撫順東露天礦南幫到界邊坡優化

王 洋，李煥忠

（撫順礦業集團有限責任公司 東露天礦，遼寧 撫順 113003）

《撫順礦業集團東露天礦恢復工程初步設計》中一期設計以開采油頁巖富礦為主，一期到界后，南幫將形成高135～200 m 的單臺階順傾邊坡，坡面角29°～39°。由于南幫E4800～E6600 地表受撫順煤都路、老虎臺礦工業設施及廠房等限制，需分期進行開采。構成該區域南幫一期邊坡的主體巖層則為油頁巖富礦下伏的油頁巖貧礦、殘采煤層、軟硬不均的凝灰巖層等。該區域工程地質條件較復雜多變，影響邊坡穩定的不利因素較多[1-2]。近年來開采時曾出現邊坡局部變形現象，經邊坡穩定分析，該區域邊坡局部有失穩的可能，其中E5200、E6200 及E6400 剖面的局部邊坡穩定系數達不到安全儲備要求[3-4]。因此，在收集、整理以往地質資料的基礎上，結合現場踏勘、工程地質勘察資料，對此邊坡開展邊坡工程地質、水文地質條件分析與評價，建立邊坡工程地質模型，通過歸納、分析、整理，確定巖石力學性質指標，對邊坡變形破壞機理及滑坡模式分析，對一期到界邊坡進行優化調整，從而保證東露天礦邊坡穩定與安全生產[5-6]。

1 南幫E4800～E6600 邊坡巖體地質調查

1）南幫邊坡地質構造調查與野外地質素描。通過對南幫E4800～E6600 邊坡巖體的地質調查，其巖體由上至下為沖積層、油頁巖貧礦、煤、底板頁巖、泥頁巖、軟質凝灰巖、硬質凝灰巖和玄武巖，經過詳盡的地質調查，繪制地質素描圖，對南幫的地質情況進行重新的認識[7]。

2）南幫水文地質情況調查。該區南幫邊坡主要含水層為沖積層含水層，屬于空隙潛水類型，凝灰巖、玄武巖等基巖裂隙含水層。大氣降水和居民生活廢水是本區地下水的主要補給源。經過多次詳細的調查和測試，本區內沖積層厚度變化范圍為2.5～20 m，其沖積層含水層厚度0～7 m。滲水系數k=92.80～10.27 m/d，與大氣降水有關。

3）巖層分布情況調查。分別在南幫E5200 剖面、E6000 剖面、E6200 剖面、E6400 剖面施工了8 個工程地質勘探鉆孔，進尺共計1 257 m。通過勘探鉆孔和南幫揭露的巖層看，該區域邊坡巖層主要由第四系沖積層、油頁巖、煤、炭質頁巖、泥質頁巖、硅質砂巖、軟質凝灰巖、硬質凝灰巖、玄武巖等巖層組成[8]。第四系沖積層主要由回填土、粉質黏土、砂質黏土、淤泥、砂、礫砂組成。通過鉆孔軟弱層及破碎帶的統計結果表明，該邊坡多個鉆孔在勘察深度內發育有1 層軟弱層。

4）巖石完整程度（R.Q.D）的分析。通過對南幫邊坡的8 個工程地質勘探鉆孔進行統計，該邊坡鉆孔R.Q.D 在60%～81%之間，其中最大為硬質凝灰巖和玄武巖，最小為煤層。鉆孔R.Q.D 平均值為76%。巖石的完整度良好。

2 工程地質模型和巖石力學指標

1）工程地質條件。南幫E4800～E6600 邊坡上部為松散沖積層，下部巖層與深部發育的斜交斷層易形成楔形滑塌體。在該范圍內第四紀沖積層主要產生弧形滑動，而南幫基巖沿弱層面產生。

2）工程地質模型。依據各種巖層層內反射波同相軸的變化和巖層中不同巖層的反射波動力學特點，確定了該區域各剖面的巖層分布情況及賦存規律[9]。在歸納、整理、分析以往勘察資料基礎上，建立了南幫E4800～E6600 區段邊坡工程地質簡化模型。

3）確定巖石力學指標。邊坡巖土體的工程力學的性質是邊坡設計、綜合評價和穩定分析的基礎依據。在邊坡穩定性研究中進行過大量的相關巖土物理力學性質試驗，得到相關巖石試驗的力學數據。主要試驗有巖土原位剪切試驗、三軸剪切試驗、弱層流變試驗、直剪試驗、滑坡反分析等方法，并結合西露天礦東區巖體力學強度指標值。撫順東露天礦巖體力學強度指標見表1。

表1 撫順東露天礦巖體力學強度指標

3 邊坡穩定分析與評價

3.1 安全儲備系數和邊坡穩定系數

參考GB 50197—2015《煤炭工業露天礦設計規范》選取安全儲備系數。根據規范和東露天礦南幫E4800～E6600 工程地質條件、水文地質條件，結合東露天礦采礦規劃，東露天礦南幫E4800～E6600 邊坡穩定性分析的安全儲備系數選取為1.25～1.30，第四系邊坡安全儲備系數選取為1.5。

