張 吉 郭夏飛

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

露天煤礦邊坡角和采出率的矛盾，使邊坡失穩(wěn)成為露天礦山最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。露天礦邊坡角越大，采出率越高，邊坡穩(wěn)定性降低，相反，邊坡角度小，保證了邊坡穩(wěn)定性，端幫壓煤量大大增加，煤炭資源的采出率下降。因此提高煤炭采出率必須以保證邊坡穩(wěn)定為前提。然而，影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多如邊坡巖性、降雨、開(kāi)采活動(dòng)等。邊坡穩(wěn)定性并不是一成不變的定值。即使一定角度的邊坡初期能保持穩(wěn)定，隨時(shí)間的推移和外因的影響，其穩(wěn)定性可能逐漸降低而達(dá)不到安全生產(chǎn)要求。

要保證露天礦山的安全生產(chǎn)，就必須綜合考慮影響邊坡安全各種因素。陳鳳陽(yáng)[1]、王東[2]、和大釗[3]等研究了斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；劉福明[4]陶志剛[5]、毋遠(yuǎn)召等研究了降雨入滲規(guī)律與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系；周子涵[7]、梁瑞[8]等分析了基于爆破損傷的露天礦邊坡穩(wěn)定性的災(zāi)變機(jī)理。為此，深入研究露天礦邊坡穩(wěn)定性，對(duì)保障露天礦工作人員及人民財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 礦山概況

安家?guī)X露天煤礦位于平朔礦區(qū)的中部，毗鄰安家?guī)X二號(hào)井田，距太原市約250 km，北距大同市約145 km。平朔礦區(qū)屬于山西高原平朔臺(tái)地低山丘陵，北、東、西三面環(huán)山，中間為黃土丘陵，全區(qū)多為黃土覆蓋，形成梁垣卯等黃土高原地貌景觀(guān)。區(qū)內(nèi)黃土廣布植被稀少，溝谷發(fā)育，水土流失嚴(yán)重，沖刷劇烈，沖溝大致呈北東向樹(shù)枝狀分布，呈“V”字型，切割深度40～70 m，典型黃土高原地貌。礦區(qū)內(nèi)地形基本呈北、西高，東、南低趨勢(shì)。

地層傾角近于水平，表現(xiàn)出泛褶曲現(xiàn)象，即微小的波狀起伏使地層發(fā)生明顯的走向變化，發(fā)展為等高線(xiàn)大幅度的彎曲。目前在礦區(qū)境界內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層，其對(duì)采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進(jìn)影響不大；在北幫發(fā)現(xiàn)陷落柱，位于礦界處，對(duì)采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進(jìn)沒(méi)有影響；未發(fā)現(xiàn)其它構(gòu)造，沒(méi)有受巖漿巖的影響。按照煤礦地質(zhì)工作規(guī)定，安家?guī)X露天礦構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)。

井田邊界無(wú)大的構(gòu)造，各含水層與井田四周自然連接。地下水總體上由北西向南東方向徑流，北部、西部邊界為地下水側(cè)向補(bǔ)給邊界，東部、南部邊界為地下水排泄邊界。垂向上各主要含水層之間存在隔水層，且隔水性能良好，各含水層之間的水力聯(lián)系較弱。

2 北幫邊坡失穩(wěn)現(xiàn)狀及剖面選取

1）北幫邊坡失穩(wěn)現(xiàn)狀。雷達(dá)監(jiān)測(cè)顯示，安家?guī)X北幫三路E13170～E13295 段于2020 年6 月28 日出現(xiàn)長(zhǎng)180 m 滑坡區(qū)域。7 月13 日在第1 次滑坡區(qū)域東側(cè)形成第2 次滑坡。東西向影響長(zhǎng)度220 m，滑坡量約為110 000 m3；掉落在北四路形成130 m 滑坡，滑坡量約為16 000 m3。7 月24 日雷達(dá)監(jiān)測(cè)顯示北幫邊坡滑坡區(qū)域日變形量達(dá)到10 mm。8 月19 日，北三路滑坡區(qū)域?qū)?yīng)下部四路路面出現(xiàn)大量裂縫，并伴隨著北四路的滑坡。

