安太堡露天礦排土場邊坡穩定性分析

袁 遠，郭夏飛

（1.中煤平朔集團有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.煤炭科學研究總院，北京 100013）

露天開采是我國煤炭開采的重要方式之一，而露天開采的誘發的地質災害問題也逐步凸顯，如何防止滑坡等地質災害的發生成為重要的研究課題[1-2]。隨著露天開采技術和時效邊坡理論的發展，露天煤礦正朝著安全高效的方向發展，資源回收率越來越高，同時剝離物的長期堆積形成了許多高臺階排土場。排土場是露天礦重要生產場地之一，大量剝離松散物流堆積，易誘發大量地質災害問題。

黑岱溝露天礦陰灣排土場，在基底長期水浸影響，形成軟弱層，在排土增高作用西下，陰灣排土場西幫發生了大變形[3]。以大孤山鐵礦粉質黏土基底排土場為研究背景，王玉凱，孫書偉等[4]采用底摩擦試驗方法，研究軟弱基底排土場的卸荷變形機制，研究表明飽和基底排土場穩定性明顯低于天然基底排土場，天然基底排土場變形破壞形態呈現滑塌→牽引→推移態勢，形成了張拉裂隙為均勻水平變形產生，飽和基底排土場卸荷變形模式主要受軟弱基底控制，不均勻卸荷沉降產生錯動裂隙。軟弱傾斜基底研究以蒙東西二露天礦排土場邊坡為工程背景，曹蘭柱，張劍鋒等[5]基于剛體極限平衡與三維數值模擬方法，研究了基底傾斜條件下排土場邊坡穩定性變化規律，分析了軟弱傾斜復合基底排土場邊坡失穩機理。排土場邊坡的穩定性嚴重影響著作業人員及施工設備安全。研究露天礦排土場邊坡穩定性分析及控制措施[6-8]對保障安全生產具有重要意義。

1 工程地質概況

安太堡露天礦位于平朔礦區中部，東側為東露天礦田，南與二號井田和安家嶺露天礦田毗鄰，北為安太堡三號井田，西接雙碾合作區井田、井東井田和潘家窯合作區井田，其地理坐標為東經112°19′03″～112°24′17″、北緯39°30′29″～39°35′26″，隸屬朔州市平魯區。安太堡露天礦向東推進過程中遇到蘆子溝背斜，背斜區寬1.2 km，走向為SE-NW 方向，受背斜影響，礦坑由近水平煤層變為傾斜煤層，煤層平均傾角達到8°～12°（14%～21%），局部最大傾角為22°（40%），背斜區地表和基巖下降50～100 m，煤層下降更為劇烈，最深下降達270 m，11#煤底板標高達到1 050 m 水平左右。受蘆子溝背斜構造影響，南端幫邊坡巖層層理面與幫坡面由逆傾狀態（巖層層理面與水平面夾角約為8°～12°）變為順傾狀態（巖層層理面與水平面夾角約為4°～12°），極不利于內排土場邊坡穩定，對露天礦安全生產構成了嚴重威脅。

按照安太堡露天礦的實際生產位置和生產規劃，大傾角背斜引起的剝采比急劇增大、剝離成本大幅增加、內排空間嚴重不足、內排運距超出卡車合理運距等問題已經制約了安太堡露天礦的正常生產。目前，安太堡露天礦剝離物在背斜翼部區域進行排土作業，形成了順傾基底上部排土作業；為有效解決內排運距及物料排棄高差，通過加高內排解決排土空間不足的問題。因此，過背斜期間內排土場高邊坡穩定問題也是安太堡露天礦面臨的邊坡穩定關鍵問題之一。

2 安太堡內排土場邊坡變形及研究剖面選取

2020 年5 月安太堡露天礦內排土場運輸道路形成，在南部區域形成高段排土邊坡，在坡腳設置監測點，5 月上旬監測點顯示邊坡出現變形。邊坡監測位移方向為北東東方向。在5 月時在排土場變形區域下部進行9#煤開采作業，該區域為背斜傾角最陡區域，局部最大傾角22°。排土場位于順傾基底上部，存在順層滑動的可能，且下部爆破及采動影響，不利于排土邊坡穩定，形成區域滑坡。

根據礦區地質資料及邊坡現狀資料，在內排土場變形區域選取了3 個剖面模型，分析邊坡穩定性及控制措施，剖面位置如圖1。在此基礎上展開內排土場多臺階和單臺階變形失穩差異研究及邊坡穩定性評價，工程地質模型如圖2。