邊坡穩定計算。方法選取極限平衡法。通過極限平衡法計算，分別計算出的第四系邊坡穩定系數和整體邊坡穩定系數見表2 和表3。

表2 第四系邊坡穩定系數匯總表

表3 整體邊坡穩定系數匯總表

3.2 邊坡穩定分析與評價

1）第四系邊坡。根據工程地質條件和邊坡穩定計算成果可以看出：第四系現狀邊坡E6000、E6200 和E6400 邊坡穩定系數分別為1.14、1.07、1.10，均小于1.15，安全儲備系數不足，易在降雨、爆破施工等有關因素的影響下，出現失穩變形現象[10]；第四系設計邊坡一期到界E6000、E6200、E6400 邊坡穩定系數分別為1.02、0.87，0.98，均處于極限平衡狀態或處于失穩狀態，穩定狀況滿足不了安全生產的要求。

2）整體邊坡。影響研究區總體邊坡穩定的因素較多，但根據邊坡穩定計算結果，主要分為3 個方面：順傾軟弱夾層（上層軟質凝灰巖）、潛在滑體幾何形態、底部斜切斷層。①軟質凝灰巖+底部斜切斷層：E5200 剖面主要受軟質凝灰巖和底部斜切斷層影響，下滑力較大，抗滑力較小，邊坡穩定狀況較差（1.03）；②軟質凝灰巖+不利邊坡幾何形態：根據一期采礦設計，E6000～E6400 剖面到界邊坡，潛在滑體幾何形態為上寬下窄的楔型邊坡，下滑段較寬，抗滑段較窄，形成頭重腳輕的邊坡形態，邊坡穩定系數為0.89～0.97，均在1.0 以下，邊坡處于潛在失穩狀態。

鑒于以上情況，第四系沖積層邊坡和整體邊坡僅有少數剖面滿足穩定要求，大部分剖面不能夠滿足穩定要求，需要對南幫E4800～E6400 區域一期到界邊坡優化調整。

4 南幫E4800～E6400 區域一期到界邊坡優化調整

綜合采礦施工難易程度、技術可行性和安全可靠程度，結合邊坡上部第四系邊坡治理的需要，南幫E4800～E6400 區域治理推薦采用按現狀邊坡降深，上部清方留設臺階的綜合方案。

根據邊坡穩定分析結果對邊坡參數優化及技術經濟比較，對一期到界邊坡進行優化調整，優化調整界為上部進行清巖減重，下部一期設計邊坡按現狀邊坡角向下降深至-93 m 水平；具體優化調整界+85 m水平形成1 個17 m 沖積層平盤，2 個基巖保安平盤（+68、+35 m 水平），下部按現邊坡坡面角延至-93 m 水平。

1）一期到界邊坡優化后整體邊坡穩定性。對優化調整后設計邊坡進行穩定計算，一期到界邊坡調整后邊坡穩定系數匯總表見表4。計算結果表明，調整后的一期設計邊坡穩定系數基本都在1.30 以上，穩定狀況較好。

表4 一期到界邊坡調整后邊坡穩定系數匯總表

2）一期到界邊坡設計調整后第四系邊坡穩定性。對調整后第四系設計邊坡進行穩定計算，優化調整后第四系邊坡穩定計算匯總表見表5。由計算結果可以看出，采用該區域第四系邊坡失穩反分析指標計算，調整后的一期設計第四系邊坡除E6200 剖面穩定系數為1.12 之外，其它剖面均在1.20 以上，滿足安全儲備系數要求。若對第四系邊坡進一步疏干，邊坡穩定系數均提高至1.35 以上，穩定狀況較好。

表5 優化調整后第四系邊坡穩定計算匯總表

3）第四系沖積層邊坡的綜合治理。因水平放水孔造價具有造價低，易于維護的特點，沖積層地下水采用水平放水孔進行疏干；第四系地表上部設置1條截水溝，引流地表匯水，避免進入第四系邊坡內部；對第四系坡面采取護坡措施，以防暴雨沖刷，形成溝壑。

5 結語

通過巖土力學試驗，得到相關巖石試驗的力學數據，確定出邊坡巖石力學指標；通過對工程地質進行勘察，查明了南幫E4800～E6600 邊坡存在的軟弱層或破碎帶，掌握了該區弱層的層位、層數、厚度，并測定其物理力學性質參數；分析了可能引起邊坡滑落的地質因素，提出了可能產生的滑落形式；對E4800～E6600 剖面現有淺部沖積層邊坡和基巖邊坡經穩定分析并進行評價。根據邊坡穩定分析結果優化邊坡參數，最終根據技術經濟比較，對一期到界邊坡進行優化調整，給出優化調整界，優化調整后境界預計多采油頁巖富礦196.6 萬t，促進了東露天礦安全發展。