安家岭露天矿逆断层区域边坡稳定性控制研究

郭生，闫杰，王振伟

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013）

安家岭露天矿逆断层区域边坡稳定性控制研究

郭生1，闫杰2，王振伟3

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；3.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013）

为保证边坡安全，采用赤平投影法、极限平衡法及数值模拟法对北帮、工作帮、南帮3个区域边坡进行稳定性分析。北帮断层区域放缓边坡角，南帮采取“提前掏槽开采-快速内排回填”措施；并确定了设计工作帮边坡的稳定性，提出开采安全建议。

地质构造；边坡；稳定性；露天矿

安家岭露天矿采场自2012年南帮区域首先进入安家岭逆断层与其平行的芦子沟背斜区域，由于安家岭逆断层北东走向，采场南帮最先进入安家岭逆断层影响区域，安家岭露天矿每年推进350 m左右，需要几年时间才能完全跨过逆断层影响区域。露天矿在南帮安家岭逆断层、北帮复杂地质构造区域时，边坡出现掉块、坍塌及片帮等问题，因此对安家岭逆断层区域露天矿边坡安全措施进行汇总。

1 安家岭露天矿地质构造

1.1 矿区地质构造

安家岭露天矿位于山西地台背斜北中部宁武煤田北端，煤田南北长，东西窄，呈北东向斜列，展布于鄂尔多斯地台，吕梁地块、五台地块及内蒙地轴之间为一继承性上叠构造盆地。宁武向斜贯穿宁武煤田南北，其走向：井坪-阳方口近南北，阳方口-静乐为N30°E，向斜轴除朔县平原偏向西部外，一般偏向东部，且东翼地层倾角大于西翼，为一不对称向斜。

安家岭露天矿位于宁武煤田的北部，处于马关河西部，为宁武向斜西部矿井，整体构造为一北东倾向的单斜构造，地层走向北偏西-南东向，矿区内地层倾角平缓，倾角一般为2°~10°。目前，安家岭露天矿生产区内主要地质构造有芦子沟背斜、安家岭逆断层、北帮复杂地质区域陷落柱3个。

褶曲-芦子沟背斜：为一区域性褶曲，背斜两翼产状不一致，北西翼倾角3°~5°，南东翼倾角6°~ 10°，在区内背斜轴长度约660 m，该背斜为弧型褶曲，弧顶指向南东。安家岭逆断层是本矿中部发育的断层，与芦子沟背斜基本平行，走向在区内为N25° ~40°E，倾角于15°~19°，最大达30°，落差不等，最大落差约80 m，该断层在井田中部分叉为F1逆断层及F1-2逆断层，F1-2逆断层向北部延伸至X2陷落柱处消失，逆断层向西北方向延伸至矿界外。安家岭露天矿首采区中，安家岭逆断层在首采区南帮区域距离背斜最远900 m左右，中部与北部区域与芦子沟背斜走向相近位于背斜轴部区域。

区内探明的陷落柱有3个，目前位于首采区端帮区域的陷落柱以内排回填。X2陷落柱位于工作帮区域，安家岭逆断层分支F1-2逆断层在此消失，位于形成的工作帮临时到界边坡区域。姚吉坪陷落柱位于北端帮，处于芦子沟背斜东翼，靠近轴部区域，陷落柱长304 m，宽209 m，面积51 597 m2。

1.2 端帮边坡节理裂隙

安家岭露天矿通过对南北端帮边坡岩体节理裂隙进行调查，并绘制了安家岭露天矿区节理裂隙玫瑰图（如图1）。

图1 节理裂隙调查玫瑰图

安家岭露天矿边坡节理产状主要为：第1组3 ~27°∠82~89°、第2组40~50°∠79~89°、第3组60~70°∠62~78°、第4组191~224°∠80~ 88°、第5组270°~298°∠64°~87°。节理裂隙倾角集中在80°左右，优势节理间距，砂岩间距2~5条/ m，泥岩间距6~11条/m，边坡节理宽度3~4 cm/ m。从现场实测及节理走向玫瑰图确定该区域节理形成与区域地质构造有关，按节理形成的力学性质分类为剪节理。

