張東旭

（1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

撫順西露天礦經(jīng)過(guò)百年的開(kāi)采，已形成了近450 m 高，6 km 長(zhǎng)的高大邊坡。隨著開(kāi)采深度不斷增加，礦坑范圍也不斷擴(kuò)大，邊坡穩(wěn)定性分析及治理難度隨之增加[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)露天礦邊坡穩(wěn)定性分析做了大量研究，白潤(rùn)才等[2]針對(duì)露天開(kāi)采所形成的復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，創(chuàng)造性地采用分段局部控制反向驗(yàn)算復(fù)合邊坡穩(wěn)定性的方法；喬琛[3]基于影響邊坡穩(wěn)定性的因素提出了現(xiàn)行露天礦在開(kāi)采過(guò)程中針對(duì)邊坡滑坡問(wèn)題的防治措施；曹蘭柱等[4]針對(duì)順傾煤層軟巖邊坡滑動(dòng)現(xiàn)狀，結(jié)合GPS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了其滑動(dòng)機(jī)理與工程治理措施。楊天鴻[5]等提出“邊坡巖體漸進(jìn)損傷破壞是邊坡巖體失穩(wěn)前兆本質(zhì)特征”這一學(xué)術(shù)思路，以微震前兆信息和邊坡巖體強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)為失穩(wěn)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析預(yù)測(cè)。

1 礦山概況

撫順西露天礦位于撫順市望花區(qū)東南部，行政隸屬撫順市望花區(qū)，礦坑位于渾河南岸，千臺(tái)山北麓，地面標(biāo)高214 m，礦坑為人工地形，東西最長(zhǎng)6.6 km，南北最寬2.2 km，礦坑面積10.865 8 km2，礦坑最低標(biāo)高為-360.05 m，西部已進(jìn)行內(nèi)部排土形成排土臺(tái)階，南幫整體邊坡角20°～27°，北幫整體邊坡角17°～31°左右。礦區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)：123°49′11″～123°55′23″；北緯：41°49′40″～41°51′23″。礦坑北側(cè)地形較緩，地勢(shì)較低，地面標(biāo)高在+70～+80 m，總趨勢(shì)是東北略高，西南略低，地形坡度為2‰左右[6]。

2 巖土體力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

隨著撫順西露天礦逐漸到達(dá)境界，邊坡加陡，最終邊坡角的確定和邊坡的穩(wěn)定已成為生產(chǎn)和安全的決定因素。這樣巖體強(qiáng)度的評(píng)價(jià)就非常敏感，尤顯重要。因?yàn)樗奈⑿∽儎?dòng)直接關(guān)系到幾百萬(wàn)噸煤炭資源的開(kāi)采，影響到露天礦的工藝和生產(chǎn)年限，也影響到地面的安全、邊坡的穩(wěn)定與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。同時(shí)巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究，是邊坡穩(wěn)定性分析中的重要內(nèi)容。只有正確掌握巖土體的強(qiáng)度特征，才能對(duì)邊坡的穩(wěn)定性作出正確的評(píng)價(jià)。

撫順西露天礦自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)進(jìn)行過(guò)大量的范圍廣泛的實(shí)驗(yàn)室常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)，其試驗(yàn)內(nèi)容和成果是極其豐富的?？紤]到巖體的強(qiáng)度確定是一個(gè)復(fù)雜且極具挑戰(zhàn)性的課題，涉及的因素較多，既有內(nèi)在的，也有外來(lái)的，是隨著開(kāi)采和外界條件（如水）的改變而變化的。因此本次巖體強(qiáng)度的評(píng)價(jià)工作主要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，重點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行，達(dá)到相互對(duì)比和驗(yàn)證的目的，避免脫離地質(zhì)條件的單純力學(xué)分析的片面性缺點(diǎn)，以綜合確定巖體強(qiáng)度指標(biāo)。

為了正確的評(píng)價(jià)巖體強(qiáng)度，需要提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為此要進(jìn)行一系列巖石力學(xué)試驗(yàn)，最有效的是巖體原位抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和密集節(jié)理巖體粗粒散樣大三軸試驗(yàn)，它是評(píng)價(jià)巖體強(qiáng)度上限和下限范圍的主要依據(jù)。

通過(guò)試驗(yàn)得到的本階段推薦的巖土體學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3 邊坡穩(wěn)定性

