撫順西露天礦北幫高陡邊坡綜合防治

李惠發(fā)，馮 萍，張 夙

（1.撫順礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113001；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(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122）

近年來，隨著露天煤礦開采工藝的不斷優(yōu)化、產(chǎn)量規(guī)模和開采深度的不斷增加，露天礦坑高陡邊坡穩(wěn)定性問題愈來愈突出。高陡邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1]。以撫順礦業(yè)集團有限責(zé)任公司西露天礦為例，從2014 年4 月至今，礦坑北幫共發(fā)生了3 次邊坡失穩(wěn)破壞。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，滑坡區(qū)域均處在斷層連續(xù)分布范圍內(nèi)。較為發(fā)育的斷層、成組的節(jié)理面及局部高陡的坡面為邊坡的失穩(wěn)破壞提供了較為不利的邊界條件。目前，西露天礦坑北幫己形成百米高陡邊坡，邊坡儲備系數(shù)不足，且油頁巖上覆綠泥巖層組極易風(fēng)化，若任由高陡邊坡長期裸露于空氣中，不及時采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧┻M(jìn)行治理，極易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，很可能對周邊工業(yè)和民用的設(shè)備、設(shè)施及人民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。基于此，以撫順西露天礦北幫高陡邊坡為研究對象，對礦坑北幫邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行深入的研究，為北幫高陡邊坡制定合理的邊坡防治措施。

1 礦山概況

撫順西露天礦坑位于撫順市區(qū)的南部、撫順煤田的西南部，礦坑?xùn)|西長約6.6 km，南北寬約2.2 km，礦坑面積10.865 8 km2，最大垂直深度達(dá)430 m。西露天礦坑于1914 年進(jìn)行露天開采，2019 年5月7 日停止煤炭開采轉(zhuǎn)為退煤閉坑綜合治理。

1.1 北幫地層結(jié)構(gòu)與巖土工程特征

從以往的地質(zhì)資料和現(xiàn)場踏勘成果來看，第四系松散層組合單元沿北幫頂部臺階連續(xù)出露，平均厚度17.5 m。綠色泥巖與褐色頁巖互層組合單元由于受構(gòu)造作用程度不同，后期地下水作用條件不同，導(dǎo)致該地區(qū)泥化夾層的泥化程度存在較大的差別。硬巖巖組由厚層狀油頁巖和煤層組成，巖石呈脆性。作為西露天礦坑的主要開采礦物之一，油頁巖上部為含油率較高的富礦，下部為含油率較低的貧礦，貧礦與煤層接觸處有1 層堅硬的細(xì)砂巖，穩(wěn)定性較差，有時在剖面上呈透鏡體狀或者過渡為灰質(zhì)頁巖。

1.2 北幫水文地質(zhì)條件

撫順西露天礦坑北幫的水文地質(zhì)條件情況總體表現(xiàn)為：滲透性良好的第四系沖積層覆蓋于滲透性較差的裂隙基巖上，形成一個較為復(fù)雜的含水系統(tǒng)。該含水系統(tǒng)邊界清晰，北面的渾河是其補給邊界，南部的礦坑北幫邊坡是其排泄邊界，此外還有大氣降水和工業(yè)民用廢水的入滲使得上述含水單元組合在一起，形成了一個立體的、水力聯(lián)系密切的地下含水系統(tǒng)[2]。北幫沖積層與渾河河床毗鄰，北幫與河床之間沖積層連續(xù)分布，基底以約2‰的坡度緩向礦坑，使渾河成為定水頭充水補給源。此外，北幫上部的企業(yè)和周圍居民也以明溝暗渠將部分工業(yè)、生活污水排入沖積層中。第四系沖積層孔隙潛水含水層受地表水系（主要為渾河）常年定水位補給，加上工業(yè)企業(yè)廢水及居民生活污水補給，水量豐富。第四系沖積層孔隙潛水沿基巖接觸面溢出，流入坑內(nèi)直接補給揭露的第三系構(gòu)造裂隙含水單元。白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元位于F1A、F1斷裂之間，受構(gòu)造應(yīng)力作用，巖層較為破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育。該單元以其頂部風(fēng)化裂隙接受第四系沖積層的入滲補給，富水性強。與此同時，由于F1A、F1斷裂中均存在構(gòu)造角礫破碎帶，在斷層泥厚度不大或泥物質(zhì)膠結(jié)、充填差的部位，即可產(chǎn)生白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元向第三系的越流補給。北幫基巖邊坡地下水總逕流方向自北向南，通過邊坡臨空面蒸發(fā)和排泄。

