平朔東露天礦過端幫采空區邊坡穩定性研究與治理

邵 賓

（中煤平朔集團有限公司東露天礦，山西 朔州 036000）

平朔東露天煤礦煤層的賦存條件為近水平，在開采過程中，考慮到端幫邊坡在開挖與內排過程中周期性的形成以及時效性的消失[1]，故對端幫邊坡形態進行合理優化，實行陡幫邊坡開采壓煤回采[2]技術。眾所周知，滑坡是露天開采中存在的最大安全隱患之一；隨著采礦規模日趨擴大，邊坡暴露高度逐漸增加坡度也漸變陡，再加邊坡巖土體本身性質結構極其復雜，而且大規模采空區群存在于當前生產的露天境界內，空區長時間受到運輸地壓及露天開采爆破震動等影響，原巖應力發生了破壞，空區面積大小、高度以及頂板穩定性均發生了改變。在多因素相互疊加作用下，邊坡巖體的應力狀態和位移變化相較于單一條件下的開采，變得更加復雜[3-4]。因此探究采空區影響高陡邊坡穩定性的規律十分重要，學者們對此問題的研究已經取得了部分成果。包括采用了物探、鉆探及三維激光掃描相結合的探測技術，確定采空區規模；運用數值模擬的方法分析了采空區位置、跨度對邊坡穩定性的影響[5]；通過時效性內排壓幫，減少邊坡暴露時間可降低端幫邊坡出現滑坡的幾率等[6]。但采空區對高陡邊坡穩定性的影響權重問題，卻較少有人涉及。而東露天礦當前向西推進過程中，在現北端幫1320 運輸平盤下部發現與端幫線平行、長約50 m 的裂縫，該區域賦存遺留的鉆井礦采空區。裂縫區邊坡一旦滑落，巨大滑體量會阻斷北幫運輸干線，使露天煤礦處于停產狀態，嚴重影響礦區的經濟效益與安全生產。因此，對北幫裂縫區邊坡進行深入的穩定性研究并提出治理方案。

1 邊坡破壞機制

1.1 陡幫開采邊坡破壞機制

東露天煤礦區主要可采煤層分別為4#、9#、11#煤，平均厚度約30 m，埋藏深度在100～200 m。2019年東露天礦工作幫在由東向西推進中，為增加原煤回采率降低剝采比，根據東露天礦開采計劃，實施下部邊坡外擴法，進行陡幫邊坡壓煤回采。保證礦北幫的上部邊坡不動，即1350、1320 以及外包運輸平盤仍維持原狀，僅對下部邊坡局部加陡，對1290、北4 下2平盤進行并幫，只保留1260 平盤。對于邊坡的境界而言是上部境界不動，下部境界向外擴，從邊坡中部的某一個水平開始，下部平盤縮短并幫向外推進。東露天煤礦下部邊坡外擴的局部陡幫邊坡開采方式示意圖如圖1，其中直線AC 為原設計邊坡，折線ADB表示加陡后邊坡，形成了上緩下陡的凸邊坡形態，其中三角形BCD 內的陰影區域表示加陡后多采出的煤炭。但進行陡幫回采后，邊坡斷面形態發生改變，邊坡線改變為AB，直接影響整體邊坡角由65°變為73°，邊坡角增大，局部邊坡加陡，邊坡坡腳處的剪應力和坡肩附近的張應力會伴隨著邊坡角加大加陡而產生變化，當坡腳處出現剪應力集中時就會直接降低邊坡的穩定程度。

圖1 東露天礦下部邊坡外擴法局部陡幫開采方式示意圖

1.2 采空區影響下邊坡破壞機制

由于東露天賦存大量采空區群且北幫1320 平盤下局部出現長35 m 裂縫，公司地質測量中心對東露天礦北幫1320 平盤探采空鉆孔揭露空洞進行掃描，發現有空洞位于北幫1320 平盤下方，掃描模型呈橢球狀，長軸40.1 m，短軸30.7 m，空洞平均垂高11 m，空洞面積1 150 m2，位于4#煤上方21 m，空洞頂底高程為1 295～1 276 m，此次掃描的空洞位于搜集的鉆井礦2006—2007 年采空區范圍內。

