露天煤矿边坡变形与次生灾害演化及防治措施

刘子春，王树清，韩 猛，梁成江，李红清

（1.内蒙古大雁矿业集团有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021116；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

露天煤矿边坡变形与次生灾害演化及防治措施

刘子春1，王树清1，韩 猛2，梁成江1，李红清1

（1.内蒙古大雁矿业集团有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021116；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

露天煤矿水、火、边坡问题相互联系，相互制约，边坡变形是灾害发生的重要诱发因素。分析了边坡变形与次生灾害演化的联系、灾害治理对次生灾害演化的影响，提出从边坡变形源头控制、在灾害监测基础上的综合防治措施。

边坡变形；次生灾害；地下水；自燃

0 引 言

资料统计显示，露天煤矿灾害频率排在前3位的分别是滑坡灾害、水患及煤层自燃[1]。露天煤矿水、火、边坡问题相互联系，相互制约，边坡变形是滑坡产生的直接诱发原因，通常滑坡要经历3个阶段：初始变形阶段、等速变形阶段、加速变形阶段。当边坡进入加速变形阶段以后，边坡面临滑动危险；边坡变形导致煤岩松散破碎，形成裂缝，造成煤层裂隙透风自燃；边坡变形的实质为边坡岩体结构的改变，进而改变地下水的运移规律；当地下水赋存环境及运移路径改变后，会对边坡稳定产生新的影响[2-3]。因此，若不及时对边坡变形进行预防或控制，将可能导致各种次生灾害的发生，次生灾害反之又会诱发变形的加剧。

1 边坡变形引发的次生灾害

1.1 滑坡

工程实践与滑坡研究表明，露天边坡的破坏或滑动，在大多情况下并不是在开挖形成以后立即产生，边坡岩体应力与变形随时间变化发展并不断地调整，其调整的过程大都需要经历一个较长的时期。边坡变形是滑坡产生的最初特征，边坡变形曲线一般包含3个阶段，即初始变形阶段、等速变形阶段及加速变形阶段。也有的学者将初始变形阶段细化为瞬时弹性变形及初始蠕动变形2个阶段[4-5]。一般而言，初始变形经历时间较短，随即进入较长时期的等速变形阶段，当边坡进入加速变形阶段以后预示着边坡随时面临滑坡危险。因此，边坡变形的研究或监测对于滑坡预防意义重大，对于滑坡防治所采取的各种工程措施或采矿措施一般要在边坡进入加速变形以前实施。滑坡时间曲线如图1。

露天矿边坡发生持续变形的作用机理非常复杂，边坡变形各时期临界点也较难确定，一般只能通过变形监测手段获取。边坡变形的一个重要机制为岩石的蠕变特性。对于力学强度较差的软岩边坡而言，岩石的蠕变特性最为明显。其特点为变形大、强度低、结构性明显、赋存环境和时间效应强烈。在恒定的应力作用下，软岩材料一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大3个阶段，但各阶段出现与否以及延续时间，则与岩性和所施加的应力水平有关。坚硬岩石发生流变变形相对较小。

图1 滑坡时间曲线

边坡岩体的变形通常还与断层、节理等构造以及软弱夹层等因素有关。岩体结构控制岩体变形、破坏以及力学特性。尤其对于存在软弱夹层的岩质边坡，由于软弱夹层具有蠕变力学特性，且蠕变时间较长，直接影响着边坡岩体的长期稳定性。所以软弱夹层的变形也是边坡岩体变形的重要研究内容[3]。

1.2 煤层自燃

对于大多露天煤矿而言，受开采境界约束及开采条件限制，边坡一般存在不同程度的压煤，尤其对于倾斜煤层，由于露头煤煤质较差，且松散破碎，在开采布置时往往有不采的劣质露头煤残留在边坡体内。当边坡出现变形后，很容易破坏边坡的地形和原始应力平衡。导致裂缝的出现，这样在外界风力、压力及外界与煤体内部之间的自然风压作用下，外界含氧空气渗入边坡煤体之中。煤炭具有吸附空气中氧的特性，发生煤氧复合作用，并放出相当多的热量。由于煤体体积较大，热量被积聚起来，积聚的热量反过来加热煤体，使煤体与空气之间的氧化反应更加剧烈，煤体温度不断上升，当达到煤的着火温度时，导致边坡压煤发生自燃[1]。

