[11]結(jié)合ADINA 和卸荷巖體力學(xué)理論與方法，驗(yàn)證了卸荷巖體力學(xué)理論在邊坡開(kāi)挖計(jì)算分析中的合理性；曹蘭柱等[12]基于勝利東二號(hào)露天煤礦南幫軟巖邊坡穩(wěn)定性影響因素研究和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，定量分析了軟巖邊坡的破壞模式；付宏淵等[13]研究了巖體軟化對(duì)軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響；何忠明等[14]通過(guò)模擬得出高陡軟巖邊坡開(kāi)挖過(guò)程中與加固后的穩(wěn)定性變化規(guī)律；李連崇等[15]分析了含順傾軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的破壞模式，并進(jìn)行了時(shí)效變形破壞的實(shí)例分析。為此，針對(duì)新疆天池能源有限責(zé)任公司南露天煤礦西幫高陡軟巖邊坡變形問(wèn)題，采用有限元數(shù)值模擬方法研究邊坡變形破壞機(jī)理，運(yùn)用極限平衡理論進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，提出“分區(qū)治理”思想，確定了“主體擴(kuò)幫＋局部加固＋內(nèi)排壓腳”的綜合治理方案，實(shí)現(xiàn)了露天煤礦的安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

南露天煤礦地處新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)西南部，帳篷溝背斜東翼南部，地層呈走向東北-東、傾向南東-南的單斜構(gòu)造，傾角4°～15°。隨著采煤逐步降深，地質(zhì)寫(xiě)實(shí)和工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作揭示西幫邊坡520～430 m 水平煤層，底板傾角為30°～38°，局部?jī)A角高達(dá)44°（原西幫設(shè)計(jì)邊坡角為28°），表現(xiàn)出淺部陡、深部緩的變化趨勢(shì)。西幫邊坡巖層自上而下依次為：侏羅系中-上統(tǒng)石樹(shù)溝群、侏羅系中統(tǒng)西山窯組；石樹(shù)溝群巖性以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主；西山窯組為本區(qū)含煤巖組，巖性主要為細(xì)砂巖、泥巖、煤、煤線(xiàn)、粉砂巖。煤層底板之上賦存1 層黏土質(zhì)泥巖，力學(xué)性質(zhì)較差；泥質(zhì)粉砂巖具層狀構(gòu)造、粉砂狀結(jié)構(gòu)，膠結(jié)作用較弱，為西幫主要弱含水層，受其浸泡作用影響泥巖頂板接觸面相對(duì)較軟；成巖作用差的弱膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖及受水浸泡的泥巖為西幫主要弱層。西幫巖體為泥砂巖交互層結(jié)構(gòu)，弱層間距為2.5～10 m 不等，大部分間距4～6 m，且單一巖層內(nèi)層理發(fā)育，地質(zhì)條件更為復(fù)雜。受上述不利因素影響，2017—2019 年西幫520 m 水平下部邊坡多次出現(xiàn)片幫現(xiàn)象[16]。各地層巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

露天煤礦邊坡穩(wěn)定主要影響因素包括巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化作用和侵蝕作用、力學(xué)因素、水因素、氣溫因素、構(gòu)造作用和殘余應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)面賦存物和地下水化學(xué)成分、擾動(dòng)因素等。邊坡穩(wěn)定性因素評(píng)價(jià)表見(jiàn)表2。因各礦區(qū)工程地質(zhì)條件及開(kāi)采情況不同，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的機(jī)理、方式及程度也不同，通過(guò)西幫補(bǔ)充勘探，匯總及修正了原有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析各項(xiàng)影響因子權(quán)重，最終確定影響南露天煤礦西幫邊坡穩(wěn)定性的主要因素為煤層底板的泥巖弱，且礦區(qū)有背斜構(gòu)造，從而造成的西幫地層順傾。

表2 邊坡穩(wěn)定性因素評(píng)價(jià)表

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 邊坡變形破壞機(jī)理

破壞模式的確定是邊坡治理方案的前提，目前，典型的破壞模式有剝落、崩落、滑動(dòng)、流動(dòng)、沉降等幾種基本形態(tài)[17]。通過(guò)穩(wěn)定性影響因素分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定南露天煤礦破壞模式為滑動(dòng)，為深入探究西幫特有滑動(dòng)模式，利用有限元數(shù)值模擬軟件，模擬西幫邊坡變形破壞過(guò)程，西幫典型剖面模擬云圖如圖1～圖4。

圖1 西幫典型剖面計(jì)算模型圖

圖2 西幫典型剖面水平位移圖

圖3 西幫典型剖面豎直位移云圖

圖4 西幫典型剖面剪切變形云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析可知：西幫巖層與邊坡呈順傾，且煤層底板賦存若干層泥巖或砂質(zhì)泥巖，力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)相對(duì)較低，在水浸泡或人為活動(dòng)干擾下易沿煤層底板泥巖滑動(dòng)，在坡角處形成剪出。其滑動(dòng)面是由沿軟弱層面的直線(xiàn)滑面和切層部分的圓弧面組成的復(fù)合滑面，即西幫邊坡的破壞模式主要為沿邊坡內(nèi)部砂質(zhì)泥巖或邊坡層理面的“上部坐落，順層滑移，底部剪出”滑動(dòng)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分區(qū)

