安太堡露天礦過蘆子溝背斜期末邊坡穩(wěn)定性分析及治理

薛萬海

（中煤平朔集團 安太堡露天礦，山西 朔州 036006）

為最大限度地減少開采成本，安太堡礦在背斜區(qū)11#煤底板開展試驗性排土。到2020 年底，11#煤越過背斜軸，內(nèi)排最下部形成1060 土場，內(nèi)排上部1420 土場已到界，內(nèi)排土場形成了垂直高度超過400 m 的邊坡。武懋等對安太堡礦背斜區(qū)排土和背斜區(qū)以西加高排棄方案進行了對比分析[1]。陳立云采用極限平衡法、理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式分析了內(nèi)排土場基底系統(tǒng)穩(wěn)定性及失穩(wěn)機制[2]。宋子嶺等學者基于剛體極限平衡法，分析了以受到蘆子溝背斜構(gòu)造影響的安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡在1 420 m 水平排棄標高下，平盤寬度分別為60、70、80 m 時以200 m 為步距向東推進到不同工程位置的邊坡穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性隨平盤寬度的增加呈近線性增加，隨工程位置的東移呈現(xiàn)出先減小再增大之后趨于穩(wěn)定的規(guī)律；排棄標高為1 420 m 水平時，內(nèi)排土場能安全通過背斜區(qū)域的平盤寬度為80 m；使用FLAC3D進行數(shù)值模擬，確定了內(nèi)排土場邊坡的滑坡模式為以危險圓弧為側(cè)界面、以基底為底界面的切層-順層滑動，背斜構(gòu)造導致的傾斜基底是邊坡穩(wěn)定性的控制因素[3]。宮春剛等運用極限平衡法研究分析了內(nèi)排土場在不同形態(tài)下的穩(wěn)定性，建議在實際生產(chǎn)中保證到界平盤寬度，基本穩(wěn)定狀態(tài)的臺階不應(yīng)繼續(xù)向前推進，對排土場基地進行特殊處理[4]。由于安太堡礦背斜區(qū)排土為順傾排土，為了確保過背斜期末排土工程的安全生產(chǎn)，必須對內(nèi)排邊坡進行穩(wěn)定性分析，對存在的邊坡安全風險進行有效防控。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地層及地質(zhì)構(gòu)造

該礦田位于山西寧武煤田北部，以寧武向斜為主，伴生褶曲。礦區(qū)內(nèi)主要有寧武向斜、蘆子溝背斜及白家辛窯向斜[5]。礦田地層由老到新有：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組（Q2m），石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）和上統(tǒng)太原組（C3t），二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上統(tǒng)上石盒子組（P2s），第三系上新統(tǒng)保德組（N2b），第四系下～中更新統(tǒng)午城組、離石組（Q1w+2L）、上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3m）、全新統(tǒng)（Q4）。

1.2 含煤性

1）山西組。含煤3 層，分別為1#、2#、3#煤。零星分布，極不穩(wěn)定，無經(jīng)濟價值。本組地層厚38.00～79.00 m，一般為66.18 m，煤層薄，含煤系數(shù)1%，含煤性極差。

2）太原組。為本區(qū)的主要含煤地層，4#、9#、11#為主要可采煤層，本組地層平均厚107.89 m，煤層平均總厚32.11 m，4（4-1）～9#煤層間距平均為52.52 m。9#～11#煤層間距平均為11.13 m。

1.3 可采煤層

1）4（4-1）號煤層。全區(qū)賦存，為本區(qū)主要可采煤層之一，位于太原組頂部，煤層平均厚16.3 m，頂板多為粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，有時為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉細砂巖，底板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及細粒砂巖。

2）9#煤層。煤厚平均15.6 m。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，其頂板多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及泥巖，底板以砂質(zhì)泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖或砂巖。

3）11#煤層。平均煤層厚度5.43 m。頂板多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板多為砂質(zhì)泥巖，有時為泥巖或細粒砂巖，局部煤類為氣煤，屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 分析方法

極限平衡法是當前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其計算結(jié)果較實用。極限平衡分析方法的穩(wěn)定系數(shù)是一個反映邊坡穩(wěn)定程度的定量參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)計邊坡是否經(jīng)濟與安全。《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》6.0.8 條明確規(guī)定了邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs的選用范圍。內(nèi)排土場邊坡服務(wù)年限10 年以內(nèi)，安全系數(shù)大于1.2，服務(wù)年限10 年及以上，安全系數(shù)大于1.3[6]。

