霍林河一号露天矿边坡稳定性分析与滑坡预防

任国柱，耿立君，郑柏举，孙艳辉，柴国强

（霍林河露天煤业股份有限公司，内蒙古 霍林郭勒 029200）

滑坡分析与预防已成为灾害研究中的重点研究课题，由基础理论可知边坡变形破坏是多种因素综合作用的结果，具体形成条件可分为内部条件和外部条件。边坡滑坡的内部条件取决于边坡内的物质构成（如边坡岩性、边坡地质、边坡岩体内的断层、节理裂隙）和地形影响（如边的结构参数形状、坡度、地层岩性、地质构造等）；外部因素包括振动、气象条件、斜坡形状、地下水位和人类活动[1]。内因是边坡岩体变形破坏的主要因素，外因是边坡岩体变形破坏的诱发因素[2]。

1 矿区概况

霍林河一号露天矿位于内蒙古自治区通辽市霍林郭勒市境内，地处大兴安岭南端的脊背，座落在科尔沁大草原中心地带。东邻兴安盟，西靠锡林郭勒盟，南连赤峰市，北距中蒙边界120 km，属北温带大陆性气候。一号露天矿是国家电投内蒙古能源有限公司霍林河露天煤业股份有限公司下属单位，始建于1981年6月，是我国自行设计、自行施工建设的第一座千万吨级现代化露天煤矿，核定年生产能力为1 800万t。近年来，边坡稳定性大大的制约了霍林河一号露天矿的产能释放，还给安全生产带来了极大的隐患，现已成为一项迫在眉睫的管理难题和技术难题。

2 边坡稳定性

2.1 地质构造因素对边坡稳定的影响

1）矿区褶皱条件。煤田为宽缓向斜构造，向斜轴与煤田分布方向一致，一般为N22 E。向斜两翼地层倾角不同，略有不对称[3]。

2）矿区断层条件。该区大部分断层为拉伸正断层，主要是1组平行延伸，间距1～1.5 km的活动断层。在已探明的16条断层中，主要断层有4条[4]。F5是贯穿整个区域的主要走向断层，位置可靠，摆动小。F4是1个贯穿该地区北部的断裂带。F8是该区的主要横向断层，其准确的位置和方向均有一定的摆动。F8－1为F8断层的1个分支，其方向可疑。然而，下降幅度很小，只有20～30 m，对矿业影响不大。

3）矿区围岩赋存特征。含煤段地层包括砾岩、细砾岩、各种粒度的砂岩和泥岩。留下少量碳酸盐结核和薄层。含煤地层中，各种地层包括：砾岩和细砾岩4%、粉砂岩21%、粗砂岩11%、泥岩14%、中砂岩7%、煤层24%、细砂岩15%、碳酸盐结核及其胶结岩石4%。在上述岩石中，较粗的细砾岩和中砂岩主要由火山岩中的粗凝灰岩、粗面岩和燧石碎屑组成，其次是长石和长石。细砂岩和粉砂岩主要由长石和适时碎屑组成，其次是火山、碎屑和碎屑，有时含有少量云母。泥岩主要由水云母、高岭石和蒙脱石等泥岩矿物组成。碎屑的磨圆特征：较硬的正时和长石大多呈角状和亚棱角状。火山凝灰岩碎屑更容易研磨成圆形，通常是亚圆形。

2.2 水文地质因素对边坡稳定的影响

1）矿区地下水条件。霍林河煤田为由周围老盘构成的中低山所环绕的盆地，因而煤田内、外含水层包括煤系风化带水，火山碎屑岩裂隙水，以及第四系砂砾石含水层等，均以大气降水为主要补给水源。本区降水集中在6—8月份。

