安太堡露天礦過蘆子溝背斜期末邊坡穩定性分析及治理

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11#煤底板開展試驗性排土。到2020 年底，11#煤越過背斜軸，內排最下部形成1060 土場，內排上部1420 土場已到界，內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排土和背斜區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、理論分析與數值模擬相結合的方式分析了內排土場基底系統穩定性及失穩機制[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造影響的安太堡露天礦內排土場邊坡在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定性，其穩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出先減小再增大之后趨于穩定的規律；排棄標高為1 420 m 水平時，內排土場能安全通過背斜區域的平盤寬度為80 m；使用FLAC3D進行數值模擬，確定了內排土場邊坡的滑坡模式為以危險圓弧為側界面、以基底為底界面的切層-順層滑動，背斜構造導致的傾斜基底是邊坡穩定性的控制因素[3]。宮春剛等運用極限平衡法研究分析了內排土場在不同形態下的穩定性，建議在實際生產中保證到界平盤寬度，基本穩定狀態的臺階不應繼續向前推進，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，必須對內排邊坡進行穩定性分析，對存在的邊坡安全風險進行有效防控。

1 區域地質特征

1.1 地層及地質構造

該礦田位于山西寧武煤田北部，以寧武向斜為主，伴生褶曲。礦區內主要有寧武向斜、蘆子溝背斜及白家辛窯向斜[5]。礦田地層由老到新有：奧陶系中統馬家溝組（Q2m），石炭系中統本溪組（C2b）和上統太原組（C3t），二疊系下統山西組（P1s）、下石盒子組（P1x）、上統上石盒子組（P2s），第三系上新統保德組（N2b），第四系下～中更新統午城組、離石組（Q1w+2L）、上更新統馬蘭組（Q3m）、全新統（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，極不穩定，無經濟價值。本組地層厚38.00～79.00 m，一般為66.18 m，煤層薄，含煤系數1%，含煤性極差。

2）太原組。為本區的主要含煤地層，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。全區賦存，為本區主要可采煤層之一，位于太原組頂部，煤層平均厚16.3 m，頂板多為粗粒砂巖、砂質泥巖，有時為泥巖、炭質泥巖、粉細砂巖，底板多為砂質泥巖、泥巖、炭質泥巖及細粒砂巖。

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

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

2 邊坡穩定性分析

2.1 分析方法

極限平衡法是當前邊坡穩定性分析的常用方法，其計算結果較實用。極限平衡分析方法的穩定系數是一個反映邊坡穩定程度的定量參數，它直接關系到設計邊坡是否經濟與安全。《煤炭工業露天礦設計規范》6.0.8 條明確規定了邊坡穩定性安全系數Fs的選用范圍。內排土場邊坡服務年限10 年以內，安全系數大于1.2，服務年限10 年及以上，安全系數大于1.3[6]。

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

在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現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排土場進行邊坡的穩定性系數分析評價，對邊坡進行了穩定性預測[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指標進行綜合分析，得到的安太堡露天礦土場邊坡穩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 巖體物理力學性質指標

2）剖面的選取?；谶吰路€定分析剖面的選取原則及工作任務要求，結合現場實際情況，針對安太堡露天礦內排土場邊坡穩定性進行了現狀分析，在安太堡露天礦內排土場布置4 個研究剖面，有針對性的開展現狀邊坡穩定性評價及預測，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：業務數據化、數據運營化、營銷智能化。大數據精準營銷平臺的核心不是IT，而是大數據（DT）與精準營銷，是處理多元數據、實時在線的系統，是包含客戶畫像、在線的客戶行為分析、個性化推薦系統、實時搜索、標簽管理的系統。分階段建設的第一步是業務的數據化。從找客戶，跟進客戶，提供服務，到客戶的評價反饋，全量數據采集完成業務的數據化。第二步是數據的運營化。用分析后的數據指導業務實踐，產生收益。第三步是營銷的智能化。通過優化營銷與管理，并完成數字化管理、智能化執行。騰訊智慧4S店解決方案同樣提出了數字化工具的利用、數據閉環的聯通、銷售關系的重塑三階段方法論。