根據(jù)目前對安太堡露天礦研究區(qū)域資料的掌握情況，本次穩(wěn)定計算安全儲備系數(shù)的選取充分考慮內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定的時效性，對于排土場邊坡，選取邊坡安全儲備系數(shù)為1.20（<10 年）進行計算。認為Fs>1.2 時邊坡穩(wěn)定，1.1

在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計算方法，如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學機理與適用條件均有所不同。通過對比分析，畢肖普法適用于圓弧滑動模式，本次采用畢肖普法對安太堡露天礦內(nèi)排土場進行邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分析評價，對邊坡進行了穩(wěn)定性預(yù)測[7-9]。

2.2 巖土體物理力學強度指標和剖面

1）巖體物理力學指標。對已有巖土物理力學性質(zhì)指標進行綜合分析，得到的安太堡露天礦土場邊坡穩(wěn)定性計算與分析將采用的巖土體物理力學指標見表1。

表1 巖體物理力學性質(zhì)指標

2）剖面的選取。基于邊坡穩(wěn)定分析剖面的選取原則及工作任務(wù)要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，針對安太堡露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進行了現(xiàn)狀分析，在安太堡露天礦內(nèi)排土場布置4 個研究剖面，有針對性的開展現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性評價及預(yù)測，剖面名稱為NP-1、NP-2、NP-3、NP-4。剖面起點和終點坐標見表2。

3.分階段建設(shè)：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)運營化、營銷智能化。大數(shù)據(jù)精準營銷平臺的核心不是IT，而是大數(shù)據(jù)（DT）與精準營銷，是處理多元數(shù)據(jù)、實時在線的系統(tǒng)，是包含客戶畫像、在線的客戶行為分析、個性化推薦系統(tǒng)、實時搜索、標簽管理的系統(tǒng)。分階段建設(shè)的第一步是業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化。從找客戶，跟進客戶，提供服務(wù)，到客戶的評價反饋，全量數(shù)據(jù)采集完成業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化。第二步是數(shù)據(jù)的運營化。用分析后的數(shù)據(jù)指導業(yè)務(wù)實踐，產(chǎn)生收益。第三步是營銷的智能化。通過優(yōu)化營銷與管理，并完成數(shù)字化管理、智能化執(zhí)行。騰訊智慧4S店解決方案同樣提出了數(shù)字化工具的利用、數(shù)據(jù)閉環(huán)的聯(lián)通、銷售關(guān)系的重塑三階段方法論。

表2 研究剖面基本參數(shù)

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

邊坡穩(wěn)定計算方法采用畢肖普法。內(nèi)排土場各典型剖面邊坡穩(wěn)定評價結(jié)果見表3。

表3 邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

1）NP-1 剖面邊坡穩(wěn)定性。NP-1 剖面現(xiàn)狀整體邊坡角為14.5°，1 120～1 230 m 水平平盤（位置1）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.27，穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定；1 120～1 150 m 水平平盤（位置2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.09，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0 小于1.1，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險；1 270～1 300 m 水平平盤（位置3）整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.19，穩(wěn)定系數(shù)大于1.1 小于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定。NP-1 剖面位置1 極限平衡分析結(jié)果如圖1。

圖1 NP-1 剖面位置1 極限平衡分析結(jié)果

2）NP-2 剖面邊坡穩(wěn)定性。NP-2 剖面現(xiàn)狀整體邊坡角為15.3°，1 230～1 330 m 水平平盤（位置1）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.26，穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定；1 230～1 260 m 水平平盤（位置2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.16，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0 小于1.1，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定；1 270～1 330 m 水平平盤（位置3）整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.09，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0 小于1.1，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險。NP-2 剖面位置1 極限平衡分析結(jié)果如圖2。

圖2 NP-2 剖面位置1 極限平衡分析結(jié)果

3）NP-3 剖面邊坡穩(wěn)定性。Np-3 剖面現(xiàn)狀整體邊坡角為16°，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.24；1 250～1 300 m 水平平盤（位置1）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.14，穩(wěn)定系數(shù)大于1.1 小于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定；1 185～1 250 m 水平平盤（位置2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.06，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0 小于1.1，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險；1 185～1 300 m 水平平盤（整體）整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.14，穩(wěn)定系數(shù)大于大于1.1小于1.2，邊坡狀態(tài)為基本穩(wěn)定。對照2021 年生產(chǎn)計劃平面圖，1 135～1 300 m 水平干道和1 155～1 200 m 水平斜坡道交叉口內(nèi)側(cè)坡面存在局部片幫的可能，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險，以上位置需要引起重視。NP-3 研究剖面整體位置極限平衡分析結(jié)果如圖3。

