某露天煤礦邊坡裂縫破壞機理及治理措施

張文耀

（山西忻州神達能源集團有限公司 山西 忻州 034000）

0 前言

該露天煤礦開采境界內可采原煤量為51 Mt，生產能力為原煤1.20 Mt/a，儲量備用系數按1.1計算，露天礦設計服務年限為38.65 a。開采工藝為單斗-卡車工藝，工作線沿煤層走向布置，沿煤層傾向推進。煤、巖臺階均水平布置，高度為10 m，巖石臺階坡面角70°、土臺階坡面角65°，剝離最小工作平盤寬度37 m；煤石臺階坡面角70°，最小工作平盤寬度35 m；最終邊坡角35°，共分為15個剝離臺階和一個采煤臺階。同時根據礦區實際情況，建立了邊坡巖移觀測線和監測網。

該露天礦于2020年5月份在采場北幫邊坡發現一條裂縫，經現場實測，裂縫區域東西平均長度約360 m，南北平均長度110 m，面積約為39 600 m2。裂縫頂部標高為1 580 m，底部標高為1 530 m，裂縫傾角約為9°~19°，西部裂縫傾角大，東部裂縫傾角小，截止治理開始之日，裂縫區域頂部累計下沉417 cm，底部累計伸出245 cm，為及時消除隱患，保證安全生產，對該邊坡裂縫進行治理已迫在眉睫。

1 地質條件概況

裂縫區域北側為山體，南側為礦坑采區，地形為北高南低，西高東低，位于兩個山體水道之間。地形地貌如圖1所示。

圖1 裂縫區域地形地貌示意圖

1.1 區域地層

由現場揭露斷面及礦區內地層整體情況，裂縫區域地層由新至老敘述如下：

（1）第四系上更新統（Q3）

土黃色黃土，為細粉砂土，砂質粘土，其下為礫石夾1－2層半膠結石灰巖小礫石層，下部為巨礫，不整合于下伏各時代基巖之上，厚度約30 m~60 m。

（2）二疊系下統下石盒子組（P1x）

以砂巖為基底，連續沉積于山西組之上，K3為灰色中粗粒砂巖，底部有時含礫，厚1.13 m～7.34 m，平均6.35 m。本組下部以灰色泥巖、粉砂巖為主，夾灰綠色粘土泥巖，向上變為黃、黃褐、黃綠、紫色泥巖及黃綠色砂巖，揭露最大厚度90 m。

（3）二疊系下統山西組（P1s）

以K2砂巖為基底連續沉積于太原組之上，K2為灰白色以石英、長石為主的中粗砂巖，泥質膠結，底部有時含礫石，層位穩定，厚4.05 m～7.34 m，平均6.35 m，中下部為灰白色、淺灰色、淺黃色中粗砂巖夾深灰色的砂質泥巖，頂部有淺灰色粘土泥巖一層，本組厚37.22 m～47.48 m，平均43.40 m。

1.2 區域構造

根據礦區地質報告和揭露現狀，裂縫區域在F1斷層帶范圍內。

F1斷層帶：位于礦田西北部邊界，根據鉆孔揭露，該斷層走向NE，傾向SE，落差大于200 m，傾角80°，兩端一直延展到區外10 km，F1斷層帶中存在破碎帶，有良好的導水性和充水性，裂縫區域位于斷層帶的上部。

1.3 區域含水層

區域內共涉及兩個含水層即第四系松散巖類含水層和二疊系下統山西組砂巖裂隙含水巖組。

（1）第四系松散巖類含水層

主要由黃土及卵礫石組成，中夾隔水和半隔水的亞粘土、亞礫土層，致使下部承壓。第四系松散巖含水較豐富，為當地村民飲用水主要水源。靜止水位高出孔口0.91 m，水位標高1 538.41 m，水位降低為24.36 m時，涌水量4.78 L/s，單位涌水量0.196 L/（s?m），滲透系數0.369 m/d。為弱～中等富水性含水層。

（2）二疊系下統山西組砂巖裂隙含水巖組

主要由砂巖、砂質泥巖、泥巖組成。主要含水巖層為砂巖，以K3砂巖較為穩定，厚4.05 m~7.34 m，一般6.00 m左右。涌水量0.41 L/s，單位涌水量0.230 L/（s?m），滲透系數2.556 m/d，為弱－中等富水性含水層。

2 裂縫區域破壞機理分析

2.1 區域裂縫分析原因

裂縫產生的主要原因是存在含水弱層、1530水平以上有含水層及斷層構造。

2.1.1 含水弱層

該區域土質松軟，含水量較大，有一條明顯的含水弱層（第四系松散巖類含水層）和二疊系下統山西組砂巖裂隙含水巖組。第四系松散巖含水較豐富，單位涌水量0.196 L/s.m，為弱～中等富水性含水層。二疊系下統山西組砂巖裂隙含水巖組單位涌水量0.230 L/s.m，為弱～中等富水性含水層。

