李英俊
(內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)
內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟的露天煤礦巖性大多為軟巖,這類軟巖邊坡的穩(wěn)定性受順傾、弱層、地下水、斷層、工程擾動及時間、空間等多因素影響,變形破壞機理與穩(wěn)定性研究等問題極其復雜,極易發(fā)生邊坡變形并發(fā)展成大規(guī)模滑坡,這類邊坡滑坡規(guī)模大且防控困難,一旦滑坡將給礦山造成嚴重損失,因此,軟巖邊坡穩(wěn)定性及滑坡防控是制約區(qū)域露天煤礦安全高效生產(chǎn)的重點課題。
勝利東二號露天煤礦位于勝利煤田中東部,礦權(quán)境界東西長7.3~8.0 km,南北寬6.1~6.3 km,面積49.63 km2,露天開采煤層為4#、5#、6#號煤,可采資源儲量38.22 億t。首采區(qū)南幫邊坡為高大軟巖順傾邊坡,巖層傾角為6°~10°,采場南幫賦存有順傾泥巖弱層及弱含水層,且F68、F8、F613 條走向大斷層貫穿首采區(qū),復雜的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,均不利于南幫邊坡安全穩(wěn)定,南幫邊坡穩(wěn)定性及滑坡防治工作是該礦重要安全技術(shù)難題。
勝利東二號露天礦邊坡工程地質(zhì)[1]復雜,煤田主體構(gòu)造形態(tài)為一走向NE-SW,兩翼不對稱的寬緩向斜。區(qū)內(nèi)地層自上而下有第四系松散巖類以淺黃、土黃色細砂、粉砂、亞砂土、亞黏土為主,局部有砂礫石透鏡體,巖相變化大,賦存厚度不大,結(jié)構(gòu)松散,易坍塌;第三系上新統(tǒng)以棕紅色、棕黃色、雜色的粘土(巖)類為主,局部含淺黃、灰白色泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖(砂礫巖),多呈半膠結(jié)、半風化狀態(tài),泥質(zhì)含量較高,結(jié)構(gòu)比較松散,巖石抗穩(wěn)定性差;白堊系巴彥花群勝利組,主要巖性為煤層、灰、深灰綠色砂礫巖、泥巖、細砂巖、粗砂巖夾礫巖,含4?!?#主要可采煤組,煤層內(nèi)、煤層間均賦存多層遇水易泥化的泥巖層。
首采區(qū)內(nèi)已查明的F8、F61、F68正斷層,斷距大,落差0~210 m,區(qū)內(nèi)延展長度在1.5~4.1 km,3 條斷層走向切割破壞巖層及煤層的完整性,已接露的斷層破碎帶強度低、厚度達20 m 且內(nèi)部含水,曾出現(xiàn)過沿斷層面短時間大位移錯動沉降。
區(qū)內(nèi)由上至下賦存第四系松散含水層、第三系孔隙承壓含水層、煤系地層頂部砂礫巖裂隙承壓含水層及煤系地層裂隙承壓含水層,上述含水層難于疏干,且揭露后水滲流弱化巖土體強度。
目前,采場面積7.5 km2,東西長3.2 km,南北長2.3 km,采場最低標高為804 水平,最大采深已達到280 m。首采區(qū)推進方向為西推,南幫東部內(nèi)排土場已發(fā)展至978 水平;南幫西部948 平盤以上為局部到界邊坡,整體邊坡角度14°。
隨著采剝工程的發(fā)展,采場南幫不斷揭露F68、F8、F61斷層以及南幫邊坡內(nèi)賦存的泥巖弱層,2011年初首采區(qū)采場南幫地表開始出現(xiàn)沉降變形裂縫,邊坡臺階坡面不斷出現(xiàn)沿多組弱層剪出位移現(xiàn)象,隨后地表裂縫及邊坡內(nèi)部弱層剪出位移不斷增大,2011 年底,南幫邊坡形成了2 條圓弧形貫通性裂縫帶。2012 年7 月底,暴雨誘發(fā)了沿采場南幫圓弧形裂縫帶的大規(guī)?;?,滑坡體后緣變形體不斷沉降變形,并于2013 年9 月發(fā)生了以采場-排土場圓弧形裂縫帶為后緣的采場、排土場復合邊坡特大型滑坡,嚴重制約了勝利東二號露天煤礦煤炭生產(chǎn)接續(xù)及安全生產(chǎn)。
借鑒以往邊坡穩(wěn)定性研究成果,勝利東二號露天煤礦在落實各項安全技術(shù)措施的基礎(chǔ)上,2013 年12月—2017 年4 月實施了以“橫采內(nèi)排壓腳”為主的滑坡治理工程,期間共完成清理滑體工程量約3 000萬m3,回采滑體壓覆煤炭約1 400 萬t,實現(xiàn)內(nèi)排壓腳工程量約4 400 萬m3,有效控制了南幫滑坡體位移,取得了預期的滑坡治理成果。
首采區(qū)西推過程中,開采深度的逐漸加大、邊坡暴露的長度及時間增長,為有效避免南幫邊坡再次發(fā)生大規(guī)?;拢WC南幫采煤半連續(xù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,確保安全生產(chǎn),需進一步在設(shè)計上優(yōu)化南幫邊坡參數(shù)。
1)邊坡角度。依據(jù)以往邊坡穩(wěn)定性研究成果[2-3],采場南幫在現(xiàn)有南幫滑坡基礎(chǔ)上向西推進的情況下,為保證西推過程中南幫邊坡穩(wěn)定,南幫邊坡幫坡角需由14°逐步向最終幫坡角18°轉(zhuǎn)變。