3.1 分析方法

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度（穩(wěn)定性）、危害程度，按災(zāi)種進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估，采用極限平衡定量分析法對(duì)撫順西露天礦邊坡進(jìn)行研究，構(gòu)建了數(shù)值模型，探究西露天礦的邊坡穩(wěn)定性。

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性定量計(jì)算的主要方法，許多派生的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法都是建立在極限平衡法的基礎(chǔ)之上。極限平衡法是以Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，依據(jù)邊坡分塊滑體的力學(xué)平衡原理，通過(guò)分析條塊滑體的抗滑力與滑動(dòng)力之間的關(guān)系來(lái)研究邊坡的穩(wěn)定性。雖然極限平衡法不能準(zhǔn)確地反映邊坡變形直至破壞完整過(guò)程，但由于計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了、計(jì)算結(jié)果清晰直觀，且經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善，逐漸積累了豐富的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和較為精確的計(jì)算模型，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)往往能夠達(dá)到較高的計(jì)算精度。瑞典條分法，是極限平衡分析中最基本的方法。在瑞典條分法的基礎(chǔ)上，引入條塊間相互作用力，發(fā)展出Bishop 法、Janbu 法和Sarma 法等一系列極限平衡分析方法[7]。

表1 本階段推薦的巖土力學(xué)指標(biāo)

3.2 安全系數(shù)的

露天煤礦的邊坡工程實(shí)踐表明，露天煤礦邊坡具有以下特點(diǎn)：

1）工程的時(shí)效性。邊坡大多屬于臨時(shí)性邊坡，服務(wù)年限長(zhǎng)短不一，只要能保證相應(yīng)期間的生產(chǎn)與安全即可。邊坡工程的時(shí)效性決定了其穩(wěn)定性也具有時(shí)效性。

2）邊坡的可變形性。可以允許產(chǎn)生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產(chǎn)即可，確保露天采礦能取得最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的。

3）邊坡工程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。露天煤礦自始至終處于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)開(kāi)挖、回填過(guò)程之中，邊坡穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程。

4）邊坡穩(wěn)定性認(rèn)識(shí)的階段性。隨著露天礦開(kāi)采，對(duì)礦山工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)不斷的深化，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的認(rèn)知也具有階段性，是與露天煤礦的生產(chǎn)不同階段相適應(yīng)的。同時(shí)考慮到西露天礦邊坡的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到露天礦與城區(qū)地面構(gòu)筑物的安全問(wèn)題，因此，在邊坡穩(wěn)定分析中，安全系數(shù)是一個(gè)重要的定量參數(shù)[7]，直接關(guān)系到設(shè)計(jì)邊坡的經(jīng)濟(jì)與安全問(wèn)題，在設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)安全系數(shù)的選值有所規(guī)定，但更重要的還是礦山生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與關(guān)聯(lián)項(xiàng)目的重要程度[8]。

綜合本次規(guī)劃設(shè)計(jì)，采用1.5 的安全系數(shù)對(duì)于本階段而言是相對(duì)適宜的?！睹禾抗I(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[9]的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)

DZ/T0218—006“滑坡防治工程勘查規(guī)范”中，滑坡穩(wěn)定狀態(tài)見(jiàn)表3。

表3 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

一般條件下，滑坡處于整體暫時(shí)穩(wěn)定-變形狀態(tài)（Fs=1.00～1.05）；滑坡處于整體暫時(shí)變形-滑動(dòng)狀態(tài)（Fs=0.95～1.00）。

3.3 西露天礦現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定

根據(jù)項(xiàng)目總體方案、規(guī)劃定位、礦坑治理方案、資源利用與產(chǎn)業(yè)綜合安排，選取典型計(jì)算剖面EW0、E400、E1400、E1800、E2400、E3000 等6 個(gè)剖面?，F(xiàn)狀邊坡計(jì)算分析示意圖如圖1。