采空區上覆巖體是隨著地質歷史發展而形成的復雜地質體，在一定的時間內和一定的工程荷載條件下，上覆巖層應力平衡狀態被打破，當應力集中超過巖石支撐力時，應力獲得釋放，并逐步發展到地表，就會產生非破壞性的塑性變形、剪切滑移和拉張開裂等破壞，當巖體內某一區域內滑動力超過抗滑力，巖體就沿該區域發生裂縫或者滑動，直至出現上覆巖層塌陷冒落。而此次發現的1320 空區長時間受到運輸地壓及露天開采爆破震動等工程載荷的影響，空區面積大小、高度以及頂板上覆巖層穩定性均發生了改變，直接改變北幫邊坡內部原巖應力分布，在應力重新分布過程中某些結構面附近會產生應力集中現象而產生塑性變形和剪切滑移，導致邊坡穩定性下降。

綜上分析，東露天進行北幫陡幫壓煤回采，以及北幫1320 平盤探測發現采空區空洞是北幫出現裂縫的直接原因。經過長時間爆破開采及運輸震動影響，必會引發片幫落石甚至滑坡等地質災害，須進行端幫邊坡穩定性分析與治理，保證東露天安全開采。

2 北幫1320 裂縫區邊坡治理

2.1 內排壓幫

根據露天煤礦開采與內排2 個過程中的時空發展規律、端幫時效邊坡理論，由工作幫的不斷向前推進以及內排土場不斷向前跟進，采場端幫邊坡呈現的是從暴露到掩埋的動態過程。采場開挖前后端幫不平衡應力示意圖如圖2。

圖2 采場開挖前后端幫不平衡應力示意圖

東露天采場被開挖之前，端幫兩側提供平衡的水平應力，使采場整體結構處于平衡狀態。在采場開挖之后，兩側端幫邊坡出露，完整巖體結構被破壞，兩側應力由平衡狀態轉為不平衡地應力，端幫邊坡體內的應力向其內側臨空面卸載，在采場逐步推進端幫暴露后，不平衡應力方向發生改變并且迅速向端幫邊坡臨空面卸荷，方向由最初的水平狀態轉化成平行于邊坡線指向坡腳的向下方向，其卸荷量隨時間線性增大，且邊坡坡腳處的應力隨時間集中程度加劇，同時不存在有效反作用力或結構體來抵消水平方向上的不平衡應力。因此當應力逐漸增大到邊坡巖體能夠承受的強度時，坡腳會出現一定的塑性破壞，最終可能導致邊坡的失穩破壞。

針對當前北幫邊坡失穩狀態，提高內排土場的跟進速度，并使追蹤距離達到生產允許的最小安全距離。根據生產現狀，加速開采9#煤、11#煤，進行大坡道時效空間性改移，即定時定距，改移步距80 m；內排跟進，增加內排北1220 土場、1290 反排土場和1320 土場，共有北1220、1260、1290 反排土場 和1320、1350、1380 土場，增加排土空間，實現內排壓幫。當端幫邊坡被內排土臺階壓幫時會在一定程度上延緩或阻止塑性破壞，此時壓幫臺階的單元體形成了標準梁支撐結構，產生與邊坡臨空面近似平行向上的應力，進而抵消一部分邊坡體內的不平衡應力，且隨著壓幫高度的增加更多的不平衡力會被抵消。由于內排壓幫的臺階推進規律是由下向上，這樣端幫坡腳應力集中區域被內排臺階壓幫抵消了大部分的邊坡體內不平衡應力。同時排土臺階越多，邊坡被壓幫的位置越高，端幫邊坡暴露的高度會越小，且降低了邊坡高度，提高了端幫邊坡的穩定性。端幫壓幫前后的邊坡體內應力變化過程的如圖3。