2.1.2 斷層構造

裂縫區域在F1斷層帶范圍內，F1斷層帶位于礦區西北部邊界，該斷層走向NE，傾向SE，落差約200 m，傾角80°，F1斷層有導水性和充水性，裂縫區域位于斷層帶的上部。

2.2 區域裂縫機理分析

裂縫區域處于北側山體原水道位置，兩側是山體的出水溝道，下部+1 530 m平盤是通往官地村原河道。該區域土質松軟，含水量較大，含水弱層影響山體穩定性，通過現場實測，裂縫區域含水層平均出水量約0.8 m3/h，前期出水量稍大，后期出水量較小。

裂縫區域位于F1斷層帶上部，斷層區域內地層較為破碎，且容易積水，有較強的導水性，雖地表未出露，但造成地層穩定性大幅度下降。

裂縫區域巖土力學強度低，在含水層作用下易軟化、泥化，造成邊坡裂縫滑坡的滑動面。其發生滑坡的模式以“坐落滑移式”為主，其滑動面是由軟弱層面和切層部分的圓弧面組成的復合滑面。

從裂縫原因及機理分析，結合現場對裂縫區域的測量，裂縫區域深度在10 m~30 m之間，平均深度17 m左右，裂縫東部深度較小，西部深度較大。根據裂縫區域深度、地層巖性及《生產地質報告》中裂縫區域地質剖面圖綜合判斷，該滑坡屬于大曲線模式坐落式滑移，具體滑動模式見圖2。

圖2 大曲線模式坐落式滑移

3 治理措施

3.1 治理方式

根據該裂縫區域的地形地貌、地質構造、巖性特征及推斷滑動模式等綜合考慮，采用清頂削坡結合攔截山體水道匯水，將溝谷洪水和第四系松散巖類含水層水引至采場集水坑或附近河道的方式進行治理。

3.2 治理方案及工程量

治理方案采用上部卸載，下部承壓的方式。對1530水平以上的裂縫區域進行清理，修筑1540水平~1580水平臺階（根據地形條件，局部5 m臺階），最終幫坡角為17°，平盤寬度為8 m~50 m，臺階坡面角55°，治理工程量約為39.82萬m3。

3.3 邊坡穩定性驗算

根據地質報告中提供的巖塊強度、巖石物理力學資料及相臨礦山巖石力學資料，綜合確定巖石物理力學性質指標，見表1所示。

表1 巖石物理力學參數

采用簡化Bishop法，選取裂縫區域具有代表性的剖面進行穩定性分析驗算得出，該剖面邊坡角為17°時，邊坡穩定系數Fs=1.32，滿足邊坡穩定系數Fs＞1.2要求。

3.4 治理影響范圍

裂縫區域東西平均長度約360 m，南北平均長度110 m，面積約為39 600 m2，考慮裂縫區域周邊設置截水溝和平盤排水溝攔截山體匯水，設置安全距離防止局部片幫或再次發生裂縫，清理裂縫頂部散落物等因素綜合考慮，治理影響范圍較裂縫區域范圍應適當擴大30 m~50 m。

4 邊坡監測措施

根據裂縫區域治理施工進度，不斷優化邊坡監測網絡，動態調整監測點位置，確保邊坡監測全面覆蓋裂縫治理施工區域。

4.1 邊坡監測方式

采用GPS自動監測和人工監測相結合方式。其中GPS自動監測采用GPS定位系統和24小時在線監測系統，對裂縫區域邊坡進行24小時不間斷監測。根據實際情況隨時調整自動監測位置監測數據每30分鐘進行更新，發現異常情況，立即報警；人工監測通過在裂縫區域內設置人工監測點，安排專業巡查人員每日進行兩次巡查，查看地表沉降、邊坡位移變形狀況，發異常情況時，及時匯報處理。

4.2 邊坡監測點布設

裂縫治理區域內共布置3條監測線，9個人工監測點，1個GPS自動監測點。其中西部設置1條監測線、3個監測點；中部設置1條監測線、4個監測點；東部設置1條監測線、3個監測點。具體位置如圖3所示。

圖3 裂縫區域邊坡監測點布置示意圖

4.3 監測數據分析

整個裂縫治理工期為20天，治理期間頂部累計下沉量為76 mm，底部累計伸出量為65 mm；治理結束后一個月，頂部累計下沉量為75 mm，底部累計伸出量為54 mm；目前頂部下沉速率為6 mm/月，底部伸出速率為4 mm/月，裂縫趨于穩定。

5 結語

裂縫區域地層自上而下由細粉砂土、砂質粘土、中粗粒砂巖、灰色泥巖、粉砂巖、中粗砂巖組成。治理措施采用清頂削坡、攔截山體水道匯水為主，同時輔以防排水措施及邊坡監測措施，通過穩定性分析計算，治理方式滿足邊坡穩定性要求。同時根據監測數據分析，表明治理措施科學有效，為安全生產提供可靠保障。