圖3 NP-3 研究剖面整體位置極限平衡分析結(jié)果

4）NP-4 剖面邊坡穩(wěn)定性。NP-4 剖面現(xiàn)狀整體邊坡角為14°，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.23；1 210～1 250 m 水平平盤（位置1）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.18，穩(wěn)定系數(shù)大于1.1 小于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為基本穩(wěn)定；1 150～1 190 m 水平平盤（位置2）邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，穩(wěn)定系數(shù)大于1.0 小于1.1，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險；1 150～1 280 m 水平平盤（整體）整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.223，穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定。對照2021 年月生產(chǎn)計劃平面圖，1 135～1 300 m 水平干道內(nèi)側(cè)坡面邊坡穩(wěn)定狀態(tài)基本穩(wěn)定，1 155～1 200 m 水平斜坡道內(nèi)側(cè)坡面存在局部片幫的可能，邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為存在一定風險，以上位置需要引起重視。NP-4 研究剖面整體位置極限平衡分析結(jié)果如圖4。

圖4 NP-4 研究剖面整體位置極限平衡分析結(jié)果

3 邊坡監(jiān)測和邊坡安全措施

3.1 背斜區(qū)內(nèi)排邊坡監(jiān)測情況

從邊坡安全管理來看，邊坡位移速率應(yīng)在2 mm/d左右。當邊坡位移速率接近4.67 mm/d 時，需要分析導致邊坡位移加速的原因，及時采取相應(yīng)的整治措施[10]。為確保排土環(huán)節(jié)安全生產(chǎn)，地測部門在背斜區(qū)建立了邊坡監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并定期采集數(shù)據(jù)進行分析，到2021 年1 月，背斜區(qū)內(nèi)排邊坡監(jiān)測點位移速率的允許值都在2 mm/d 以下，說明背斜區(qū)邊坡整體穩(wěn)定情況較好。

3.2 邊坡安全措施

1）安太堡露天礦內(nèi)排邊坡整體處于穩(wěn)定，主要問題局部臺階處于基本穩(wěn)定，現(xiàn)場出現(xiàn)沉降裂縫，需及時布設(shè)警示標志，同時利用邊坡雷達和邊坡監(jiān)測網(wǎng)加強監(jiān)測，現(xiàn)場管理技術(shù)人員、作業(yè)人員和安監(jiān)人員加強邊坡巡查，發(fā)現(xiàn)異常及時上報處理。

2）背斜區(qū)內(nèi)排土時，采取破11#煤層底板、留11#煤柱、兩側(cè)端幫壓幫排棄、中間橋反向排棄及減緩邊坡角等措施[11]，同時盡快在11#煤已過背斜且已采完區(qū)域修筑1 060 m 水平和1 090 m 水平等新排土場，起到邊坡壓腳作用。

3）排土場嚴格按照設(shè)計方案進行排土，加強邊坡巡視工作，發(fā)現(xiàn)問題及時上報。

4）嚴格限制外包車輛在內(nèi)排土場高段排土臺階下部集中停放，應(yīng)安排專人對內(nèi)排土場下部作業(yè)設(shè)備或人員密集且存在邊坡安全隱患的區(qū)域進行專門巡視，做好巡查記錄。

5）加強南部采掘力度，提前釋放南部內(nèi)排土場，南部縮界區(qū)土場及時跟進，逐步將南幫端幫道路與內(nèi)排土場道路的搭接，從而增大內(nèi)排土場阻擋力度，保證土場邊坡的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

安太堡露天礦在背斜區(qū)試驗性排土實踐表明，在煤層傾斜約8°～12°且排土場地基沒有弱層的情況下，為確保內(nèi)排邊坡在背斜區(qū)順傾情況下的穩(wěn)定，同時最大限度降低剝離物料的運距和高差，安太堡露天礦采取破最下部11#煤層底板、間隔留煤柱、反向排土、邊坡壓腳等有效阻滑措施，在背斜區(qū)進行控制排土，建立內(nèi)排折返運輸系統(tǒng)，對土場邊坡基本穩(wěn)定區(qū)進行穩(wěn)定性分析，并加強現(xiàn)場巡查和變形監(jiān)測，從而確保背斜區(qū)采運排環(huán)節(jié)均衡有序發(fā)展，可進一步降低礦山運輸成本，提高設(shè)備效率。