由圖1 及相關(guān)資料可知：EW0 剖面一線內(nèi)排回填已至-150 m 水平，邊坡角度24°，剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.92；E400 剖面一線內(nèi)排回填已至-274 m 水平，邊坡角度34°，剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.52；E1400 剖面一線內(nèi)排回填已至-361 m 水平，邊坡角度31°，剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.14；E1800 剖面一線內(nèi)排回填已至-325 m 水平，邊坡角度44°，剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.16，上述邊坡區(qū)段,由于回填壓腳作用明顯，邊坡穩(wěn)定性狀況良好，而目前露天采掘作業(yè)集中的東部區(qū)域，邊坡角度高達(dá)30°，局部并段邊坡角度超過(guò)38°，如E2400 剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.06，E3000 剖面局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.18,滿足生產(chǎn)安全儲(chǔ)備要求，相應(yīng)區(qū)域建立了邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，保障安全生產(chǎn)與北幫邊坡整體穩(wěn)定[9]。

圖1 現(xiàn)狀邊坡計(jì)算分析示意圖

綜上，對(duì)6 個(gè)典型計(jì)算剖面進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性初步驗(yàn)算，初步驗(yàn)算結(jié)果表明各剖面線安全儲(chǔ)備系數(shù)大于1.05，境界內(nèi)開(kāi)采區(qū)域邊坡滿足生產(chǎn)安全儲(chǔ)備要求。北幫、南幫滑坡變形區(qū)，經(jīng)過(guò)治理現(xiàn)狀邊坡基本穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮到地下水綜合影響，受不利因素綜合作用，北幫邊坡上部第四系邊坡及南幫局部區(qū)段仍存在滑塌風(fēng)險(xiǎn)。

4 邊坡治理

1）建立邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在北幫安設(shè)1 臺(tái)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并建立了14 條GPS 觀測(cè)線、78 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每周對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)做出預(yù)警預(yù)報(bào)，保證在變形區(qū)內(nèi)作業(yè)的人員、設(shè)備安全撤離。同時(shí)設(shè)置了15 個(gè)邊坡監(jiān)測(cè)崗，建立了人工巡查制度，進(jìn)行強(qiáng)制檢查，并將檢查結(jié)果上報(bào)礦調(diào)度室。邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立為地質(zhì)災(zāi)害的綜合防治提供了科學(xué)依據(jù)。

2）采取邊坡治理措施。①內(nèi)排壓腳工程：目前回填壓腳總工程量達(dá)3 800 萬(wàn)m3；②疏干排水工程：為減少千臺(tái)山體匯水進(jìn)入裂縫導(dǎo)致礦坑南幫變形加劇，2013 年至今共計(jì)填埋裂縫7 000 m，平整土方工程量20 多萬(wàn)m3，拆除了變形區(qū)內(nèi)坑下-309 m 水平泵站，同年在變形區(qū)外坑下E1400，-281 m 水平建成了搗排水泵站替代原泵站，新建南幫土水溝12 000 m，恢復(fù)-44 m 水平和+30 m 水平消能池等7 座，接設(shè)疏水管路5 000 m，通過(guò)一系列工程的實(shí)施，完善了南幫變形區(qū)內(nèi)分區(qū)匯水、疏導(dǎo)引流的截排系統(tǒng)，減少了地表滲透水進(jìn)入變形區(qū)內(nèi)；③抗滑樁、注漿加固工程：實(shí)施了裝置區(qū)局部邊坡裂縫注漿和抗滑樁加固工程鉆孔注漿676 個(gè)，注漿2 582 m3，抗滑樁加固鉆孔500 個(gè)，下鋼軌3.3 萬(wàn)m，保障安全。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了西露天礦的巖石力學(xué)參數(shù)，并采用滑坡反向分析的方法，確定了西露天煤礦邊坡段的巖石力學(xué)參數(shù)。

2）利用極限平衡法進(jìn)行西露天煤礦邊坡穩(wěn)定分析，通過(guò)計(jì)算剖面、計(jì)算模型，采用軟件計(jì)算確定了邊坡穩(wěn)定系數(shù)并進(jìn)行初步驗(yàn)算，初步驗(yàn)算結(jié)果表明各剖面線安全儲(chǔ)備系數(shù)大于1.05，境界內(nèi)開(kāi)采區(qū)域邊坡滿足生產(chǎn)安全儲(chǔ)備要求。

3）提出對(duì)西露天礦變形區(qū)域邊坡穩(wěn)定性治理方案：采用建立邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)排壓腳工程、疏干排水工程及抗滑樁、注漿加固工程對(duì)西露天礦北幫、南幫滑坡變形區(qū)域邊坡穩(wěn)定性治理，經(jīng)過(guò)治理后邊坡基本穩(wěn)定。