伊敏露天礦內排土場邊坡災變機理研究

劉建國，王興濤，司國斌

（華能伊敏煤電有限責任公司 伊敏露天礦，內蒙古 呼倫貝爾021134）

露天礦滑坡為露天開采的主要災害之一，同時也是重大危險源。露天開采過程中邊坡角度與資源回采率正相關，但邊坡角度卻與安全性反相關，也就是邊坡角度越大，資源回采率越高，但相應的安全性越低。如何在保證安全性的基礎上提高資源回采率，是露天開采的研究重點。對露天礦滑坡機理的研究能夠分析出不同地質構造的邊坡的滑坡模式，從而確定出最合理的邊坡角度和相應的邊坡檢測機制以及相應的防滑坡措施[1-3]。2020 年4 月30 日寶日希勒露天礦對滑坡的成功預測就是在充分研究邊坡災變機理與滑坡模式的基礎上實現的，提前1.5 h成功預測滑坡時間和區域，是排土場在變研究的典型成功案例。因此，伊敏露天礦及時開展了災變機理研究工作。

邊坡災變機理的研究首先需要對邊坡的穩定性進行分析計算，目前邊坡穩定性分析方法大致有4種，分別為極限平衡法、工程地質分析法、數值分析法和現代數學分析法[4]。其中極限平衡法是目前為止最常用且較為簡便的邊坡穩定性計算方法，極限平衡法可以計算很多不規則滑面方法，其中最普遍的條分極限平衡法可以將邊坡劃分成條帶然后確定出不同形狀的圓弧滑面[5-8]。現如今隨著計算機技術的發展，基于有限元、顆粒流等各種數值分析法都可以通過現代計算機技術的迅猛發展得以實現，這些現代計算方法可以模擬出巖體內部的物理力學性質，可以更精確的計算出邊坡的穩定系數。1995 年黃潤秋、許強[9]將FLAC3D軟件應用于邊坡的模擬計算，以某水電工程的邊坡為例，分析了邊坡的穩定性并進行模擬加固；張利潔[10]等學者運用有限差分法對某水電站邊坡進行了三維彈塑性數值模擬，計算了極限承載力，分析了邊坡的穩定性。工程地質分析法是通過對實際生產現場的勘探并結合相關地質資料，確定露天礦的工程地質條件以及當地水溫、氣候對邊坡的影響，然后分析出影響邊坡穩定性的主要因素。

1 伊敏露天礦地質條件

伊敏露天礦地貌為平緩的草原，并且周圍有季節性河流。含水層有煤系孔隙裂隙含水層和第四系沖積孔隙含水層，含水量大。第四系的亞黏土和黏土隔水層呈不連續分布，而且隔水性較差，但在小范圍內是比較好的隔水層。地表出露為砂土，下伏巖土體類型為軟質巖類。伊敏露天礦主采15 煤和16煤，煤層埋藏較淺，厚度較大，賦存較為穩定，適合采用露天開采方式進行資源開采。伊敏露天礦在開采過程中形成多個煤巖混合邊坡，而且在不同地層之間存在富水弱層。隨著每年雨季的大量降水，地表水不斷排入，導致巖石的物理力學性質下降，邊坡強度降低，弱層演化復雜，容易存在滑坡隱患。煤層東高西低，傾角局部較大，內排土場基底傾斜，而且底板易出水。

2 內排土場地下水滲流模擬

2.1 現狀內排地下水滲流模擬

伊敏露天礦NP-1605 SEEP/W 分析模型如圖1。將排土場巖性分為上部排棄物料和下部未動地層。對排棄物料采用非飽和流分析方法，對未動地層采用飽和流分析方法。先將滲流分析模型的基底標高設為500 m。根據現場鉆孔和踏勘，確定了兩側邊界水頭的標高。確定標高左側135 m，右側65 m，根據勘察結果將現場的實際出水點位置設為模型中的可能出水位置。典型剖面地下水總水頭計算結果如圖2,典型剖面地下水壓力計算結果圖3。

圖1 伊敏露天礦NP-1605 SEEP/W 分析模型Fig.1 SEEP/W analysis model of NP-1605

由于隔水性較差，所以第三系砂礫巖層和16 煤地下水滲流主要發生位置。根據分析可知，16 煤內部分布有靜水壓力為0 的水位線。地下水滲流對邊坡和各個排土平盤的的影響均可忽略不計。東幫+620 m 水平以上的排土平盤距離0 水位線距離較大，所以地下水對內排基底的影響不是很大。