2）矿区含水层特征。该区主要含水层包括第四系砂砾石含水层、风化煤系含水层和火山碎屑岩裂隙含水层。松散砂砾石含水层，广泛分布于整个区域，洪泛平原和山前平原地区大面积裸露，主要由细砂、砾石和砂砾组成。风化煤系带含水层主要由淤泥、细砂岩和煤层孔隙、裂隙潜水和局部承压组成，厚度为1.27～ 47.6 m，单位涌水量为0.134 L/（s·m）～1.361 L/（s·m）。东部含水层较厚，平均58.078 m；西部薄36.79 m，主要由大气降水提供。单位涌水量为0.696～1.7 L/（s·m）。火山碎屑岩裂隙含水层分布广泛，主要由火山熔岩、凝灰岩和凝灰岩角砾岩组成。主要由含水风化裂隙或含水构造裂隙带组成。含水量受裂隙发育控制，具有明显的非均质性。它通常呈带状分布，有时形成2～3层含水层。由于泥岩覆盖，地下水部分具有承载力，水头高于地表。就整个区域而言，属于裂隙潜水，直接由大气降水和上覆第四系含水层溢流补给。含水层集中在地下106 m以内，最低标高为721.702 m，含水层厚度一般为30 m～ 40 m，单位流入量高达46.026 L/（s·m）。

一号露天矿地层以坚硬岩石与软岩互层，软弱结构层多，结构面走向与露天矿边坡走向的夹角接近，岩体构造简单，含水性中等，透水性弱，综合分析一号露天矿整体边坡类型为基本稳定型。南端帮地层岩性为第四系砂土层、粉质黏土层、霍林河上泥岩段地层，上覆排弃物，属于原始揭露边坡向采空区自然沉降，随着南排北移、解冻及降雨的影响，局部有沉降可能。

2.3 地表位移监测

1）南端帮位移监测。南端帮3条监测线7个监测点，平面位置向西南方向移动，累计平面移动在25～ 45 mm之间，累计高程下降28～ 71 mm之间；5月份解冻期间位移较大，后期由于内排跟进，点位破坏较多，没有进一步监测；分析认为：南排北移，对原始边坡增加荷载，使南端帮整体应力重新分布，整体变形位移处于可控范围。

2012年与2011年总体施工情况对比如下，在平均井深同比增加61m的情况下，完成井总量增加33口，钻井总进尺增加107 044m；钻机月速提高687m／台月，同比提高22.15%；建井周期缩短2d，同比减少17.12%。

2）南内排位移监测。南内排6个监测点，整体空间位置向东北方向移动，累计平面移动在48～344 mm之间，高程位移在－101～－453 mm之间，N1－3点位变化较大，位移整体速率较小，南内排整体在逐步沉降中。平面向西南方向移动，分析认为属于新排弃物自然沉降影响，整体基本稳定。

3）观礼台位移监测。观礼台周边14个监测点，整体空间位置向西北、西南方向移动。累计平面移动在，104～ 967 mm之间，其中观礼台北部JC－P－22、JC－P－23监测点平面移动较大，分别为907 mm和967 mm；高程位移在1～833 mm之间，其中JC－P－17、JC－P－22、JC－P－23点高程变化大，分别 为－314、－833、－830 mm；GNSS监测数据显示，有加速位移趋势，呈现上部下降，下部抬升趋势，虽然位移量较小，但是处于整体变化中。极限平衡分析，安全储备系数较低。目前仍处于缓慢蠕动过程中，存在局部滑移可能。

4）西排位移监测。西排在2月份发现沉降裂缝后，共布设5条监测线。整体数据变化较平稳，排土场靠近西侧边缘自然沉降大；西排局部位置坐落于原始低洼草原上，随着上部荷载增加，底部淤泥质基底发生塑变，上部松散排弃物势必会发生不同程度的沉降。高程缓慢沉降，平面向西北方向移动，分析认为属于新排弃物自然沉降影响，整体基本稳定。

2.4 边坡极限平衡分析

本次模拟计算，选取的各种力学参数，参考初期采矿设计、2006年煤炭科学研究总院西安研究院提交的稳定性分析报告、沈阳设计研究院有限公司2015年10月提交的一号露天矿边坡稳定评价中的数据，与实际情况会有一定出入，以南内排为例，南内排物料及岩性参数见表1。

表1 南内排物料及岩性参数

极限平衡分析过程是基于以往工程地质数据资料，以一号露天矿内排区域为例，此区域边坡地质情况为矿山矸石，所以不考虑受地下水影响。在不同软弱层结构面倾角下，采用极限平衡法，函数模型选用Bishop法[5]。

Bishop法自动搜索最危险滑裂面计算条件为：①圆弧稳定分析方法：（Bishop法）[6]；②土条重切向分力与滑动方向反向时：当下滑力对待；③稳定计算目标：自动搜索最危险滑裂面[7]。