2）工程地質(zhì)模型。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料及邊坡現(xiàn)狀，在北幫邊坡失穩(wěn)區(qū)域選取2 個(gè)剖面模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)北幫邊坡進(jìn)行分析，研究其失穩(wěn)的影響因素及失穩(wěn)機(jī)理。工程地質(zhì)模型如圖1。

圖1 工程地質(zhì)模型

3）參數(shù)選取。對(duì)以往安家?guī)X露天礦及周邊礦山已有巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果進(jìn)行收集、整理、歸納和分析，對(duì)工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查取得的巖土樣進(jìn)行巖土物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得到巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。安家?guī)X巖土物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見(jiàn)表1。

表1 安家?guī)X露天礦巖土物理力學(xué)性質(zhì)推薦值

3 北幫邊坡失穩(wěn)分析

邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法采用畢肖普法和Spencer 法，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2。安家?guī)X北幫邊坡剖面1安全系數(shù)為1.001，巖石多臺(tái)階失穩(wěn)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)；剖面2 安全系數(shù)為0.921，巖石單臺(tái)階失穩(wěn)，邊坡處于滑坡失穩(wěn)狀態(tài)。

圖2 邊坡極限分析圖

北幫邊坡失穩(wěn)原因如下：

1）地質(zhì)條件。安家?guī)X礦在北幫局部轉(zhuǎn)向后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪了巖體的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀，可知邊坡節(jié)理面與邊坡走向構(gòu)成不利影響，該區(qū)域巖層產(chǎn)狀與邊坡形成楔形體滑動(dòng)形態(tài)，北幫邊坡位于節(jié)理1 和節(jié)理2 相交的影響區(qū)域，對(duì)邊坡臺(tái)階形成不穩(wěn)定滑體。節(jié)理與邊坡幾何關(guān)系如圖3。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，片幫區(qū)域處于計(jì)高登向斜軸部區(qū)域，該區(qū)域存在FB25斷層，片幫區(qū)域位于斷層?xùn)|側(cè)，至計(jì)高登向斜軸部區(qū)域。向斜構(gòu)造擠壓巖體及斷層構(gòu)造影響下，砂巖層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，泥巖層在構(gòu)造影響下巖體易于風(fēng)化。

圖3 節(jié)理與邊坡幾何關(guān)系

2）降雨影響?，F(xiàn)場(chǎng)滑坡均處于降雨或降雨后1～3 d 內(nèi)，且片幫后巖體均有地下水滲出。因此，該區(qū)域的片幫主要發(fā)生在降雨后，邊坡穩(wěn)定性受到大氣降雨影響，降雨入滲至裂隙中增加裂隙中的靜水壓力和滑動(dòng)面上的動(dòng)水壓力；同時(shí)，多次的雨水滲入，形成循環(huán)影響，降低泥巖弱層的強(qiáng)度。

3）爆破振動(dòng)。安家?guī)X礦北幫東側(cè)靠界區(qū)域之前由于預(yù)裂爆破效果不佳，揭露巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，致使北三與北四之間保安平盤(pán)留設(shè)效果差，幾乎未見(jiàn)保安平盤(pán)。該區(qū)域采用“L 型”爆破，在北幫一側(cè)爆破長(zhǎng)度278 m，滑坡區(qū)域中心處于爆破北幫中心。因此，第1 次片幫直接誘發(fā)因素為生產(chǎn)擾動(dòng)影響。受計(jì)高登向斜及斷層的影響，北幫東側(cè)區(qū)域巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面與邊坡走向構(gòu)成不利影響，且受泥巖層風(fēng)化影響，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。該區(qū)域位于與工作幫連接拐角處，工作幫向前推進(jìn)，坡腳開(kāi)挖，爆破產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。持續(xù)降雨影響，增加坡體自重，雨水沿裂隙入滲，軟化弱層，降低邊坡巖層抗剪強(qiáng)度，地下水受向斜影響向該區(qū)域匯集，在坡體內(nèi)部形成富水區(qū)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。邊坡在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、降雨入滲和爆破振動(dòng)耦合作用下片幫失穩(wěn)。

