安太堡露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

袁 遠(yuǎn)，郭夏飛

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006；2.煤炭科學(xué)技術(shù)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013）

露天開采是我國(guó)煤炭開采的重要方式之一，而露天開采的誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題也逐步凸顯，如何防止滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生成為重要的研究課題[1-2]。隨著露天開采技術(shù)和時(shí)效邊坡理論的發(fā)展，露天煤礦正朝著安全高效的方向發(fā)展，資源回收率越來越高，同時(shí)剝離物的長(zhǎng)期堆積形成了許多高臺(tái)階排土場(chǎng)。排土場(chǎng)是露天礦重要生產(chǎn)場(chǎng)地之一，大量剝離松散物流堆積，易誘發(fā)大量地質(zhì)災(zāi)害問題。

黑岱溝露天礦陰灣排土場(chǎng)，在基底長(zhǎng)期水浸影響，形成軟弱層，在排土增高作用西下，陰灣排土場(chǎng)西幫發(fā)生了大變形[3]。以大孤山鐵礦粉質(zhì)黏土基底排土場(chǎng)為研究背景，王玉凱，孫書偉等[4]采用底摩擦試驗(yàn)方法，研究軟弱基底排土場(chǎng)的卸荷變形機(jī)制，研究表明飽和基底排土場(chǎng)穩(wěn)定性明顯低于天然基底排土場(chǎng)，天然基底排土場(chǎng)變形破壞形態(tài)呈現(xiàn)滑塌→牽引→推移態(tài)勢(shì)，形成了張拉裂隙為均勻水平變形產(chǎn)生，飽和基底排土場(chǎng)卸荷變形模式主要受軟弱基底控制，不均勻卸荷沉降產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)裂隙。軟弱傾斜基底研究以蒙東西二露天礦排土場(chǎng)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(shù)值模擬方法，研究了基底傾斜條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分析了軟弱傾斜復(fù)合基底排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)機(jī)理。排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響著作業(yè)人員及施工設(shè)備安全。研究露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析及控制措施[6-8]對(duì)保障安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程地質(zhì)概況

安太堡露天礦位于平朔礦區(qū)中部，東側(cè)為東露天礦田，南與二號(hào)井田和安家?guī)X露天礦田毗鄰，北為安太堡三號(hào)井田，西接雙碾合作區(qū)井田、井東井田和潘家窯合作區(qū)井田，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°19′03″～112°24′17″、北緯39°30′29″～39°35′26″，隸屬朔州市平魯區(qū)。安太堡露天礦向東推進(jìn)過程中遇到蘆子溝背斜，背斜區(qū)寬1.2 km，走向?yàn)镾E-NW 方向，受背斜影響，礦坑由近水平煤層變?yōu)閮A斜煤層，煤層平均傾角達(dá)到8°～12°（14%～21%），局部最大傾角為22°（40%），背斜區(qū)地表和基巖下降50～100 m，煤層下降更為劇烈，最深下降達(dá)270 m，11#煤底板標(biāo)高達(dá)到1 050 m 水平左右。受蘆子溝背斜構(gòu)造影響，南端幫邊坡巖層層理面與幫坡面由逆傾狀態(tài)（巖層層理面與水平面夾角約為8°～12°）變?yōu)轫槂A狀態(tài)（巖層層理面與水平面夾角約為4°～12°），極不利于內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定，對(duì)露天礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

按照安太堡露天礦的實(shí)際生產(chǎn)位置和生產(chǎn)規(guī)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(nèi)排空間嚴(yán)重不足、內(nèi)排運(yùn)距超出卡車合理運(yùn)距等問題已經(jīng)制約了安太堡露天礦的正常生產(chǎn)。目前，安太堡露天礦剝離物在背斜翼部區(qū)域進(jìn)行排土作業(yè)，形成了順傾基底上部排土作業(yè)；為有效解決內(nèi)排運(yùn)距及物料排棄高差，通過加高內(nèi)排解決排土空間不足的問題。因此，過背斜期間內(nèi)排土場(chǎng)高邊坡穩(wěn)定問題也是安太堡露天礦面臨的邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵問題之一。

2 安太堡內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變形及研究剖面選取

2020 年5 月安太堡露天礦內(nèi)排土場(chǎng)運(yùn)輸?shù)缆沸纬桑谀喜繀^(qū)域形成高段排土邊坡，在坡腳設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5 月上旬監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示邊坡出現(xiàn)變形。邊坡監(jiān)測(cè)位移方向?yàn)楸睎|東方向。在5 月時(shí)在排土場(chǎng)變形區(qū)域下部進(jìn)行9#煤開采作業(yè)，該區(qū)域?yàn)楸承眱A角最陡區(qū)域，局部最大傾角22°。排土場(chǎng)位于順傾基底上部，存在順層滑動(dòng)的可能，且下部爆破及采動(dòng)影響，不利于排土邊坡穩(wěn)定，形成區(qū)域滑坡。

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料及邊坡現(xiàn)狀資料，在內(nèi)排土場(chǎng)變形區(qū)域選取了3 個(gè)剖面模型，分析邊坡穩(wěn)定性及控制措施，剖面位置如圖1。在此基礎(chǔ)上展開內(nèi)排土場(chǎng)多臺(tái)階和單臺(tái)階變形失穩(wěn)差異研究及邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，工程地質(zhì)模型如圖2。

