順傾軟巖基底內排土場增高擴容控制措施

趙貴彬，封海洋，韓 猛，李金典

（1.內蒙古大雁礦業集團有限責任公司 扎尼河露天礦，內蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

排土是露天煤礦生產工藝的重要環節，內排即將剝離物排棄至露天煤礦采場的采空區，相對于外排具有運距短、占農田草場少、利于環境保護、生產管理簡單等優點[1-3]。但隨著內排容量的增大，排棄高度的增高，隨之而來的是內排土場邊坡的穩定性系數降低，邊坡失穩的可能性增大，對露天煤礦安全生產及周邊設施的安全影響增大，直接威脅著露天煤礦的安全生產[4]，因此，露天煤礦內排土場邊坡的穩定不容忽視。為此，通過對扎尼河露天煤礦順傾軟巖基底內排土場增高擴容設計邊坡控制措施的研究，提出合理的內排土場加固方法，并在內排跟進過程中可通過快速煤巖置換方式，對排土場下部原煤進行開采，提高資源回收率[5]。

1 工程概況

研究區域屬于天山-興蒙地槽系中的興安地槽東北段北帶邊緣的一部分，區內地貌形態屬于侵蝕、堆積與低緩丘陵地形的過渡地帶。地勢總體是南高北低，海拔標高在626～687 m，地貌屬沖積平原，地勢相對平緩，地表基本無建筑物、無河流等地表水體。該區域位于大雁煤田西區西部，向斜構造，構造形態為橢圓形盆地，受向斜構造影響，采場邊幫多為順傾邊坡，易發生邊坡問題，地層自下而上分別為泥盆系上統大民山組（D3d）、白堊系下統龍江組（K1l）、白堊系下統九峰山組（K1j）、白堊系下統甘河組（K1g）、白堊系下統大磨拐河組（K1d）、白堊系下統伊敏組（K1y）及第四系（Q），其中含煤地層為中生界白堊系下統伊敏組（K1ym）及大磨拐河組（K1d）地層。

9#煤層和10#煤層為該礦可采煤層，煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖。礦區地下水充沛且降雨較多，工程地質及水文地質條件較差，巖土物理力學指標低，屬于軟巖邊坡。其中第四系黏土層、9#煤層及10#煤層頂底板泥巖均存在潛在弱層。目前該礦正處于首采區向二采區轉向的過程中，自2021 年開始將面臨無外排土空間的局面，所有剝離物均需排棄至內排土場，因此需要對內排增高后邊坡穩定性進行研究，并對不穩定邊坡控制措施進行研究，內排土場地質模型如圖1。

圖1 內排土場工程地質模型

2 內排增高擴容穩定性及控制措施

2.1 內排增高擴容穩定性

自2021 年開始內排土場成為該礦主要排土空間，根據年度剝離量對該礦內排土場進行設計，將內排土場按平盤寬度65 m，平盤高度24 m，坡面角33°，整體邊坡角13°，從434 m 水平排棄至674 m水平可滿足2021 年排棄要求，同時隨著采煤及剝離的推進以及內排的跟進，2022 年以同樣的邊坡參數進行內排，亦可滿足2022 年排棄量的要求，2021年及2022 年內排增高擴容設計工程地質模型如圖2 及圖3。針對該礦的整體巖性條件及內排土場對該礦生產的重要程度，此次內排土場邊坡安全儲備系數選取為1.1[6]。2021 年及2022 年內排增高擴容設計邊坡驗算結果如圖4～圖9。

圖2 2021 年內排增高設計工程地質模型

圖3 2022 年內排增高設計工程地質模型

圖4 沿9#煤底板滑動邊坡（Fs=1.136）

圖5 沿10#煤底板滑動邊坡（Fs=1.156）

圖6 沿底板泥巖內部滑動邊坡（Fs=1.083）

圖7 沿9#煤底板滑動（Fs=1.109）

圖8 沿10#煤底板滑動（Fs=1.139）

圖9 沿底板泥巖內部滑動（Fs=1.087）

通過對內排增高擴容設計邊坡穩定性驗算可知，2021 年內排增高擴容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥巖內部滑動時，邊坡穩定性系數Fs 分別為1.136、1.156、1.083，2022 年內排增高擴容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數Fs 分別為1.109、1.139、1.087，其中2021年及2022 年內排增高擴容后沿9#煤底板及10#煤底板滑動的邊坡穩定性系數均大于安全儲備系數1.1 的要求，因此內排增高擴容后內排土場沿9#煤及10#煤底板滑動處于穩定狀態，但沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數均小于安全儲備系數，內排土場沿底板泥巖內部滑動處于不穩定狀態，由計算結果可知內排土場基底基巖巖性較差，巖土物理力學指標較低，在未采取加固手段的前提下直接進行增高擴容，內排土場有滑坡的風險。

