某露天礦邊坡變形區治理及開采方案研究*

王浩然 侯成恒 常劍 蘇強 郭霽 李曉雨

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室；3.遼寧石油化工大學經濟管理學院）

隨著礦產資源被不斷開發，國內露天礦數量不 斷增加，開采深度越來越深，導致開采難度越來越大，對技術水平要求逐漸提高［1］。隨著國家對安全生產要求不斷提高，每個人身上都擔負著不可推卸的安全責任，安全生產成為每個礦產資源企業最重視且不可逾越的紅線。但安全與生產問題往往相互制約，在國家允許區域內開采出更多的資源必然面臨著更大的風險，如何在保證安全前提下開采更多的資源，平衡好安全與生產這桿秤成為每個人最為關心的問題。

在露天礦中滑坡問題為地質災害中最常見，也是最嚴重的問題［2］，災害一旦發生，對財產及人身安全造成較大影響，因此為保證邊坡的穩定，預防滑坡災害問題的發生成為露天礦安全生產的重中之重［3-4］。

邊坡在滑坡之前往往有一些前兆預示著滑坡災害的到來，邊坡變形的速度及加速度的升高便是滑坡前兆之一［5-6］。所有邊坡都存在著一定程度的變形，邊坡變形的速度及加速度在安全范圍之內表明邊坡處于穩定狀態，一旦邊坡變形速度及加速度超過安全數值，便預示邊坡存在滑坡的前兆，需緊急撤離人員及設備，對露天礦安全及生產造成較大影響。在變形邊坡治理研究中，李桂艷［7］采用FLAC3D數值模擬方法推斷出北幫采場及南幫整體邊坡存在失穩風險，通過對北幫局部削坡清方，南幫滑體削坡減載的治理方法使邊坡達到穩定狀態。李苗苗等［8］通過分析鉆孔信息及監測點數據推斷出弱層分布情況，提出分層位、分區段削坡治理方案并進行分析，表明在清方量相同時，清理上層優于清理下層，清理位置越靠近滑面效果越好。

本次針對變形區邊坡提出分階段治理，再開采的方案并進行分析研究，得到最具性價比的邊坡災害治理方案，以最低成本使邊坡達到穩定狀態的同時開采較多礦產資源，達到安全與生產之間的平衡［9-10］。

1 邊坡概況

通過對現場地質勘探調查，露天礦巖層分布主要為砂巖、泥巖、泥砂巖互層、粉質黏土、煤層及弱層。

露天礦巖體結構主要呈現碎裂狀和層狀結構。受風化侵蝕、工程開采擾動、爆破震動等影響，泥巖和砂巖呈碎裂狀結構；泥巖和砂巖組成的層狀巖體，泥巖、砂巖交替沉積構成軟硬相間互層狀巖體結構。部分巖體如回填土、黃土、滾落的砂巖泥巖等呈現散體狀結構。

變形區范圍內共建立8個工程地質簡化模型，分別為NB-1～NB-8 剖面，其中選取典型剖面NB-2 剖面作為示例，如圖1所示。

2 巖土物理力學參數

本次邊坡工程地質補充勘查巖土體力學試驗，通過鉆孔取樣并最終形成本次巖土體物理力學試驗成果，取土樣355組，巖樣45組，進行了室內土工試驗和巖石試驗。

在試驗數據的基礎上，綜合以往試驗成果，通過巖體分級、Hoek-Brown 方法分析、節理化巖體強度研究及以往工程經驗，給出了各剖面的巖土體物理力學指標推薦值見表1。

3 邊坡變形破壞機理

露天礦邊坡的失穩破壞按其發生形態可分為剝落、崩落、滑動、沉降、流動等幾種基本形態。邊坡的失穩受多種因素影響，包括層面、層理、節理、斷層及地下水等。為研究邊坡失穩的破壞機理，往往采取GNSS（雷達）地表位移監測、數值模擬及相似模型試驗相結合的研究方法，同時結合現場工程地質實際情況對邊坡變形破壞機理進行研究［11-12］。

通過數值模擬軟件建立露天礦邊坡工程地質模型，采用位移邊界條件進行模型約束，X方向位移固定在x=0和x=570，Y方向位移固定在y=0和y=10，固定底面z=1100 豎直方向位移，頂面為自由邊界條件，模型計算采用摩爾-庫侖模型，材料物理力學指標見表1，數值模擬模型網格劃分如圖2所示。

數值模擬邊坡總位移云圖、沉降位移云圖及位移矢量圖結果如圖3～圖5所示。

根據數值模擬結果，由圖3 總位移云圖可知，邊坡位移主要集中在+1 320 m水平至最上部地表區域，且+1 340 m 水平區域位移最大；由圖4 沉降位移云圖可知，最上部區域位移較大，且+1 320 m 水平區域以沉降變形為主；由圖5 位移矢量圖可知，邊坡上部變形破壞以沉降變形為主，邊坡變形破壞模式為“圓弧式”變形破壞。