2 北幫邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是邊坡穩(wěn)定性分析的主要基礎(chǔ)資料，正確掌握巖石的強度特征是對邊坡穩(wěn)定性作出正確評價的前提條件。撫順東、西2 個露天礦早期曾進(jìn)行過大量的巖土體力學(xué)實驗，積累了大量較為可靠的基礎(chǔ)資料，利用這些數(shù)據(jù)與當(dāng)前北幫E1060 剖面及E1900 剖面滑坡反分析成果進(jìn)行對比，相互驗證，避免單純巖土體力學(xué)實驗的片面性和局限性[3]。

2.1 既往邊坡情況

自2014 年4 月起至今，西露天礦坑北幫共發(fā)生了3 次邊坡失穩(wěn)破壞。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，滑坡區(qū)域均在斷層連續(xù)分布范圍內(nèi)。較為發(fā)育的斷層、成組的節(jié)理面及局部高陡的坡面為邊坡的失穩(wěn)破壞提供了較為不利的邊界條件。

E800～E3000 區(qū)域地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造相對較復(fù)雜，斷層分布廣泛、產(chǎn)狀變化大，邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，同時結(jié)合礦坑北幫歷次滑坡工程實踐經(jīng)驗，該區(qū)域局部邊坡、整體邊坡均屬于滑坡易發(fā)區(qū)域，在退煤閉坑及綜合治理期內(nèi)應(yīng)重點關(guān)注邊坡安全問題，北幫東區(qū)滑坡情況統(tǒng)計表見表1。

表1 北幫東區(qū)滑坡情況統(tǒng)計表

2.2 現(xiàn)狀邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

巖土力學(xué)實驗是確定巖土力學(xué)參數(shù)的重要依據(jù)，但通常研究巖石的物理力學(xué)性質(zhì)時，沒有考慮包括層面、層理、節(jié)理及斷層等各種地質(zhì)界面對巖土體穩(wěn)定性的影響。而巖土體的穩(wěn)定性主要受這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)面所控制。因此，常規(guī)的巖土力學(xué)實驗結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映出巖土體實際力學(xué)狀態(tài)，因此需要進(jìn)行地質(zhì)條件的分析。

滑坡相當(dāng)于大型巖體的原位剪切試驗，如果對滑坡原因、滑坡幾何現(xiàn)狀等準(zhǔn)確掌握，那么，通過滑坡反分析得到的參數(shù)將是最可靠的。中煤科工集團沈陽研究院在對西露天礦坑邊坡作穩(wěn)定分析時，多次采用西露天礦坑邊坡滑坡實例進(jìn)行反分析，如老13 段站區(qū)的第3 次滑坡、E800 滑坡、人車卷滑坡和1994 年E1000 沉陷滑移等。本次研究工作，借助基于極限平衡法的G-SLOPE 邊坡穩(wěn)定性分析軟件對北幫E1060 和E1900 2 處滑坡綠色泥巖組抗剪強度進(jìn)行反算，得出綠色泥巖組黏聚力為76 kPa，內(nèi)摩擦角為26.8°，滑坡反分析成果如圖1。

圖1 滑坡反分析成果圖

綜合上述各種試驗所得結(jié)果及類比相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后推薦的本階段巖土體物理力學(xué)強度指標(biāo)推薦值見表2。

表2 本階段巖土體物理力學(xué)強度指標(biāo)推薦值

3 綜合防治措施

露天礦邊坡穩(wěn)定性分析是確定綜合治理防治措施的先決條件，根據(jù)邊坡安全儲備系數(shù)結(jié)合不同區(qū)域巖層賦存情況，有針對性的制定契合各區(qū)域地質(zhì)特征的綜合防治措施。

3.1 安全儲備系數(shù)

根據(jù)DZ/T 0218-2006“滑坡防治工程勘查規(guī)范”，并參考GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范，確定進(jìn)行滑坡穩(wěn)定狀態(tài)[4-5]。露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范邊坡穩(wěn)定性系數(shù)選取表見表3、滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分見表4。

表3 露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范邊坡穩(wěn)定性系數(shù)選取表

表4 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

依據(jù)露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范和當(dāng)前對西露天礦坑工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)等資料的掌握情況，結(jié)合我國其它露天礦類似的工程經(jīng)驗，確定治理設(shè)計邊坡穩(wěn)定性分析的安全儲備系數(shù)；治理設(shè)計整體邊坡安全儲備系數(shù)選取為1.25，局部邊坡安全儲備系數(shù)選取為1.15[6]。