圖3 壓幫前后不平衡應力示意圖

2.2 采空區治理

空區處理的實質是：緩和巖體應力集中的程度，轉移應力集中的部位并達到新的相對應力平衡，以達到控制和管理地壓，保證安全生產。從國內外空區處理方法和經驗分析，使用爆破崩落處理法和充填法進行采空區治理[7]。考慮到填充法需要建立地表充填系統且工藝復雜耗時長成本高，為保證施工人員和設備安全，加快采空區處理進度，消除潛在隱患，建議采用爆破崩落法進行處理。計劃方案在1320 平盤處理高程1 327～1 287 m 范圍空區，即頂板厚度40 m 以內區域。經驗值鉆機探孔有效成孔深度37 m 左右，有效爆破藥柱據空腔頂板厚度5 m 左右，此次炮區采用導爆管雷管網絡連接，為保障施工安全，將采用混裝銨油炸藥裝藥。經過統計計算，此次爆破空區面積為980 m2，巖石方量V1為38 000 m3，空腔體積V2為7 350 m3。采空區爆破后空腔體積V3為：

式中：P 為膨脹系數，根據經驗礦山巖石一般為1.2～1.3。

故經計算可得：V3為=-250～-4 050 m3。

采空區爆破后，空區爆破部位有明顯的塌陷。其深度約為7 m 左右。預估算體積約3 580 m3，與V3比較可知，巖石爆破膨脹后的體積基本接近理論體積。此次爆破區域的頂板巖石破碎達到要求。

從爆后現場觀測情況判斷空腔基本塌陷，本次爆破效果基本達到預期，但僅僅根據現場觀測情況無法完全說明，是否存在其他復雜情況尚不明確，空區爆破后靜置一周后再行采掘運輸，并及時跟進鉆進探孔輔助，加強采空區域巡查工作，確保安全。

3 治理前后邊坡穩定性分析

采用剛體極限平衡法對邊坡的穩定性進行分析，驗證邊坡治理方案的合理性。考慮到東露天礦北幫邊坡的潛在滑坡模式為圓弧滑面滑動，故采用簡化Bishop 法（適合于圓弧滑面）[8]。在北幫1320 干道裂縫區域選取工程地質剖面，對邊坡進行技術研究。

根據GB 50197—2005 煤炭工業露天礦設計規范第6.0.8 條（款）[9]，服務年限10～20 年的非工作幫邊坡穩定系數Fs宜取用1.2～1.3，小于10 年的宜取用1.1～1.2。基于東露天煤礦端幫邊坡各構成部分物理力學指標以及邊坡工程地質條件的掌握較為清楚全面，且已實現內排壓幫，在時空上縮短端幫邊坡的暴露面積和暴露時間，資料統計得到端幫邊坡最高點暴露時間為32 月；同時端幫除承擔運輸功能未鋪設任何設備，結合規范的要求選取邊坡的安全儲備系數為1.1。治理前后邊坡穩定性分析結果如圖4。

圖4 治理前后邊坡穩定性分析結果

由計算可知，治理前邊坡潛在滑面為圓弧滑動，由1350 平盤延伸至11#煤底板，穩定系數為1.067，如圖4（a），低于選取的安全系數；經過內排壓幫且實施爆破崩落進行采空區治理后，潛在危險滑面由地表延伸至內排壓幫位置，計算邊坡穩定系數為1.321，如圖4（b），大于選取的安全儲備系數。經分析，進行治理后的北幫邊坡穩定性得到改善。針對1320 平盤出現裂縫，安排相關部門每日對危險區域進行巡查進行詳細記錄；同時建議東露天礦在北1320 平盤欠穩定區布置位移監測儀，實現邊坡位移數據的連續采集；在邊坡變形位移量及變形速率較大時，實現預警，確保人員及設備的安全。

4 結語

1）東露天礦進行北幫陡幫壓煤回采，且坡體內掃描發現采空區空洞，邊坡加陡破壞坡體內部原巖應力平衡狀態，且空區上覆巖層穩定性發生改變，應力獲得釋放并產生非破壞性的塑性變形、剪切滑移，降低整體邊坡穩定性。

2）采取內排壓幫和空區爆破崩落處理措施，緩和巖體應力集中，抵消不平衡應力，阻止塑性破壞，減低端幫邊坡暴露高度，提高端幫邊坡的穩定性。

3）分析治理前后北幫邊坡穩定性，治理后邊坡穩定系數由1.067 提高至1.321，滿足安全儲備要求，危險滑面塑性區未貫通，滑坡隱患消除，坡治理效果顯著。