2.2 內排增高擴容控制措施

由于2021 年及2022 年內排增高擴容設計邊坡沿底板泥巖內部滑動均達不到安全儲備系數要求，因此考慮在內排增高擴容過程中采用技術手段對內排土場進行優化以提高排土場邊坡的穩定性，使設計邊坡穩定性滿足安全儲備系數的要求。通過對內排土場增高擴容設計邊坡穩定性分析發現，2021 年及2022 年內排增高擴容設計邊坡均從內排土場坡腳處剪出，通過分析得出主要原因是下部原煤由于過度開采，對整體邊坡的支撐及壓腳配重作用不足，導致內排土場整體邊坡的下滑力大于下部原煤所提供的抗滑力，在坡腳處剪出變形，發生滑坡。因此在內排增高擴容過程中對下部原煤合理的留存可對整體邊坡起到支撐及配重壓腳作用，對內排土場增高擴容設計邊坡控制措施采用預留一定厚度的臨時底煤來提高內排土場邊坡的穩定性，并在內排跟進過程中采用煤巖置換的方式對內排土場下部原煤進行開采并迅速進行內排，在邊坡處于穩定的情況下將資源進行回收，以提高原煤回收率。

以9#煤底板標高為準，2021 年留臨時底煤方案如圖10，2021 年留臨時底煤邊坡穩定性（Fs=1.112）如圖11，2022 年留臨時底煤方案如圖12，2022 年留臨時底煤邊坡穩定性（Fs=1.125）如圖13。

圖10 2021 年留臨時底煤方案

圖11 2021 年留臨時底煤邊坡穩定性（Fs=1.112）

圖12 2022 年留臨時底煤方案

圖13 2022 年留臨時底煤邊坡穩定性（Fs=1.125）

由圖10 可知當2021 年預留8 m 厚臨時底煤，且內排土場最下部臺階從458 m 水平增高至470 m水平，其余內排臺階參數不變的情況下，此時沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數Fs=1.112，由圖11 可知2021 年內排增高設計邊坡穩定性系數滿足安全儲備系數的要求，邊坡處于穩定狀態；由圖12可知當2022 年預留10 m 厚臨時底煤，且內排土場最下部臺階從458 m 水平增高至470 m 水平，其余內排臺階參數不變的情況下，此時沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數Fs=1.125，由圖13 可知2022 年內排增高設計邊坡穩定性系數滿足安全儲備系數的要求，邊坡處于穩定狀態。

3 內排增高擴容穩定性防控措施

1）在后期內排增高擴容過程中，應在內排土場布置GNSS 自動化邊坡位移監測點或使用邊坡雷達實時監測內排土場整體變形情況[7]。

2）內排必須在有監測系統實時監測的情況下進行，排土過程中一旦內排土場出現變形加速征兆，立即停止底煤開采，并加快內排，保證邊坡穩定。

3）通過分析內排土場沿基底內部弱層滑動的邊坡穩定性系數較小，因此在后期內排增高過程中，應在內排土場下部布置地下位移監測系統，實時監測內排土場基底巖層移動情況。

4）雨水及地下水對排土場基底的浸泡會降低基底泥巖的巖土物理力學性質，對內排土場的穩定性產生極大影響，因此應在排土之前事先做好內排土場的防排水工作[8]。

4 結語

1）2021 年及2022 年內排增高擴容設計邊坡沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數小于安全儲備系數1.1 的要求，邊坡處于不穩定狀態，因此采用預留臨時底煤的方式以提高邊坡穩定性。

2）通過計算可知2021 年預留8 m 厚臨時底煤且內排土場最下部臺階從458 m 水平增高至470 m水平，其余臺階參數不變，此時沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數滿足安全儲備系數的要求，2021年內排增高設計邊坡處于穩定狀態；2022 年預留10 m 厚臨時底煤且內排土場最下部臺階從458 m 水平增高至470 m 水平，其余臺階參數不變，此時沿底板泥巖內部滑動的邊坡穩定性系數滿足安全儲備系數的要求，邊坡處于穩定狀態。

3）在后期內排跟進過程中采用煤巖置換的方式對內排土場下部原煤進行開采并迅速進行內排，使邊坡處于穩定的情況下將資源進行回收，以提高原煤回收率。