2 安家岭逆断层区域的对露天矿边坡的影响

2.1 安家岭逆断层区域对北端帮影响

安家岭露天矿北帮将面临安家岭逆断层和芦子沟背斜；芦子沟背斜两侧发育有横纵交错的断层及陷落柱。在矿坑向东推进中，北帮将遇到多条纵横交错的断层、陷落柱及因煤层降底而边坡增高等问题。北帮区域地质条件复杂，岩层剥离初期上部1375平盘出现片帮、1360平盘干道出现裂缝，随露天矿采深增加逐步揭露的断层影响区域如1270平盘，在雨季时1300水平断层破碎带出现片帮现象。因此在北帮复杂地质构造区域布置剖面，采用极限平衡法对其稳定性研究，剖面位置如图2，剖面边坡角见表1。

图2 北帮地质构造及稳定性分析剖面位置

表1 北帮设计边坡角

2.2 安家岭逆断层区域对南端帮影响

在安家岭露天矿南帮区域由于逆断层影响，上盘煤层已采完，下盘煤层面临到界问题。同时，在安家岭逆断层南帮区域地质调查中，南帮在1315平盘出现局部垮塌区域；1270平盘边帮段高45 m，边坡岩体较为破碎，在南帮1270水平上盘9煤剥离后，其端帮出现大量片帮区域，在1270平盘有大量崩落石块，影响长度达1 000 m左右。

由于靠近南帮区域安家岭逆断层影响，在煤层出现下降；逆断层破碎带在露天采动影响下，破碎带区域边坡稳定系数降低到1.071，边坡出现明显变形；若按设计11煤采出后，边坡将处于临界平衡状态，南端帮安家岭逆断层区域边坡稳定性变化规律如图3。

图3 南端帮安家岭逆断层区域边坡稳定性变化规律

2.3 安家岭逆断层区域对工作帮影响

安家岭露天矿南帮受安家岭逆断层影响区域，安全储备不足，在该区域采取提前掏槽开采方案；而在该方案实施过程中，工作帮靠界时揭露的安家岭逆断层上盘本溪组岩层，由于安家岭逆断层影响，以及本溪组岩层岩性较弱，在采矿活动下该区域出现沿节理裂隙的片帮。

3 安家岭逆断层区域的对露天矿边坡稳定性

3.1 北端帮边坡稳定性

北帮复杂地质条件区域存在正断层F23（产状294°/68°~70°），逆断层FB22（产状135°/30°~35°），边坡（产状180°/22°~23°），通过赤平投影法对岩质边坡岩体稳定性分析，确定该区域边坡稳定类型为可能滑动，滑动方向（产状45°/0°），边坡稳定系数为1.601，岩质边坡岩体稳定性分析结果如图4。通过对原设计方案进行优化，在边坡角平均放缓2°~3°时，保障边坡可以满足安全储备要求，两方案边坡稳定性对比见表2所示。

图4 岩质边坡岩体稳定性分析结果

表2 边坡角及安全性对比

3.2 南端帮边坡稳定性

南帮安家岭逆断层影响区域治理方案：该区域上盘11煤已完全剥离，剩余下盘煤层，因此在南帮靠界区域，提前掏槽将靠界区域煤层采出，实现内排压脚；将4下1煤保安平盘加宽至10 m，将4下2煤保安平盘加宽至15 m，边坡稳定系数为1.103，提前掏槽结束后内排即可快速跟进。南帮提前掏槽区域稳定性分析如图5所示。

南帮下盘煤层靠界区域进行提前掏槽开采，并实现了内排回填，保证端帮运输系统的安全，目前该区域边坡处于安全状态。采用“提前掏槽开采-快速内排回填”方案，不仅保障边坡安全，同时提前释放排土空间、减少内排运距，南帮在该区域形成直线运输道路，减少折返，有效地缩短了矿区运煤路线。

3.3 工作帮边坡稳定性

安家岭逆断层及F23正断层影响，矿区煤层出现急剧抬升，工作帮将面临临时到界，临时到界端帮为本溪组岩层，受到断层影响，岩层节理裂隙发育、岩性较弱。为预防工作帮片帮现象再次发生，对靠帮方案通过边坡破坏机理分析与稳定性验算，以满足露天矿安全开采，稳定性评价剖面位置及靠界方案如图6。

图5 南帮提前掏槽区域稳定性分析

图6 工作帮靠帮边坡稳定计算剖面位置

3.3.1 工作帮破坏机理研究

工作帮边坡GZB2剖面数值模拟结果如图7，水平方向位移云图中，表现为向边坡临空面的位移；剪切应力云图显示，在边坡各个台阶出现应力集中现象明显，未形成贯通的剪应力集中现象，边坡未出现明显的破坏模式。

