天池能源南露天礦西幫高陡軟巖邊坡治理方案

董蒙蒙，李 明

（1.新疆天池能源有限責任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100；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）

隨著露天煤礦生產規模的不斷擴大，開采深度的不斷增加，邊坡安全問題日漸凸顯，軟巖邊坡變形及滑坡災害頻繁發生，制約著露天煤礦的安全生產[1-6]，高陡軟巖邊坡變形破壞機制及治理成為露天煤礦亟待解決的關鍵問題[7-9]。目前軟巖邊坡研究主要集中在確定其破壞模式方面，喬蘭等[10]通過研究邊坡破壞模式與結構面賦存特征，提出了5 種邊坡破壞類型；鄧華鋒等[11]結合ADINA 和卸荷巖體力學理論與方法，驗證了卸荷巖體力學理論在邊坡開挖計算分析中的合理性；曹蘭柱等[12]基于勝利東二號露天煤礦南幫軟巖邊坡穩定性影響因素研究和監測數據分析，定量分析了軟巖邊坡的破壞模式；付宏淵等[13]研究了巖體軟化對軟巖邊坡穩定性的影響；何忠明等[14]通過模擬得出高陡軟巖邊坡開挖過程中與加固后的穩定性變化規律；李連崇等[15]分析了含順傾軟弱結構面邊坡的破壞模式，并進行了時效變形破壞的實例分析。為此，針對新疆天池能源有限責任公司南露天煤礦西幫高陡軟巖邊坡變形問題，采用有限元數值模擬方法研究邊坡變形破壞機理，運用極限平衡理論進行邊坡穩定性計算，提出“分區治理”思想，確定了“主體擴幫＋局部加固＋內排壓腳”的綜合治理方案，實現了露天煤礦的安全生產。

1 工程地質條件

1.1 礦區地質特征

南露天煤礦地處新疆準東煤田大井礦區西南部，帳篷溝背斜東翼南部，地層呈走向東北-東、傾向南東-南的單斜構造，傾角4°～15°。隨著采煤逐步降深，地質寫實和工程地質補充勘探工作揭示西幫邊坡520～430 m 水平煤層，底板傾角為30°～38°，局部傾角高達44°（原西幫設計邊坡角為28°），表現出淺部陡、深部緩的變化趨勢。西幫邊坡巖層自上而下依次為：侏羅系中-上統石樹溝群、侏羅系中統西山窯組；石樹溝群巖性以粉砂質泥巖、泥巖、泥質粉砂巖為主；西山窯組為本區含煤巖組，巖性主要為細砂巖、泥巖、煤、煤線、粉砂巖。煤層底板之上賦存1 層黏土質泥巖，力學性質較差；泥質粉砂巖具層狀構造、粉砂狀結構，膠結作用較弱，為西幫主要弱含水層，受其浸泡作用影響泥巖頂板接觸面相對較軟；成巖作用差的弱膠結泥質粉砂巖及受水浸泡的泥巖為西幫主要弱層。西幫巖體為泥砂巖交互層結構，弱層間距為2.5～10 m 不等，大部分間距4～6 m，且單一巖層內層理發育，地質條件更為復雜。受上述不利因素影響，2017—2019 年西幫520 m 水平下部邊坡多次出現片幫現象[16]。各地層巖土體物理力學指標見表1。

表1 巖土體物理力學指標

1.2 邊坡穩定性影響因素

露天煤礦邊坡穩定主要影響因素包括巖體結構、風化作用和侵蝕作用、力學因素、水因素、氣溫因素、構造作用和殘余應力、巖體結構面賦存物和地下水化學成分、擾動因素等。邊坡穩定性因素評價表見表2。因各礦區工程地質條件及開采情況不同，其對邊坡穩定性產生影響的機理、方式及程度也不同，通過西幫補充勘探，匯總及修正了原有基礎數據，分析各項影響因子權重，最終確定影響南露天煤礦西幫邊坡穩定性的主要因素為煤層底板的泥巖弱，且礦區有背斜構造，從而造成的西幫地層順傾。

表2 邊坡穩定性因素評價表

2 邊坡穩定性

2.1 邊坡變形破壞機理

破壞模式的確定是邊坡治理方案的前提，目前，典型的破壞模式有剝落、崩落、滑動、流動、沉降等幾種基本形態[17]。通過穩定性影響因素分析和現場實測，確定南露天煤礦破壞模式為滑動，為深入探究西幫特有滑動模式，利用有限元數值模擬軟件，模擬西幫邊坡變形破壞過程，西幫典型剖面模擬云圖如圖1～圖4。

圖1 西幫典型剖面計算模型圖

圖2 西幫典型剖面水平位移圖

圖3 西幫典型剖面豎直位移云圖

圖4 西幫典型剖面剪切變形云圖

通過數值模擬分析可知：西幫巖層與邊坡呈順傾，且煤層底板賦存若干層泥巖或砂質泥巖，力學強度指標相對較低，在水浸泡或人為活動干擾下易沿煤層底板泥巖滑動，在坡角處形成剪出。其滑動面是由沿軟弱層面的直線滑面和切層部分的圓弧面組成的復合滑面，即西幫邊坡的破壞模式主要為沿邊坡內部砂質泥巖或邊坡層理面的“上部坐落，順層滑移，底部剪出”滑動。