1.3 地下水变化

边坡变形对地下水的影响方式一般分2个方面：①边坡变形导致的岩体结构发生变化后，岩体渗透性质随之发生改变，一般在岩体松散破碎后，大气降水及地面汇水更容易向边坡岩体渗透，尤其在地面裂缝形成后，大气降水及地面汇水容易沿裂缝直接向岩体内渗透，导致地下水位发生变化；②边坡变形后，地下水的赋存环境及运移路径会发生变化，尤其当隔水层遭到破坏后，将导致不同含水层地下水产生贯通，造成越流补给，进而造成地下水位的上涨。需要指出的是，当地下水运移方式发生改变后，容易给露天矿地下水疏干带来困难。

1.4 灾害联系与制约因素

露天矿灾害演化模式如图2。露天矿边坡变形可能导致滑坡、煤层自燃、地下水位上涨等次生灾害。事实证明，各种灾害并不是孤立存在的，其诱发及制约因素也不是唯一的。边坡变形导致煤岩松散破碎，并形成裂缝，进而造成煤层沿裂隙透风自燃，煤层自燃后又将导致边坡岩体结构的进一步破坏，过火区边坡岩土力学参数将产生变化，其岩体强度有显著降低，影响边坡稳定性，同时增加了滑坡灾害的发生几率；边坡变形导致岩体结构改变及形成裂缝后，水对露天矿边坡稳定的影响主要表现在：

图2 露天矿灾害演化模式

1）对岩体力学指标的影响。当水向下渗透进入岩体内的空隙、裂隙时，一方面会溶解岩体中的部分可溶物，降低岩体强度；另一方面在上覆岩体重力下，封闭于空隙中的水会产生强大的空隙水压力，使岩体颗粒间的结合力减小，从而降低岩体强度，形成软质岩体，增加边坡失稳发生的概率。

2）对潜在滑动面的影响。露天矿边坡体存在潜在滑动面及垂直张裂缝的情况，在张裂缝处存在拉张应力作用下，张裂缝逐渐扩张发育。在地表水或大气降水的作用下，水从张裂缝渗入到边坡体以下，并渗入到潜在滑动面，促进滑动面内岩体蠕变流动变形。

2 灾害治理与次生灾害演化

边坡变形导致地下水位上涨后，将地下水位疏干降低至煤层底板以下，是开采工作得以顺利进行的基础，因此需加大地下水疏干强度，而高强度的疏干排水措施可能导致水体在运移过程中进一步加大了岩体内的空隙、裂隙等运移通道，同时进一步溶解岩体中的部分可溶物，降低岩体强度；煤层起火自燃后，水消法及覆土法是露天矿煤层灭火的常见方法，而对于边坡残煤而言，尤其当裂缝形成并贯通后，水消法容易造成水流沿裂隙渗入地下，并在隔水层位滞留，活化弱层，降低边坡稳定系数，进而造成滑坡，并且大量浇水将导致矿坑内地下水位抬升，影响开采工作；覆土对边坡稳定的影响也很明显，尤其当在边坡体上部覆土时，将导致边坡荷载过重影响边坡稳定；边坡残煤自燃后，过火区边坡岩土力学参数将产生变化，其岩体强度有显著降低，影响边坡稳定性。

3 灾害预防与治理

综上所述，露天矿灾害防治要从源头出发，将露天矿边坡、水、火等因素协同考虑，尽量避免在治理一种灾害时增加其它灾害发生的频率。在总结国内外露天矿灾害防治案例及经验的基础上，认为在露天矿常见的几种灾害防治方面应重点做好以下工作：

1）灾害监测：①边坡变形监测。目前常用的监测手段有人工监测、GPS自动监测、雷达自动监测等。对于监测范围较大且监测区域分散的矿区，可采用人工监测与GPS自动监测相结合的办法，空间上形成固定或可移动监测线，监测位置需涵盖排土场、采场地面、边坡、坑下等几个区域；对于监测区域集中或重点监测区域，可采用雷达自动监测手段；②煤层自燃监测。可采用红外望远镜、红外测温仪等监测巡查设备，有条件的矿区也可建立全自动火警预防监测系统；③地下水位监测。利用数字矿山监测技术，实现地下水位、疏干流量等监测。