图7 工作帮到界边坡破坏机理

3.3.2 工作帮边坡稳定性分析

工作帮在靠近南部安家岭逆断层影响区域GZB1剖面控制区域稳定系数为1.110，逆断层区域GZB2剖面控制区域稳定系数可以达到1.163，正断层影响区域GZB3剖面控制区域位于正断层影响区域稳定系数为1.107，计算结果如图8。到界边坡稳定系数均可以大于1.1，因此设计方案可以满足安全要求。

3.3.3 工作帮边坡开采时注意事项

安家岭露天矿在南帮逆断层影响区域进行“提前掏槽-快速内排回填”方案时，临时到界工作帮出现局部片帮现象。通过安家岭露天矿节理裂隙分析，工作帮边坡走向受断层影响，节理裂隙发育，边坡走向与断层走线一致，边坡产状倾向294°、倾角45°~ 48°，边坡倾角小于节理裂隙倾角，出现沿节理方向的片帮现象，因此需要加强工作帮到界区域的巡查工作，出现裂缝及时采取防护措施。

图8 工作帮到界边坡稳定性结果

4 结论

安家岭露天矿面临安家岭逆断层和芦子沟背斜构造影响，芦子沟背斜两侧发育有横纵交错的断层及陷落柱。在矿坑向东推进中，北帮将遇到正逆断层交错影响，工作帮边坡面临安家岭逆断层、FB23正断层及陷落柱构造影响，南帮边坡面临安家岭逆断层影响等边坡安全问题。

1）北帮揭露的正逆断层交错影响区域，地质条件复杂，区域岩层破碎严重，影响范围E11290-E11800为未来几年北帮不良地质条件区域。安家岭露天矿对北端帮地质复杂区域采取放缓边坡角措施，使边坡满足安全需要。

2）南帮边坡在安家岭逆断层影响下，若正常开采则边坡将处于临界状态，因此在该区域提出“提前掏槽-快速内排回填”方案，不仅保证南帮断层影响区域边坡的安全开采，而且提前释放排土空间，减少内排运距，并缩短了矿区运煤路线，实现了降本增效的效果，在保障安全的基础上取得巨大的经济效益。

3）工作帮边坡受到安家岭逆断层、FB23正断层及陷落柱的影响，通过对其进行稳定性验算评价，确定其稳定系数均能大于1.1，可满足安全规程储备要求。同时，由于到界边坡该为断层破碎带区域，剥离采掘过程中易出现局部片帮现象，因此需要做好边坡危险警戒工作。

［1］刘如成，刘峰，许昌.安家岭露天煤矿开拓运输系统优化［J］.露天采矿技术，2008（4）：11-13.

［2］原文杰，贺昌斌，邓有燃，等.平朔安家岭露天矿生产长远规划研究［J］.露天采矿技术，2013（11）：30-32.

［3］刘峰，邓有燃，张小东，等.安家岭露天矿过芦子沟背斜期间开采程序优化［J］.露天采矿技术，2012（S1）：5-8.

［4］刘峰，邓有燃，刘如成，等.安家岭矿过逆断层和背斜期间开拓运输系统优化研究［J］.露天采矿技术，2012（S1）：21-24.

［5］李志强，张立新.安家岭煤矿可持续发展问题的研究［J］.露天采矿技术，2007（1）：4-6.

［6］煤科集团沈阳研究院有限公司.安家岭露天矿边坡稳定性年度评价［R］.抚顺：煤科集团沈阳研究院有限公司，2014.

［7］常永刚.露天煤矿过渡断层安全高效开采的实践［J］.露天采矿技术，2014（9）：11-14.

【责任编辑：解连江】

Study on slope stability control in thrust area of Anjialing Open-pit Mine

GUO Sheng1,YAN Jie2,WANG Zhenwei3
(1.China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China; 3.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

In order to ensure the safety of slope,using the plane projection method,limit equilibrium method and numerical simulation method,the author analyzes the slope stability of north slope,working slope and south slope.The north slope zone slows down the slope angle and the south slope takes the measures of"ahead of cut mining-fast inner row backfill"to determine the design work of slope stability and put forward the suggestions of mining safety.

geological structure;slope;stability;open-pit mine

TD824.7

B

1671－9816（2017）02－0009－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.003

郭生，闫杰，王振伟.安家岭露天矿逆断层区域边坡稳定性控制研究［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：9-13.

2016-08-03

郭生（1973—）男，山西怀仁人，高级工程师，现任中煤平朔集团有限公司技术中心主任助理。