2)邊坡形態(tài)。鑒于南幫邊坡巖土體大部分為軟巖,而煤層強度相對較強,為此,計劃采取開采初期以折線邊坡形式實行南幫緩幫開采,F(xiàn)8斷層上盤6#煤層頂板852 平盤以上按18°最終幫坡角、平盤寬度20 m 和40 m 組合臺階形成局部最終到界邊坡,852 平盤留設(shè)一定寬度的保安煤柱以增強南幫整體邊坡安全穩(wěn)定性,852 平盤以下按平盤寬度40 m 形成局部臨時到界邊坡,后期通過橫采內(nèi)排方式,按整體最終幫坡角18°快速實現(xiàn)煤柱回采、快速內(nèi)排實現(xiàn)壓腳。
由于南幫852 平盤需設(shè)置煤炭破碎站,為此,852 平盤寬度需綜合考慮南幫煤炭破碎站規(guī)格尺寸、大型卡車調(diào)頭及多臺卡車同時卸載對空間的需求,經(jīng)核算852 平盤寬度即留設(shè)煤柱寬度至少需150 m,為盡量提高南幫初期煤炭產(chǎn)量,以150 m 作為852 平盤留設(shè)煤柱的寬度。
依據(jù)以往工程地質(zhì)勘查、寫實資料及鉆孔資料,建立首采區(qū)西推南幫邊坡典型剖面A、典型剖面B、典型剖面C 的邊坡穩(wěn)定性計算模型,采用GEOSLPOE/W 巖土邊坡穩(wěn)定性分析軟件分別對各典型剖面進行留設(shè)煤柱前后的邊坡穩(wěn)定性進行計算。典型剖面A 邊坡穩(wěn)定性計算如圖1,典型剖面B 圖2 剖面剖面A 邊坡穩(wěn)定如圖2,性計算,典型剖面C 邊坡穩(wěn)定性計算如圖3。經(jīng)整理邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1。
圖1 剖面A 邊坡穩(wěn)定性計算
圖2 剖面B 邊坡穩(wěn)定性計算
圖3 剖面C 邊坡穩(wěn)定性計算
由表1 可知,在初期南幫邊坡留設(shè)150 m 煤柱的情況下,3 個典型剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.244、1.228、1.256,穩(wěn)定性系數(shù)均大于邊坡安全系數(shù)[6]Fs=1.20,邊坡能夠保持穩(wěn)定;在回采南幫煤柱到界情況下,3 個典型剖面穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.065、1.109、1.066,穩(wěn)定性系數(shù)均大于臨時邊坡安全系數(shù)Fs=1.05,邊坡保持基本穩(wěn)定。
表1 邊坡典型剖面穩(wěn)定性計算結(jié)果匯總表
結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果及以往滑坡治理經(jīng)驗,為增強南幫邊坡施工過程中的作業(yè)安全,采取如下邊坡滑坡防控措施[9-11]。
1)開展邊坡工程地質(zhì)勘探,加強邊坡地質(zhì)寫實。開展邊坡工程地質(zhì)勘探工作,查明邊坡工程范圍內(nèi)斷層、褶曲、弱層、地下含水層等賦存及變化情況;加強日常邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)寫實工作,及時更新采剝工程過程中揭露的斷層、弱層等情況,為定期開展邊坡穩(wěn)定性分析評價及合理調(diào)整采礦工程提供及時準確的地質(zhì)依據(jù)。
2)加強邊坡疏干排水。合理優(yōu)化邊坡疏干排水系統(tǒng),開展弱含水層疏干試驗,及時填埋邊坡變形裂縫,有效疏導邊坡地下涌水及大氣降雨,最大限度減少地下水及大氣降水對邊坡穩(wěn)定性影響。
3)加強邊坡變形監(jiān)測及巡視。采用先進的邊坡監(jiān)測設(shè)備及技術(shù),建立健全全方位、全天候的邊坡監(jiān)測與預警系統(tǒng),實現(xiàn)邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性及準確性,為礦山的安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)。加強邊坡日常巡視工作,及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場邊坡變形跡象,及時采取填埋、加固等措施處理邊坡裂縫、片幫等變形,有效遏制邊坡變形持續(xù)發(fā)展。
4)采取橫采內(nèi)排工程措施。結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果及以往邊坡滑坡治理經(jīng)驗,南幫邊坡采取初期留150 m 煤柱緩幫開采、后期橫采內(nèi)排快速回采煤柱的工程措施,能夠有效降低最終到界邊坡暴露長度及時間,增強南幫開采過程中施工安全性。
通過采場西推過程中南幫邊坡各典型剖面的邊坡穩(wěn)定性分析可知,852 平盤留設(shè)150 m 煤柱,南幫邊坡能夠保持穩(wěn)定;回采煤柱后,南幫最終到界邊坡可保持基本穩(wěn)定;然后通過快速內(nèi)排實現(xiàn)邊坡壓腳,才能實現(xiàn)采場南幫整體邊坡安全穩(wěn)定。同時,在采場南幫西推過程中,為避免南幫邊坡局部邊坡變形引發(fā)滑坡,需開展邊坡工程地質(zhì)勘查和地質(zhì)寫實、持續(xù)加強南幫邊坡疏干排水、加強邊坡變形實時動態(tài)監(jiān)測及日常巡視等邊坡滑坡防控安全技術(shù)措施。