圖1 剖面位置圖

圖2 工程地質(zhì)模型

對(duì)工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查取得的巖土樣進(jìn)行巖土的物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，得到巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，然后通過強(qiáng)度折減最終獲得能夠用于本研究的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。巖土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值見表1。

表1 安太堡礦巖土物理力學(xué)性質(zhì)推薦值

3 邊坡破壞機(jī)理

3.1 內(nèi)排土場(chǎng)現(xiàn)狀邊坡破壞機(jī)理分析

3 個(gè)剖面位置從北向南布置，NP-2005-XZ-01剖面位于1190 平臺(tái)的北側(cè)區(qū)域位置，變形區(qū)域坡頂最大范圍50.5 m，影響區(qū)域?yàn)閱闻_(tái)階范圍；NP-2005-XZ-03 剖面位于1165 平臺(tái)最北側(cè)區(qū)域，變形范圍為1 個(gè)大變形區(qū)域，1165 平臺(tái)與1 165～1 190 m 水平之間聯(lián)絡(luò)道形成整體滑動(dòng)區(qū)域，整體影響區(qū)域?yàn)?3.53 m；NP-2006-YC-02 剖面，位于1165 南部區(qū)域，該區(qū)域形成2 個(gè)大變形區(qū)域，1 165～1 190 m 水平之間聯(lián)絡(luò)道和礦區(qū)主干道形成局部臺(tái)階的變形區(qū)域，1 165～1 190 m 水平之間影響區(qū)域約為53.3 m，主干道變形區(qū)域34 m。現(xiàn)狀邊坡破壞規(guī)律如圖3。

圖3 現(xiàn)狀邊坡破壞規(guī)律圖

3.2 內(nèi)排土場(chǎng)在1 150 m 水平壓腳變形分析

從南側(cè)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(tái)的北側(cè)區(qū)域位置，變形區(qū)域從坡頂50.5 m 減少至32.5 m，影響區(qū)域?yàn)閱闻_(tái)階范圍；NP-2005-XZ-03剖面位于1165 平臺(tái)最北側(cè)區(qū)域，壓腳至1 150 m 水平后，變形范圍為由1 個(gè)大變形區(qū)域變形為局部3個(gè)變形區(qū)域，其中1 165～1 190 m 水平之間聯(lián)絡(luò)道和新排土臺(tái)階變形量最大區(qū)域。NP-2006-YC-02 剖面（位于1 165 m 水平南部區(qū)域），壓腳后該區(qū)域形成2 個(gè)變形區(qū)域，1150 平盤和礦區(qū)主干道形成局部臺(tái)階的變形區(qū)域，1150 平盤變形范圍為34.7 m，（現(xiàn)狀邊坡中1 165～1 190 m 水平之間影響區(qū)域約為53.3 m），主干道變形區(qū)域由34 m 減至24.6 m。壓腳后邊坡破壞規(guī)律如圖4。

圖4 邊坡壓腳后破壞規(guī)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(qū)域減小了平盤的變形范圍，也改變了1165 平盤變形趨勢(shì)，同時(shí)，新形成的1 150 平盤同樣存在新的變形區(qū)域。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)南部區(qū)域高段排土邊坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，確定該區(qū)域滑動(dòng)方向?yàn)楸睎|東方向，排土場(chǎng)在南部區(qū)域標(biāo)高為1 390 m，縮界區(qū)域排土標(biāo)高標(biāo)高為1 210 m，坑底標(biāo)高1 063 m；排土場(chǎng)上部荷載作用在西南方向，西側(cè)排土較南側(cè)高。排土場(chǎng)荷載作用方向與邊坡變形方向一致。同時(shí)，坡腳開采卸載，是排土場(chǎng)變形的另一誘素。

2）通過3 個(gè)剖面位置從北向南布置，NP-2005-XZ-01 剖面在高陡單臺(tái)階坡頂形成50.5 m 變形區(qū)域；NP-2005-XZ-03 剖面在坡底1 165～1 190 m 水平聯(lián)絡(luò)道之間，形成整體變形水平影響區(qū)域?yàn)?3.53 m；NP-2006-YC-02 剖面形成2 個(gè)大變形區(qū)域，1 165～1 190 m 水平聯(lián)絡(luò)道約53.3 m，排土場(chǎng)主干道高陡臺(tái)階變形區(qū)域約34 m。邊坡現(xiàn)場(chǎng)變形區(qū)域與破壞機(jī)理分析區(qū)域相一致，因此，該區(qū)域主要為單臺(tái)階或多臺(tái)階沿排棄物料內(nèi)部的滑動(dòng)變形。

3）通過研究壓腳1 150 m 水平方案的變形破壞機(jī)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(gè)大變形區(qū)域變形為局部3 個(gè)變形區(qū)域。NP-2006-YC-02 剖面壓腳后該區(qū)域形成2 個(gè)變形區(qū)域，1150平盤變形范圍為34.7 m，而現(xiàn)狀邊坡中1 165～1 190 m水平影響區(qū)域約為53.3 m，主干道變形區(qū)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(qū)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(shì)，同時(shí)，壓腳新形成的1 150 m 水平平盤存在新的變形區(qū)域。因此，壓腳可以有效減小邊坡變形，提高邊坡穩(wěn)定性。