西幫設(shè)計(jì)6 條邊坡勘探線(xiàn)，間距200 m，以勘探線(xiàn)為主要研究剖面，50 m 等分相鄰2 條勘探線(xiàn)。采用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，同時(shí)考慮煤層底板泥巖、坡體內(nèi)砂質(zhì)泥巖等多種軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可以看出，西幫最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩(wěn)定系數(shù)逐步降低，由1.15逐漸降低至0.79。西幫XB2-2 剖面以北邊坡高度相對(duì)較小，穩(wěn)定系數(shù)為1.15，穩(wěn)定狀況較好，XB2-2 剖面以南邊坡穩(wěn)定系數(shù)均在1.0 以下，處于失穩(wěn)狀態(tài)，因此，若進(jìn)行西幫原煤回收，需采取一定治理措施對(duì)西幫潛在失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行治理，以確保開(kāi)采過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定和安全生產(chǎn)。邊坡穩(wěn)定性分區(qū)如圖5。

表3 西幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總表

圖5 邊坡穩(wěn)定性分區(qū)圖

3 西幫邊坡綜合治理方案

3.1 防治措施

滑坡防治工程措施大體分為3 類(lèi)：①力學(xué)平衡；②疏干排水；③改變滑帶土的性質(zhì)。根據(jù)南露天礦西幫邊坡工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，邊坡主要控制結(jié)構(gòu)面為泥砂巖互層中的砂質(zhì)泥巖或巖層層理面，改變其力學(xué)性能難度極大；且西幫地下水賦存較少，疏干排水對(duì)提高邊坡穩(wěn)定程度收效甚微，因此，采用改變邊坡力學(xué)平衡的方法對(duì)邊坡進(jìn)行治理最為直接有效。改變邊坡力學(xué)平衡的措施主要有削坡減載（剝離施工）、工程加固（如錨索加固、抗滑樁等）、壓腳（預(yù)留煤柱、內(nèi)排壓腳）。通過(guò)選取典型剖面，借助GEO-SLOPE 軟件計(jì)算得出單一的削幫減載、人工加固、壓腳方案均能解決西幫邊坡問(wèn)題，其中僅削幫減載方案費(fèi)用較低，其他方案施工費(fèi)用或造成的煤炭損失極高。單一方案對(duì)比分析表見(jiàn)表4。

表4 單一方案對(duì)比分析表

3.2 安全系數(shù)的選取

上述方案邊坡安全系數(shù)均為1.0，邊坡處于臨滑狀態(tài)，為保障施工作業(yè)安全，治理方案實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)確保邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.05 以上。通過(guò)計(jì)算，邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.05 以上，削幫工程量將增至400萬(wàn)m3，剝離費(fèi)用為5 200 萬(wàn)元。此外，隨著采煤逐步降深，產(chǎn)生局部高臺(tái)階，處于高位的片幫、垮塌等潛在危害程度急劇增高。因此，單純的削幫方案并不能滿(mǎn)足安全開(kāi)采的需求，治理方案需進(jìn)一步優(yōu)化。由工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性分區(qū)研究可知，西幫地層傾角總體表現(xiàn)出淺部陡、深部緩的變化趨勢(shì)，最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩(wěn)定系數(shù)逐步降低。

基于此，提出“分區(qū)治理”思想：①上部水平進(jìn)行剝離減載，達(dá)到減重目的；②深部水平進(jìn)行錨索加固，考慮西幫北側(cè)底板傾角較緩以及西幫南側(cè)受南幫側(cè)向約束，西幫北側(cè)及南側(cè)均布置淺孔錨索；③中部穩(wěn)定性較差，布置深孔錨索?？紤]西幫煤量大，且受底板泥巖及原煤自重影響，西幫煤臺(tái)階中部至北側(cè)沿底板出現(xiàn)裂縫，剝離及錨索加固期間，自東向西回收西幫煤炭資源，直至控制煤柱極限位置；自北向南回收控制煤柱，北幫內(nèi)排及時(shí)跟進(jìn)，來(lái)控制西幫邊坡臨空面寬度、高度及暴露時(shí)間。

3.3 治理方案優(yōu)化

通過(guò)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算可知，上部水平擴(kuò)幫后邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.03～1.14（僅XB3-2、XB-4 剖面為0.99），深部水平進(jìn)行錨索加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.05～1.12，內(nèi)排壓腳后邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于1.20～1.46，均大于1.20。滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2～1.3 的要求。綜上所述，結(jié)合各治理方案優(yōu)勢(shì)的“主體擴(kuò)幫＋局部加固＋內(nèi)排壓腳”的綜合治理方案比單一方案更為安全可靠。西幫邊坡治理后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總表見(jiàn)表5。

表5 西幫邊坡治理后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總表

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)邊坡影響因素分析，確定煤層底板的泥巖弱層及因礦區(qū)背斜構(gòu)造而造成的西幫地層順傾為南露天煤礦西幫邊坡穩(wěn)定性主要影響因素。

2）通過(guò)南露天煤礦工程地質(zhì)條件研究，結(jié)合數(shù)值模擬分析方法，確定西幫邊坡潛在破壞模式主要為沿邊坡內(nèi)部砂質(zhì)泥巖或邊坡層理面的“上部坐落，順層滑移，底部剪出”滑動(dòng)。

3）邊坡穩(wěn)定性分區(qū)研究表明西幫最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩(wěn)定系數(shù)逐步降低。

4）基于南露天煤礦西幫工程地質(zhì)條件、邊坡變形破壞模式及穩(wěn)定性分區(qū)研究，對(duì)治理方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出“分區(qū)治理思想”，并最終確定“主體擴(kuò)幫+局部加固+內(nèi)排壓腳”的綜合治理方案。