3.2 邊坡穩(wěn)定性計算方法

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計算結(jié)果直接實用的特點。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，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學(xué)機理與適用條件均有所不同。隨著計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，又出現(xiàn)了一些求解步驟更為嚴(yán)格的方法，如Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[7]。

本次穩(wěn)定計算采用摩根斯坦－普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。該方法的特點是考慮了全部平衡條件與邊界條件，消除計算方法上的誤差[8]。

3.3 綜合防治方案

根據(jù)礦坑可燃物自然發(fā)火情況及、局部高陡臺階邊坡現(xiàn)狀及邊坡安全儲備系數(shù)，確定各區(qū)域相應(yīng)的治理措施，并選取典型剖面對治理設(shè)計方案邊坡穩(wěn)定性分析。

3.3.1 可燃物自然發(fā)火采取的治理措施

治理方案為徹底清除已發(fā)火及存在自燃傾向性可燃物及清除后進(jìn)行降溫、封閉，選取E1200 剖面、E2800 剖面作為典型剖面。

E1200 剖面可燃物清理區(qū)主要集中在N260～N490、-235～-330 m 水平裸露區(qū)域，最大自然發(fā)火厚度約為40 m，自然發(fā)火可燃物清除后采用回填壓腳措施，回填壓腳方案為清除可燃物后的坑底區(qū)域進(jìn)行回填壓腳措施。

E2800 剖面可燃物清理區(qū)域主要集中在N460～N540、-240～-280 m 水平，高臺階區(qū)域主要集中在N705～N780、-80～-112 m 水平；上部采取削坡降段措施，下部采取可燃物清理措施，裸露區(qū)域最大自然發(fā)火厚度約為40 m，自然發(fā)火可燃物清除后采用回填壓腳措施。

3.3.2 局部高陡臺階采取的治理措施

治理方案主要采取上部削坡減載治理方案，局部邊坡治理過程中有可能降低整體邊坡穩(wěn)定性，為避免局部邊坡失穩(wěn)誘發(fā)整體邊坡發(fā)生滑坡事故，在保證整體邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲備要求的前提下進(jìn)行局部邊坡治理方案設(shè)計，使得治理后的局部邊坡、整體邊坡均滿足安全儲備要求。選取E1600 剖面、E2400 剖面作為典型剖面。

E1600 剖面高臺階區(qū)域主要集中在N455～N680、-165～-345 m 水平，上部采取削坡降段措施、降段后段高為15 m。

E2400 剖面可燃物清理區(qū)域主要集中在N505～N575、-265～-300 m 水平，高臺階區(qū)域主要集中在N660～N755、-160～-210 m 水平；上部采取削坡降段措施、降段后段高為8～25 m，下部采取可燃物清理措施。

3.3.3 治理設(shè)計方案邊坡穩(wěn)定性分析

通過對可燃物清理及局部高臺階邊坡現(xiàn)狀、治理設(shè)計方案穩(wěn)定性計算，現(xiàn)狀及治理設(shè)計邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)狀及治理設(shè)計邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算統(tǒng)計成果可知：通過選取典型剖面，分別對可燃物清理方案和局部高陡臺階治理方案現(xiàn)狀邊坡及治理設(shè)計方案邊坡穩(wěn)定性計算，治理設(shè)計方案邊坡穩(wěn)定系數(shù)均能滿足整體邊坡安全儲備系數(shù)大于1.25、局部邊坡安全儲備系數(shù)大于1.15 的要求。

4 結(jié)語

依據(jù)對西露天礦坑北幫邊坡巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行調(diào)查研究的成果，以及對高陡邊坡局部失穩(wěn)破壞進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的成果，將礦坑局部高陡臺階進(jìn)行分區(qū)。以各區(qū)域地質(zhì)條件為主要依據(jù)結(jié)合邊坡安全儲備系數(shù)的要求，提出對可燃物自然發(fā)火區(qū)采取清除后進(jìn)行降溫封閉，對局部高陡邊坡采取削坡減載的綜合防治措施。為了保證綜合防治工程施工安全，可以對治理區(qū)域進(jìn)行邊坡雷達(dá)監(jiān)測和GNSS 監(jiān)測，實時掌握邊坡動態(tài)，實現(xiàn)滑坡預(yù)警，保證現(xiàn)場作業(yè)人員和作業(yè)設(shè)備的安全。