4 失穩(wěn)邊坡治理

4.1 治理方案

1）方案1。保證北三道路40 m，適當(dāng)削減北二道路，礦坑?xùn)|北部最上部臺(tái)階區(qū)域已經(jīng)基本到界，并且北幫外側(cè)與宇辰炸藥廠(chǎng)之間有空間，可將上部外包道路寬度適當(dāng)縮減。因此，方案1 將北二路整體向北削坡20 m，北四路上部留設(shè)10 m 保安平盤(pán)；在滑坡體后緣按照35°留設(shè)北三路至北四路之間邊坡，北二道路寬度為15 m。

2）方案2。將滑坡物料清除后，通過(guò)回填大石塊，主要保證北三道路40 m，放寬北四路上部保安平盤(pán)寬度。方案2 將滑坡物料清除后，用大塊巖石回填北三道路，北三路至北四路邊坡角控制在47°以上，最終北四路上部留設(shè)5 m 保安平盤(pán)。

3）方案3。將滑坡物料清除后，將北三道路用于外包，在滑坡體后緣按照35°留設(shè)北三路至北四路之間邊坡，最終北四路上部留設(shè)5 m 保安平盤(pán)。

4.2 工程量分析

根據(jù)實(shí)測(cè)和計(jì)算，裂縫平面面積為2 355 m2，裂縫區(qū)段高度為30 m，裂縫滑坡區(qū)域清理工程量約為35 000 m3。如果考慮北三路向北擴(kuò)幫，北二路水平面需要削坡，削坡量段高平均12 m，面積1 080 m2，削坡總量約13 000 m3，如果再考慮到裂縫滑坡區(qū)域回填，裂縫長(zhǎng)度180 m，設(shè)計(jì)清理角為35°，填方角度47°，需填方約54 000 m3。

在滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對(duì)3 種方案的工程量計(jì)算得出：①方案1：清理工程量為35 000 m3，削坡量為13 000 m3，合計(jì)清理量為48 000 m3，回填量0 m3；②方案2：清理工程量為35 000 m3，回填量為54 000 m3；③方案3：清理工程量為35 000 m3，回填量0 m3。

治理方案對(duì)照表對(duì)比見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)3 種方案具體工程量和穩(wěn)定性分析，最終選擇方案3 為最優(yōu)處理方案。

表2 治理方案對(duì)照表

5 結(jié)語(yǔ)

1）分析了安家?guī)X北幫邊坡的穩(wěn)定性，安家?guī)X北幫邊坡2 個(gè)剖面的安全系數(shù)分別為1.001、0.921，邊坡處于滑坡失穩(wěn)狀態(tài)。

2）北幫邊坡失穩(wěn)的原因?yàn)椋菏苡?jì)高登向斜及斷層的影響，北幫東側(cè)區(qū)域巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面與邊坡走向構(gòu)成不利影響，且受泥巖層風(fēng)化影響，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低；該區(qū)域位于與工作幫連接拐角處，工作幫向前推進(jìn)，坡腳開(kāi)挖，爆破產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；持續(xù)降雨影響，增加坡體自重，雨水沿裂隙入滲，軟化弱層，降低邊坡巖層抗剪強(qiáng)度，地下水受向斜影響向該區(qū)域匯集，在坡體內(nèi)部形成富水區(qū)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。邊坡在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、降雨入滲和爆破振動(dòng)耦合作用下片幫失穩(wěn)。

3）提出了失穩(wěn)邊坡治理方案?；麦w后緣按照35°留設(shè)北3 路至北4 路邊坡，北4 路邊坡上部留設(shè)5 m 保安平盤(pán)，既能滿(mǎn)足邊坡安全的需要，又能保證工程量最少，是最佳治理方案。