李文堯，黃科偉，李營(yíng)作，姜海濤，韋永豪

（1.哈密市和翔工貿(mào)有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000；2.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

隨著露天礦山生產(chǎn)的進(jìn)行，滑坡等礦山安全問題日益顯著，導(dǎo)致邊坡滑坡事故頻發(fā)，因此邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡治理是露天礦生產(chǎn)首要解決的問題[1-2]。目前已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，田宇等[3]根據(jù)斷層-多弱層構(gòu)造復(fù)合順傾邊坡變形機(jī)理優(yōu)化了邊坡設(shè)計(jì)；侯成恒[4]研究了順傾邊坡失穩(wěn)破壞問題得到不同壓腳高度與其之間的變化規(guī)律；鐘曉勇等[5]通過研究了順層軟巖邊坡順層失穩(wěn)的問題運(yùn)用極限平衡法確定了最優(yōu)邊坡角；楊鵬程等[6]通過研究軟弱層對(duì)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性影響揭示了失穩(wěn)機(jī)制；王珍等[7]、曹蘭柱等[8]研究分析了順傾巖質(zhì)邊坡的變形機(jī)理及滑移模式并對(duì)治理前后邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

綜上所述，研究順傾多弱層復(fù)合邊坡穩(wěn)定性具有重要的意義。為此，以新疆東北部某露天煤礦南幫典型邊坡為研究對(duì)象，選用極限平衡方法，研究復(fù)合邊坡回采煤前后的穩(wěn)定性并對(duì)最終邊坡坡面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保工作幫到界邊坡的最優(yōu)剝采比，同時(shí)為類似露天煤礦滑坡防治提供參考。

1 工程概況

該露天煤礦地形總體趨勢(shì)為北南低、東高西低；南幫為“順傾邊坡”，亦為最終境界邊坡，整體邊坡角度為26°～29°，局部邊坡角度達(dá)到36°；局部位置有殘留掛壁煤，部分區(qū)域巖層有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。2020 年中部邊坡出現(xiàn)片幫，直接影響下部煤層開采。同時(shí)隨著采場(chǎng)推進(jìn)降深，南幫與地表排土場(chǎng)形成高陡復(fù)合邊坡。

根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)揭露地層情況，初步判斷“南幫”煤層底板以下可能賦存泥巖弱層，同時(shí)該區(qū)域含有地下水，局部臺(tái)階有較大涌水現(xiàn)象，地下水對(duì)“南幫邊坡”巖體產(chǎn)生浸潤(rùn)與軟化作用，存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

2 邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)工程地質(zhì)勘察建立典型的地質(zhì)剖面模型，模型長(zhǎng)為866 m，底部標(biāo)高為1 000 m，左右兩側(cè)高程分別為1 119、1 397 m，工程地質(zhì)典型剖面圖如圖1。對(duì)于邊坡典型位置進(jìn)行工程地質(zhì)補(bǔ)充勘察工作，在關(guān)鍵層位巖心取樣，進(jìn)行巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 工程地質(zhì)典型剖面圖

在進(jìn)行邊坡參數(shù)優(yōu)化前必須進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析研究，在確保邊坡穩(wěn)定的情況下盡可能提高邊坡角，提高經(jīng)濟(jì)收益。根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》及生產(chǎn)計(jì)劃可知10 年內(nèi)“南幫邊坡”開始實(shí)施內(nèi)排壓腳工作，本次邊坡穩(wěn)定分析驗(yàn)算確定1.20 作為邊坡穩(wěn)定性是否滿足規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)，邊坡控制開采方案中選取1.10 作為臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行邊坡評(píng)價(jià)工作。

采用Geo-studio 軟件中SLOPE/W 模塊，對(duì)B2煤回采前、后進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為回采前1.204、局部1.012、回采后1.079?；夭珊笳w邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 回采后整體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天設(shè)計(jì)規(guī)范》可知邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)不滿足1.2 的儲(chǔ)備要求，臨界滑移面出現(xiàn)在中下部邊坡。

3 邊坡治理方案

經(jīng)過邊坡穩(wěn)定性分析及現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.079<1.20 不滿足規(guī)范要求，邊坡+1 180 m 標(biāo)高以下臺(tái)階出現(xiàn)了明顯的巖層里“拉裂破壞”現(xiàn)象，若不采取任何措施則不具備完全采出煤炭資源的條件。因此需要開展邊坡影響因素和治理措施研究，確保煤炭資源安全、高效的采出。

3.1 邊坡影響因素

影響露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，主要分為2 大類：人為因素和自然因素[9]，結(jié)合本礦特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。

1）地質(zhì)構(gòu)造及地層產(chǎn)狀。本礦地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，但地層產(chǎn)狀變化較大，目前坑底地層傾角較小，從坑底向南幫方向，地層傾角急劇增大，在邊坡中上部臺(tái)階，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，地層傾角整體為49°～62°，局部小范圍地層傾角達(dá)到82°，甚至出現(xiàn)地層倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查，可知“南幫邊坡”的軟弱結(jié)構(gòu)面的走向與邊坡的走向接近且傾向一致為順傾邊坡，不利于邊坡的穩(wěn)定。

2）巖土物理力學(xué)性質(zhì)及地下水。邊坡中泥巖強(qiáng)度明顯低于砂巖，強(qiáng)崩解性泥巖經(jīng)過雨水入滲后會(huì)迅速崩解成1 cm 左右的小塊體，降低巖體整體性、穩(wěn)定性。第四系松散層巖性單一在外力及爆破開采作用下容易產(chǎn)生滑坡。煤層孔隙大多為含水層，坑底煤層往下0.5 m 即可見煤層水。邊坡巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育導(dǎo)致巖體強(qiáng)度進(jìn)一步降低；在雨水及爆破開采的影響下，處于長(zhǎng)期疲勞損傷的巖體沿著節(jié)理裂隙發(fā)生變形，導(dǎo)致邊坡整體物理力學(xué)參數(shù)偏低。