表2 研究剖面基本參數

2.3 邊坡穩定性分析結果

邊坡穩定計算方法采用畢肖普法。內排土場各典型剖面邊坡穩定評價結果見表3。

表3 邊坡穩定性分析結果

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

圖1 NP-1 剖面位置1 極限平衡分析結果

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

圖2 NP-2 剖面位置1 極限平衡分析結果

3）NP-3 剖面邊坡穩定性。Np-3 剖面現狀整體邊坡角為16°，邊坡穩定性系數為1.24；1 250～1 300 m 水平平盤（位置1）邊坡穩定性系數為1.14，穩定系數大于1.1 小于1.2，邊坡穩定狀態為基本穩定；1 185～1 250 m 水平平盤（位置2）邊坡穩定性系數為1.06，穩定系數大于1.0 小于1.1，邊坡穩定狀態為存在一定風險；1 185～1 300 m 水平平盤（整體）整體邊坡穩定性系數為1.14，穩定系數大于大于1.1小于1.2，邊坡狀態為基本穩定。對照2021 年生產計劃平面圖，1 135～1 300 m 水平干道和1 155～1 200 m 水平斜坡道交叉口內側坡面存在局部片幫的可能，邊坡穩定狀態為存在一定風險，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果如圖3。

圖3 NP-3 研究剖面整體位置極限平衡分析結果

4）NP-4 剖面邊坡穩定性。NP-4 剖面現狀整體邊坡角為14°，邊坡穩定性系數為1.23；1 210～1 250 m 水平平盤（位置1）邊坡穩定性系數為1.18，穩定系數大于1.1 小于1.2，邊坡穩定狀態為基本穩定；1 150～1 190 m 水平平盤（位置2）邊坡穩定性系數為1.08，穩定系數大于1.0 小于1.1，邊坡穩定狀態為存在一定風險；1 150～1 280 m 水平平盤（整體）整體邊坡穩定性系數為1.223，穩定系數大于1.2，邊坡穩定狀態為穩定。對照2021 年月生產計劃平面圖，1 135～1 300 m 水平干道內側坡面邊坡穩定狀態基本穩定，1 155～1 200 m 水平斜坡道內側坡面存在局部片幫的可能，邊坡穩定狀態為存在一定風險，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果如圖4。

圖4 NP-4 研究剖面整體位置極限平衡分析結果

3 邊坡監測和邊坡安全措施

3.1 背斜區內排邊坡監測情況

從邊坡安全管理來看，邊坡位移速率應在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，及時采取相應的整治措施[10]。為確保排土環節安全生產，地測部門在背斜區建立了邊坡監測網絡，并定期采集數據進行分析，到2021 年1 月，背斜區內排邊坡監測點位移速率的允許值都在2 mm/d 以下，說明背斜區邊坡整體穩定情況較好。

3.2 邊坡安全措施

1）安太堡露天礦內排邊坡整體處于穩定，主要問題局部臺階處于基本穩定，現場出現沉降裂縫，需及時布設警示標志，同時利用邊坡雷達和邊坡監測網加強監測，現場管理技術人員、作業人員和安監人員加強邊坡巡查，發現異常及時上報處理。

2）背斜區內排土時，采取破11#煤層底板、留11#煤柱、兩側端幫壓幫排棄、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）排土場嚴格按照設計方案進行排土，加強邊坡巡視工作，發現問題及時上報。

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

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

4 結語

安太堡露天礦在背斜區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，為確保內排邊坡在背斜區順傾情況下的穩定，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，在背斜區進行控制排土，建立內排折返運輸系統，對土場邊坡基本穩定區進行穩定性分析，并加強現場巡查和變形監測，從而確保背斜區采運排環節均衡有序發展，可進一步降低礦山運輸成本，提高設備效率。