2.2 邊坡穩定性分區

西幫設計6 條邊坡勘探線，間距200 m，以勘探線為主要研究剖面，50 m 等分相鄰2 條勘探線。采用極限平衡法進行邊坡穩定系數的計算，同時考慮煤層底板泥巖、坡體內砂質泥巖等多種軟弱地質結構面對邊坡穩定性的影響，邊坡穩定性計算結果見表3。

由邊坡穩定計算結果可以看出，西幫最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩定系數逐步降低，由1.15逐漸降低至0.79。西幫XB2-2 剖面以北邊坡高度相對較小，穩定系數為1.15，穩定狀況較好，XB2-2 剖面以南邊坡穩定系數均在1.0 以下，處于失穩狀態，因此，若進行西幫原煤回收，需采取一定治理措施對西幫潛在失穩區域進行治理，以確保開采過程中的邊坡穩定和安全生產。邊坡穩定性分區如圖5。

表3 西幫邊坡穩定性計算結果匯總表

圖5 邊坡穩定性分區圖

3 西幫邊坡綜合治理方案

3.1 防治措施

滑坡防治工程措施大體分為3 類：①力學平衡；②疏干排水；③改變滑帶土的性質。根據南露天礦西幫邊坡工程地質條件和水文地質條件，邊坡主要控制結構面為泥砂巖互層中的砂質泥巖或巖層層理面，改變其力學性能難度極大；且西幫地下水賦存較少，疏干排水對提高邊坡穩定程度收效甚微，因此，采用改變邊坡力學平衡的方法對邊坡進行治理最為直接有效。改變邊坡力學平衡的措施主要有削坡減載（剝離施工）、工程加固（如錨索加固、抗滑樁等）、壓腳（預留煤柱、內排壓腳）。通過選取典型剖面，借助GEO-SLOPE 軟件計算得出單一的削幫減載、人工加固、壓腳方案均能解決西幫邊坡問題，其中僅削幫減載方案費用較低，其他方案施工費用或造成的煤炭損失極高。單一方案對比分析表見表4。

表4 單一方案對比分析表

3.2 安全系數的選取

上述方案邊坡安全系數均為1.0，邊坡處于臨滑狀態，為保障施工作業安全，治理方案實施過程中，應確保邊坡安全系數達到1.05 以上。通過計算，邊坡安全系數達到1.05 以上，削幫工程量將增至400萬m3，剝離費用為5 200 萬元。此外，隨著采煤逐步降深，產生局部高臺階，處于高位的片幫、垮塌等潛在危害程度急劇增高。因此，單純的削幫方案并不能滿足安全開采的需求，治理方案需進一步優化。由工程地質條件及穩定性分區研究可知，西幫地層傾角總體表現出淺部陡、深部緩的變化趨勢，最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩定系數逐步降低。

基于此，提出“分區治理”思想：①上部水平進行剝離減載，達到減重目的；②深部水平進行錨索加固，考慮西幫北側底板傾角較緩以及西幫南側受南幫側向約束，西幫北側及南側均布置淺孔錨索；③中部穩定性較差，布置深孔錨索。考慮西幫煤量大，且受底板泥巖及原煤自重影響，西幫煤臺階中部至北側沿底板出現裂縫，剝離及錨索加固期間，自東向西回收西幫煤炭資源，直至控制煤柱極限位置；自北向南回收控制煤柱，北幫內排及時跟進，來控制西幫邊坡臨空面寬度、高度及暴露時間。

3.3 治理方案優化

通過邊坡穩定性計算可知，上部水平擴幫后邊坡穩定系數提高至1.03～1.14（僅XB3-2、XB-4 剖面為0.99），深部水平進行錨索加固后邊坡穩定系數提高至1.05～1.12，內排壓腳后邊坡穩定系數介于1.20～1.46，均大于1.20。滿足安全儲備系數1.2～1.3 的要求。綜上所述，結合各治理方案優勢的“主體擴幫＋局部加固＋內排壓腳”的綜合治理方案比單一方案更為安全可靠。西幫邊坡治理后穩定性計算結果匯總表見表5。

表5 西幫邊坡治理后穩定性計算結果匯總表

4 結語

1）通過邊坡影響因素分析，確定煤層底板的泥巖弱層及因礦區背斜構造而造成的西幫地層順傾為南露天煤礦西幫邊坡穩定性主要影響因素。

2）通過南露天煤礦工程地質條件研究，結合數值模擬分析方法，確定西幫邊坡潛在破壞模式主要為沿邊坡內部砂質泥巖或邊坡層理面的“上部坐落，順層滑移，底部剪出”滑動。

3）邊坡穩定性分區研究表明西幫最終邊坡高度由北向南逐漸增大，穩定系數逐步降低。

4）基于南露天煤礦西幫工程地質條件、邊坡變形破壞模式及穩定性分區研究，對治理方案進行對比分析，提出“分區治理思想”，并最終確定“主體擴幫+局部加固+內排壓腳”的綜合治理方案。