圖2 典型剖面地下水總水頭計算結果Fig.2 Calculation result of total head of groundwater in typical section

圖3 典型剖面地下水壓力計算結果Fig.3 Calculation result of groundwater pressure in typical section

雖然東幫內排土場邊坡較為穩定，但隨著6—9月季節性降水的到來，應重點在雨季加強整個內排土場下部的抽水工作。當地表水的補給速度大于巖土體中水的滲流排泄速度時，將會導致巖石的抗剪強度降低，使巖石承載力下降，造成邊坡穩定性下降，導致安全隱患。特別是東幫基底為順傾，當底板水過多時，容易形成滑面。為了保證內排土場邊坡的穩定性，應根據現場實際情況設立邊坡監測點加強邊坡檢測。

2.2 設計內排地下水滲流模擬

基于典型地質剖面建立的伊敏露天礦典型剖面SEEP/W 分析模型。將排土場巖性分為上部排棄物料和下部未動地層。對排棄物料采用非飽和流分析方法，對未動地層采用飽和流分析方法。按照與現狀地下水相同的研究方法，將右側邊界水頭標高分別設定為150 m 和135 m，左側邊界水頭標高設定為出水點位置實際標高45 m，將現場的實際出水點位置設為模型中的可能出水位置。

模擬工況分為3 種：①考慮現狀內排土場地下水條件：東幫水位標高為＋635 m（現狀地下水位）＋坡腳水位標高545 m；②考慮東幫地下水位恢復到原始標高：東幫水位標高為＋650 m（原始地下水位）＋坡腳水位標高545 m；③考慮東幫地下水側向補給給排棄物料：排棄物料內部滲流。

根據分析結果，在東幫內排場下部，地下水位現狀標高635 m 和原始地下水位標高650 m 2 種情況的地下水總水頭和地下水的流動方式都發生了很大的變化。當東幫內排土場的地下水水位達到原始水位時，排土場坡腳處巖土體內部應力明顯減弱。這種情況將導致巖土體內部軟化，承載力下降，進而導致邊坡穩定性下降。通過模型分析模擬內排土場下部的地下水的流動軌跡，地下水仍在16 煤底板下部，沒有浸入到排土場物料中。導致這種情況的可能因素大致為：①內排初期下部排棄物料多為泥巖，而泥巖具有較好的隔水性，且垂向和側向滲透系數較小；②16 煤滲透系數較大，有利于地下水的下滲。總體來看就是上部物料不易滲水，而下部巖層易于滲水，所以水沿易于滲出的方向形成水路。根據模型的分析計算，現有內排邊坡穩定性良好，按照現有疏干排水方式，保證16 煤底板的地下水水位在16煤底板1 m 之下即可。因此，根據模擬結果，建議保持采場底部現有疏干效果，標準是保證16 煤底部水位標高不超過16 煤底板標高1 m，既能保證東幫地下水不會大量入滲到排棄物料內部。

3 內排邊坡防治措施

1）加強邊坡穩定性研究工作。通過工程勘查等手段，以及日常監測數據統計分析，完善邊坡災變機理研究基礎數據，逐漸形成適用于生產實際的災變機理預警機制，逐漸從數字化向智能化前進。

2）完善地下水防治措施。根據上述邊坡滲水來源分析，對第四系水層采取抽水疏干方法，降低地下水位。對第三系水層采取超前疏干等排水方法，集中抽排。同時，在現有疏干系統、超降系統基礎上，逐步完善明溝暗道、水平疏干，多措施、多渠道使地下水位有效降深，保證排土場基地的安全穩定。

3）優化地表水壩等減少采場匯水面積。充分利用采場擋水壩、排土場反坡擋墻等減少采場匯水面積，將地表水堵截在采場外。與此同時，利用采場低洼處的集水匯水作用，修建加水站既分級排水泵站，降低煤層底板抽排壓力。

4 結 語

通過分析伊敏露天礦的地質條件，確定了內排土場地下水的滲流方式。并基于典型地質剖面建立SEEP/W 滲流分析模型對內排土場地下水滲流進行模擬。分別對現狀內排和設計內排進行模擬，得到現狀內排較為穩定，但雨季仍有滑坡風險的結論。并提出了相應的內排邊坡防治措施。