撫順西露天礦北幫高陡邊坡綜合防治

李惠發，馮 萍，張 夙

（1.撫順礦業集團有限責任公司 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化、產量規模和開采深度的不斷增加，露天礦坑高陡邊坡穩定性問題愈來愈突出。高陡邊坡穩定性已經成為制約露天礦安全生產的關鍵技術問題之一[1]。以撫順礦業集團有限責任公司西露天礦為例，從2014 年4 月至今，礦坑北幫共發生了3 次邊坡失穩破壞。經現場調查分析，滑坡區域均處在斷層連續分布范圍內。較為發育的斷層、成組的節理面及局部高陡的坡面為邊坡的失穩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，邊坡儲備系數不足，且油頁巖上覆綠泥巖層組極易風化，若任由高陡邊坡長期裸露于空氣中，不及時采取適當的防治措施進行治理，極易發生滑坡等地質災害，很可能對周邊工業和民用的設備、設施及人民生命財產構成嚴重威脅。基于此，以撫順西露天礦北幫高陡邊坡為研究對象，對礦坑北幫邊坡穩定性問題進行深入的研究，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的南部、撫順煤田的西南部，礦坑東西長約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430 m。西露天礦坑于1914 年進行露天開采，2019 年5月7 日停止煤炭開采轉為退煤閉坑綜合治理。

1.1 北幫地層結構與巖土工程特征

從以往的地質資料和現場踏勘成果來看，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造作用程度不同，后期地下水作用條件不同，導致該地區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 層堅硬的細砂巖，穩定性較差，有時在剖面上呈透鏡體狀或者過渡為灰質頁巖。

1.2 北幫水文地質條件

撫順西露天礦坑北幫的水文地質條件情況總體表現為：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，形成一個較為復雜的含水系統。該含水系統邊界清晰，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、水力聯系密切的地下含水系統[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，北幫上部的企業和周圍居民也以明溝暗渠將部分工業、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，加上工業企業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，流入坑內直接補給揭露的第三系構造裂隙含水單元。白堊系砂巖構造裂隙含水單元位于F1A、F1斷裂之間，受構造應力作用，巖層較為破碎，構造裂隙發育。該單元以其頂部風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斷裂中均存在構造角礫破碎帶，在斷層泥厚度不大或泥物質膠結、充填差的部位，即可產生白堊系砂巖構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和排泄。

2 北幫邊坡巖土體物理力學性質

巖土體物理力學性質是邊坡穩定性分析的主要基礎資料，正確掌握巖石的強度特征是對邊坡穩定性作出正確評價的前提條件。撫順東、西2 個露天礦早期曾進行過大量的巖土體力學實驗，積累了大量較為可靠的基礎資料，利用這些數據與當前北幫E1060 剖面及E1900 剖面滑坡反分析成果進行對比，相互驗證，避免單純巖土體力學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生了3 次邊坡失穩破壞。經現場調查分析，滑坡區域均在斷層連續分布范圍內。較為發育的斷層、成組的節理面及局部高陡的坡面為邊坡的失穩破壞提供了較為不利的邊界條件。

E800～E3000 區域地質條件、地質構造相對較復雜，斷層分布廣泛、產狀變化大，邊坡巖體節理裂隙發育，同時結合礦坑北幫歷次滑坡工程實踐經驗，該區域局部邊坡、整體邊坡均屬于滑坡易發區域，在退煤閉坑及綜合治理期內應重點關注邊坡安全問題，北幫東區滑坡情況統計表見表1。

表1 北幫東區滑坡情況統計表

2.2 現狀邊坡巖土體物理力學性質

巖土力學實驗是確定巖土力學參數的重要依據，但通常研究巖石的物理力學性質時，沒有考慮包括層面、層理、節理及斷層等各種地質界面對巖土體穩定性的影響。而巖土體的穩定性主要受這些地質結構面所控制。因此，常規的巖土力學實驗結果并不能準確地反映出巖土體實際力學狀態，因此需要進行地質條件的分析。