圖1 剖面位置圖

圖2 工程地質模型

對工程地質補充勘查取得的巖土樣進行巖土的物理力學性質實驗，得到巖塊的物理力學性質指標，然后通過強度折減最終獲得能夠用于本研究的巖土體物理力學性質指標。巖土樣物理力學性質指標推薦值見表1。

表1 安太堡礦巖土物理力學性質推薦值

3 邊坡破壞機理

3.1 內排土場現狀邊坡破壞機理分析

3 個剖面位置從北向南布置，NP-2005-XZ-01剖面位于1190 平臺的北側區域位置，變形區域坡頂最大范圍50.5 m，影響區域為單臺階范圍；NP-2005-XZ-03 剖面位于1165 平臺最北側區域，變形范圍為1 個大變形區域，1165 平臺與1 165～1 190 m 水平之間聯絡道形成整體滑動區域，整體影響區域為83.53 m；NP-2006-YC-02 剖面，位于1165 南部區域，該區域形成2 個大變形區域，1 165～1 190 m 水平之間聯絡道和礦區主干道形成局部臺階的變形區域，1 165～1 190 m 水平之間影響區域約為53.3 m，主干道變形區域34 m。現狀邊坡破壞規律如圖3。

圖3 現狀邊坡破壞規律圖

3.2 內排土場在1 150 m 水平壓腳變形分析

從南側1 150 m 水平在1165 平盤下部形成新的壓腳平盤，NP-2005-XZ-01 剖面位于1190 平臺的北側區域位置，變形區域從坡頂50.5 m 減少至32.5 m，影響區域為單臺階范圍；NP-2005-XZ-03剖面位于1165 平臺最北側區域，壓腳至1 150 m 水平后，變形范圍為由1 個大變形區域變形為局部3個變形區域，其中1 165～1 190 m 水平之間聯絡道和新排土臺階變形量最大區域。NP-2006-YC-02 剖面（位于1 165 m 水平南部區域），壓腳后該區域形成2 個變形區域，1150 平盤和礦區主干道形成局部臺階的變形區域，1150 平盤變形范圍為34.7 m，（現狀邊坡中1 165～1 190 m 水平之間影響區域約為53.3 m），主干道變形區域由34 m 減至24.6 m。壓腳后邊坡破壞規律如圖4。

圖4 邊坡壓腳后破壞規律圖

通過在1 150 m 水平壓腳，有效控制了邊坡的變形范圍，在1 190 m 水平區域減小了平盤的變形范圍，也改變了1165 平盤變形趨勢，同時，新形成的1 150 平盤同樣存在新的變形區域。

4 結論

1）通過對內排土場南部區域高段排土邊坡變形監測數據分析，確定該區域滑動方向為北東東方向，排土場在南部區域標高為1 390 m，縮界區域排土標高標高為1 210 m，坑底標高1 063 m；排土場上部荷載作用在西南方向，西側排土較南側高。排土場荷載作用方向與邊坡變形方向一致。同時，坡腳開采卸載，是排土場變形的另一誘素。

2）通過3 個剖面位置從北向南布置，NP-2005-XZ-01 剖面在高陡單臺階坡頂形成50.5 m 變形區域；NP-2005-XZ-03 剖面在坡底1 165～1 190 m 水平聯絡道之間，形成整體變形水平影響區域為83.53 m；NP-2006-YC-02 剖面形成2 個大變形區域，1 165～1 190 m 水平聯絡道約53.3 m，排土場主干道高陡臺階變形區域約34 m。邊坡現場變形區域與破壞機理分析區域相一致，因此，該區域主要為單臺階或多臺階沿排棄物料內部的滑動變形。

3）通過研究壓腳1 150 m 水平方案的變形破壞機理，NP-2005-XZ-01 剖面變形范圍減少20 m；NP-2005-XZ-03 剖面壓腳后邊坡變緩，變形范圍為由1個大變形區域變形為局部3 個變形區域。NP-2006-YC-02 剖面壓腳后該區域形成2 個變形區域，1150平盤變形范圍為34.7 m，而現狀邊坡中1 165～1 190 m水平影響區域約為53.3 m，主干道變形區域由34 m 減少至24.6 m。壓腳有效控制了邊坡的變形范圍，在1 190 m 水平區域減小了平盤的變形范圍，壓腳后改變了1 165 m 水平平盤變形趨勢，同時，壓腳新形成的1 150 m 水平平盤存在新的變形區域。因此，壓腳可以有效減小邊坡變形，提高邊坡穩定性。