4 邊坡治理及開采方案

本文采用極限平衡法中的Morgenstern-Price法計算邊坡穩定性，穩定系數的選取按照《煤炭工業露天礦設計規范》有關規定。結合研究區邊坡工程地質水文地質條件的勘查程度、巖土體力學性質的掌握情況、采礦活動影響、邊坡的服務年限和邊坡類型等綜合分析，確定局部邊坡的安全儲備系數Fs=1.05，整體邊坡的安全儲備系數Fs=1.10。依據現場的實際條件，邊坡變形區采用先治理，后開采的方式進行分期治理。

4.1 邊坡治理方案

變形區邊坡位于+1 320～+1 380 m 水平，第一期采取削坡減載治理方案，治理方案設計主要原則為在井田邊界范圍內，最大限度地將上部運輸道路南移，同時保證上部供電設施，其他設備位置不變，并保證+1 340 m 水平運輸道路寬度不小于40 m。由于施工過程中上部黃土較松散，施工開挖后按照原設計邊坡角出現片幫現象，決定將該區域基巖以上黃土利用剝離巖石進行置換，置換后單臺階坡面角由設計65°降低至35°，南北方向上置換寬度約為9 m。根據治理設計及治理后邊坡現狀圖，建立第一期治理設計和治理后邊坡現狀工程地質模型，如圖6所示。

變形區邊坡采取削坡減載治理措施后，變形區穩定系數得到明顯提升（圖7），NB-4～NB-8 剖面區域均滿足安全儲備系數1.1 的要求，但NB-1～NB-3剖面區域不滿足安全儲備系數1.1 的要求，屬于欠穩定區域，故NB-1～NB-3剖面區域需進行進一步邊坡治理，確保邊坡安全穩定。

為確保二期治理工程能徹底解決變形區邊坡失穩情況，提出削坡減載，回填壓腳，抗滑樁，擴幫，平盤降高共5種治理方案并進行研究分析，通過綜合分析工程效果、經濟及人力成本等要素后得出平盤降高為最經濟且省力的治理方案。平盤降高治理方案為對該區域+1 340 m 平盤采取措施，不穩定區域邊坡+1 340 m 平盤降高后的平盤標高為+1 332 m，治理方案設計平面圖如圖8所示。

上部平盤高度由+1 343 m 降高至+1 332 m 水平后，邊坡穩定系數分別為1.133、1.129 和1.101，均滿足安全儲備系數1.10的要求。

4.2 邊坡開采方案

二期治理完成后，變形區邊坡穩定性滿足安全儲備要求，邊坡處于穩定狀態，為下一步制定開采方案打下基礎。為確保開采過程中邊坡保持穩定，制定開采方案為+1 250 m 以上邊坡保持不變，先對+1 228 m 平盤進行回填壓腳至+1 250 m 水平，保證開采過程中整體邊坡穩定。開采過程中在+1 214 m水平至4 煤底板留7 m 高平盤進行壓腳，以保持局部邊坡穩定，開采設計線以外煤層全部采出。基于二期治理設計方案提出的采煤設計方案見圖9。對露天礦變形區整體4煤層進行邊坡穩定性計算，結果見表2。

由表2 可知，采用采煤設計方案后，局部邊坡穩定系數均滿足1.05 安全儲備系數要求，整體邊坡穩定系數均滿足1.1 安全儲備系數要求，屬于穩定狀態。

5 結論

（1）結合現場工程地質調查、物理力學實驗數據的基礎上采用數值模擬方法對變形區邊坡破壞機理進行研究，得出礦區潛在破壞模式為“圓弧式”破壞及單臺階的局部崩塌破壞；上部弱層賦存情況下的“坐落—滑移”式變形破壞。

（2）邊坡變形區采用先治理，后開采的方式進行分期治理。第一期采用削坡減載治理方案，NB-4～NB-8 剖面區域滿足安全儲備系數1.1 的要求，NB-1～NB-3 剖面區域不滿足安全儲備系數1.1 的要求。第二期采用平盤降高治理方案，使變形區邊坡整體均達到穩定狀態。開采方案為+1 250 m 以上邊坡保持不變，先對+1 228 m 平盤進行回填壓腳至+1 250 m水平，同時在開采過程中在+1 214 m 水平至4 煤底板留7m 高平盤進行壓腳，開采設計線以外煤層全部安全采出。通過穩定性分析計算，變形區邊坡整體均達到穩定狀態。