滑坡相當于大型巖體的原位剪切試驗，如果對滑坡原因、滑坡幾何現狀等準確掌握，那么，通過滑坡反分析得到的參數將是最可靠的。中煤科工集團沈陽研究院在對西露天礦坑邊坡作穩定分析時，多次采用西露天礦坑邊坡滑坡實例進行反分析，如老13 段站區的第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行反算，得出綠色泥巖組黏聚力為76 kPa，內摩擦角為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果及類比相關指標數據，經分析后推薦的本階段巖土體物理力學強度指標推薦值見表2。

表2 本階段巖土體物理力學強度指標推薦值

3 綜合防治措施

露天礦邊坡穩定性分析是確定綜合治理防治措施的先決條件，根據邊坡安全儲備系數結合不同區域巖層賦存情況，有針對性的制定契合各區域地質特征的綜合防治措施。

3.1 安全儲備系數

根據DZ/T 0218-2006“滑坡防治工程勘查規范”，并參考GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范，確定進行滑坡穩定狀態[4-5]。露天煤礦工程設計規范邊坡穩定性系數選取表見表3、滑坡穩定狀態劃分見表4。

表3 露天煤礦工程設計規范邊坡穩定性系數選取表

表4 滑坡穩定狀態劃分

依據露天煤礦工程設計規范和當前對西露天礦坑工程地質條件、水文地質等資料的掌握情況，結合我國其它露天礦類似的工程經驗，確定治理設計邊坡穩定性分析的安全儲備系數；治理設計整體邊坡安全儲備系數選取為1.25，局部邊坡安全儲備系數選取為1.15[6]。

3.2 邊坡穩定性計算方法

極限平衡法是當前邊坡穩定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數量化準確、計算結果直接實用的特點。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，其力學機理與適用條件均有所不同。隨著計算機的出現和發展，又出現了一些求解步驟更為嚴格的方法，如Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[7]。

本次穩定計算采用摩根斯坦－普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定邊坡的穩定性系數。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

根據礦坑可燃物自然發火情況及、局部高陡臺階邊坡現狀及邊坡安全儲備系數，確定各區域相應的治理措施，并選取典型剖面對治理設計方案邊坡穩定性分析。

3.3.1 可燃物自然發火采取的治理措施

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

E1200 剖面可燃物清理區主要集中在N260～N490、-235～-330 m 水平裸露區域，最大自然發火厚度約為40 m，自然發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域進行回填壓腳措施。

E2800 剖面可燃物清理區域主要集中在N460～N540、-240～-280 m 水平，高臺階區域主要集中在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，裸露區域最大自然發火厚度約為40 m，自然發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定性，為避免局部邊坡失穩誘發整體邊坡發生滑坡事故，在保證整體邊坡穩定性滿足安全儲備要求的前提下進行局部邊坡治理方案設計，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 剖面可燃物清理區域主要集中在N505～N575、-265～-300 m 水平，高臺階區域主要集中在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 治理設計方案邊坡穩定性分析

通過對可燃物清理及局部高臺階邊坡現狀、治理設計方案穩定性計算，現狀及治理設計邊坡穩定性計算結果見表5。

表5 現狀及治理設計邊坡穩定性計算結果

根據邊坡穩定性計算統計成果可知：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狀邊坡及治理設計方案邊坡穩定性計算，治理設計方案邊坡穩定系數均能滿足整體邊坡安全儲備系數大于1.25、局部邊坡安全儲備系數大于1.15 的要求。

4 結語

依據對西露天礦坑北幫邊坡巖體結構面進行調查研究的成果，以及對高陡邊坡局部失穩破壞進行數據分析的成果，將礦坑局部高陡臺階進行分區。以各區域地質條件為主要依據結合邊坡安全儲備系數的要求，提出對可燃物自然發火區采取清除后進行降溫封閉，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，可以對治理區域進行邊坡雷達監測和GNSS 監測，實時掌握邊坡動態，實現滑坡預警，保證現場作業人員和作業設備的安全。