2）边坡变形源头控制：以边坡变形监测数据作为重要依据，采用边坡参数调整、工程措施、采矿措施相结合的方法，针对所在矿区实际工程地质条件，在开采过程中将边坡变形速率控制在可控范围内，避免边坡变形进入加速期。

3）灾害综合防治措施：①裂缝填埋。对于边坡变形产生的地面裂缝及坡面裂缝，要及时巡查、掩埋，防止边坡岩体结构的持续破坏，防止大气降水、地面汇水渗入对边坡岩体的破坏，防止煤层透风自燃发生几率；②滑坡防治措施。常用的方法有削坡减载、内排压脚、工程加固等，在措施的选择上应根据所在矿区实际情况灵活考虑，并需与采排工艺与采排计划相结合；③防治水措施。防水工作必须贯彻“以防为主，防排结合“的原则，并应与排水、疏干统筹安排。目前国内外常用防治水方法及措施主要有防水及疏干2种方法。防水法主要包括地表水的防治和防渗堵水2种方法。地表水的防治方法有截水沟、河流改道和水库拦洪。防渗堵水工程分为防渗墙、注浆帷幕和高压旋喷桩堵水。疏干法对富水性强、威胁安全生产或影响采场边坡稳定的含水层，借助于巷道、疏水孔、明沟等疏水构筑物，全部或局部降低地下水位；④防灭火措施。露天矿灭火常用方法及措施分为：喷水灭火、挖除火源灭火、隔离带灭火、覆盖灭火、滴灌灭火、注浆灭火、氮气灭火等。当防灭火措施可能对边坡稳定产生影响时，应优先考虑注浆灭火及挖除火源灭火，避免覆土及喷水对边坡稳定的不良影响。

4 结语

对于露天矿灾害防治而言，在进行灾害治理时应从灾害源头出发，重点突出、综合治理。防灭火、防滑坡、防治水是一项系统工程，如何在开采方案制定及灾害治理过程中权衡几者之间的联系与矛盾，是关系露天矿安全、高效、经济开采的重要问题。

［1］王航龙，杨溢，李永亮，等.露天矿煤层自燃防灭火方法［J］.工业技术，2007（11）：9.

［2］赵锡刚.露天煤矿边坡地质灾害及其影响因素分析［J］.现代矿业，2013（1）：61-63.

［3］路万朋，王振伟，李秀春，等.露天矿火烧区露头煤岩遇水崩解试验研究［J］.露天采矿技术，2013（6）:10-11.

［4］李晓凤，彭洪阁.地下水对露天矿边坡稳定性影响及防治措施研究［J］.能源技术与管理，2013（5）：8-20.

［5］范军富，宋子岭，王东.地下水对灵泉露天矿边坡稳定性影响分析研究［J］.水资源与水工程学报，2011（5）：121-125.

【责任编辑：陈 毓】

Slope deformation and secondary disaster evolution and prevention measures in Open-pit Coal Mine

LIU Zichun1,WANG Shuqing1,HAN Meng2,LIANG Chengjiang1,LI Hongqing1
(1.Inner Mongolia Dayan Mining Group Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021116,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun113122,China)

The problems of water,fire and slope in open-pit coal mine are interrelated and mutually restricted.Slope deformation is an important inducement factor of disaster occurrence.The article analyzes the relationship between slope deformation and secondary disaster evolution,and the effect of disaster management on the secondary disaster evolution,and proposes the comprehensive prevention and control measures from the source control of slope deformation and disaster monitoring.

slope deformation;secondary disaster;groundwater;spontaneous combustion

TD824.7

B

1671－9816（2017）03－0074－03

2016-11-02

刘子春（1966—），男，内蒙古呼伦贝尔人，高级工程师，现就职于内蒙古大雁矿业集团有限责任公司扎尼河露天矿，从事露天煤矿技术管理工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.021

刘子春，王树清，韩猛，等.露天煤矿边坡变形与次生灾害演化及防治措施［J］.露天采矿技术，2017，32（3）：74-76.