由于南内排不受地下水的影响，底部软弱结构面较少，通过此函数模型进行区域稳定（安全）系数模拟分析可以得出，控制构面倾角（坡面角）小于15°，安全系数会将大于1.25（此值为安全阈值），本区域稳定性就较好。通过此例可以说明构面倾角越小，边坡稳定系数较高（不同区域根据地质、水文、采矿等不同因素影响构面倾角会有变动，但安全系数阈值不变）。

按照上述模型计算霍林河一号露天矿各区域极限平衡系数，南内排极限平衡系数为1.708，西排极限平衡系数为1.227，观礼台区域极限平衡系数为1.162。

3 边坡稳定性分析结果与边坡防治

3.1 边坡稳定性分析结果

1）南内排区域。整体地表监测数据变化较平稳，数值模拟安全储备系数较大，整体稳定。

2）西排土场区域。目前整体数据变化较平稳，排土场靠近西侧边缘自然沉降大。西排局部位置坐落于原始低洼草原上，随着上部荷载增加，底部淤泥质基底发生塑变，上部松散排弃物势必会发生不同程度的沉降现象。

3）观礼台区域。经过处理后整体变化平缓，但是局部点位位移明显，地表位移监测数据和极限平衡分析数据显示，安全储备系数较低，观礼台区域整体较稳定，但存在滑移可能。

3.2 边坡滑坡防治

通过边坡稳定性分析可知，影响该矿区边坡稳定的因素较多，但几项主要因素有着决定性的作用，针对分析结果制定符合该矿的边帮治理与滑坡预防办法。

1）南内排区域边坡治理与滑坡预防。南内排边坡为矿坑回填所形成，排土场主要物质组成为采矿矸石，松散系数大，但底层基础为地层硬岩，且排土场与硬岩直接相连，并排土场为整体连续，在不断自然沉积的条件下会趋于稳定，但在排土场形成过程中需要加强管理，设计的帮坡角要小于15°，并且要采取南内排土场底部台阶与煤台阶坡底靠死的排土方式，利用底部形成的挡墙对排土场形成支撑。生产组织符合规范要求，留有充足的安全距离和汛期排水空间。建议在南内排建设过程中加强区域边坡监测力度和监测范围。

2）西排和观礼台区域边坡治理与滑坡预防。西排土场和观礼台区域是在原有地表为基础的情况下建设的，此类区域为避免区域性整体滑坡，在采矿设计时要注意在中坑区域与配采区域留有支柱性坡面（可随着回填的跟进，适时再采），从而阻断排土场和边坡帮面在自重应力变化情况下引起的整体滑坡事故。

3）观礼台区域重点区域边坡治理与滑坡预防。安全系数远远小于模型阈值1.25是滑坡预防的重点区域，此区域受采掘场生产影响较大，请现场生产单位严格按采矿设计组织生产，必要时可对此区域做专项设计再生产，以保证边坡稳定安全。观礼台下部安装2套半连续系统带式输送机，施工期间存在边坡扰动，而且边坡倾向与岩层倾向相同，不利于该处边坡稳定，需要重点监测此区域边坡变形情况。加强观礼台监测区域人工巡视工作，重点巡视880、900、950平盘，做好工程地质写实工作。

4 结语

露天矿随着开采规模的不断扩大，边坡滑坡的危害越来越凸显，已经成为制约煤矿安全生产的极大隐患。通过对本矿区边坡稳定性进行研究得出以下结论与成果：

1）归纳总结出影响露天矿滑坡的各因素主次关系，对其进行权重分配，结合地表监测数据，分析出本矿区边坡变化规律。

2）根据滑坡原因与滑坡规律，选择了适合本矿区特性的边坡分析模型，对本矿区各边帮做出了边坡极限平衡分析。

3）通过极限平衡分析结果，有针对性对不同边帮进行滑坡预警，在危害发生前就对有滑坡倾的区域采取预防治理措施，防止边坡滑坡事故的发生。

随着露天煤矿“安全高效、绿色清洁”的发展步伐不断前进，边帮滑坡治理也将更加侧重于科学化、低成本高效率、防范于未然的道路。露天矿滑坡灾害的关键点就在于“边坡稳定性”，将其作为主要研究目标才是追根溯源，才是从根本上研究露天矿滑坡的原因、表象、后果危害程度以及防治方法的正途，边坡稳定性分析必将成为露天矿滑坡防治和管理的重要手段及必由之路。