3）邊坡形態(tài)。邊坡上部排土場(chǎng)已經(jīng)形成2～4 個(gè)排土臺(tái)階，最大排土高度74 m 左右，排土場(chǎng)基底為第四系松散物料，基底地勢(shì)較為平坦。從排土場(chǎng)基底的地形、目前礦坑深度及排土場(chǎng)與礦坑之間的相對(duì)距離而言，排土場(chǎng)邊坡相對(duì)較為穩(wěn)定。隨著煤炭開采，邊坡外部輪廓發(fā)生變化，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，邊坡形態(tài)將對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成不利的影響。

3.2 邊坡治理措施

目前常規(guī)的邊坡預(yù)防滑坡工程措施主要分為5類：削坡、支擋、加固、束腰、壓腳[10-11]。結(jié)合本礦邊坡地質(zhì)條件特征及采礦計(jì)劃對(duì)各工程措施進(jìn)行論證，得出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的防治措施。邊坡坑底為主采煤層，煤層較厚且地層傾角較大，邊坡削坡可以放緩邊坡和降低下滑力從而抑制坡體下滑。邊坡巖層使用預(yù)應(yīng)力錨索加固效果較差、成本較高，但可用于局部不穩(wěn)定區(qū)域邊坡治理。該露天礦典型邊坡臨空面大，節(jié)理裂隙發(fā)育主要在中、上部，若采用壓力注漿會(huì)增加邊坡下滑體的重力，進(jìn)而增加下滑力不利于邊坡穩(wěn)定性。邊坡剖面下部分叉煤和主采煤合并成一層且已揭露煤層，在完全回收煤炭資源需要?jiǎng)冸x量較大的情況下，選擇前期預(yù)留壓腳煤柱，后期快速置換開采方法可節(jié)約大量的剝離費(fèi)用。

綜上，邊坡治理整體邊坡進(jìn)行削坡治理，在厚層煤層區(qū)域采用預(yù)留煤柱+置換開采方案。

3.3 邊坡優(yōu)化

3.3.1 整體邊坡設(shè)計(jì)

邊坡下部剖面處“分叉煤”與主采煤層合并，約28 m 厚煤炭資源需要回收，采取回收煤炭邊坡削坡設(shè)計(jì)方案，邊坡坡角設(shè)計(jì)模型圖如圖3。

圖3 邊坡坡角設(shè)計(jì)模型圖

方案以煤層底板進(jìn)水平位置為基準(zhǔn)，分別建立了坡角為28°、27°、26°邊坡輪廓線，按照整體邊坡角度遞減的順序進(jìn)行邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，確保滿足規(guī)范要求下盡可能提高坡角，最大化減少削坡土方量，得出上述坡角對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別為1.126、1.270、1.426。經(jīng)過邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，邊坡參數(shù)優(yōu)化整體角度確定為27°，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.270，滿足規(guī)范1.20 的儲(chǔ)備要求。

3.3.2 局部開采設(shè)計(jì)

厚煤層區(qū)域采用預(yù)留煤柱+置換開采方案。邊坡下部存在邊坡變形區(qū)域，采取預(yù)留煤柱開采，保障礦區(qū)生產(chǎn)接續(xù)，同時(shí)對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行削坡治理；當(dāng)預(yù)留煤炭開采完成后，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行回填壓腳。因此在臨時(shí)生產(chǎn)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)選取中，整體穩(wěn)定性應(yīng)大于1.10，局部巖體穩(wěn)定性須大于1.05。

厚煤層區(qū)域煤炭具體開采方案：首先在“坡腳留設(shè)”50 m 寬保安煤柱和上部變形區(qū)域削坡；其次當(dāng)下部空間展開和削坡治理完成后，進(jìn)行下部保安煤柱回收；最后對(duì)保安煤柱區(qū)域進(jìn)行壓腳回填，實(shí)現(xiàn)置換開采。局部邊坡設(shè)計(jì)模型如圖4，回采預(yù)留煤柱后邊坡穩(wěn)定計(jì)算如圖5。

圖4 厚煤層局部邊坡設(shè)計(jì)模型圖

圖5 回采預(yù)留煤柱后邊坡穩(wěn)定計(jì)算

通過計(jì)算可知邊坡剖面“留設(shè)”50 m 寬保安煤柱及削坡后，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.169；保安煤柱開采后局部巖體臺(tái)階穩(wěn)定性為1.097，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.104，基本滿足規(guī)范規(guī)定要求。

4 結(jié)語

1）回采B2 煤之后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.079<1.20不滿足規(guī)范要求，邊坡+1 180 m 標(biāo)高以下臺(tái)階出現(xiàn)了明顯的巖層“拉裂破壞”現(xiàn)象。

2）在邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)中對(duì)整體邊坡進(jìn)行削坡減載治理，當(dāng)設(shè)計(jì)整體坡角為27°時(shí)，回采B2 煤能滿足邊坡穩(wěn)定性的要求。

3）厚層煤層區(qū)域采用預(yù)留煤柱+置換開采措施。對(duì)下部邊坡進(jìn)行煤層優(yōu)化開采設(shè)計(jì)，得到厚煤層區(qū)域煤炭開采方案：首先在坡腳留設(shè)50 m 寬保安煤柱，在上部變形區(qū)域進(jìn)行削坡，之后對(duì)下部保安煤柱回收，最后進(jìn)行壓腳回填，實(shí)現(xiàn)置換開采。