顺倾软岩基底内排土场增高扩容控制措施

赵贵彬，封海洋，韩 猛，李金典

（1.内蒙古大雁矿业集团有限责任公司 扎尼河露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

排土是露天煤矿生产工艺的重要环节，内排即将剥离物排弃至露天煤矿采场的采空区，相对于外排具有运距短、占农田草场少、利于环境保护、生产管理简单等优点[1-3]。但随着内排容量的增大，排弃高度的增高，随之而来的是内排土场边坡的稳定性系数降低，边坡失稳的可能性增大，对露天煤矿安全生产及周边设施的安全影响增大，直接威胁着露天煤矿的安全生产[4]，因此，露天煤矿内排土场边坡的稳定不容忽视。为此，通过对扎尼河露天煤矿顺倾软岩基底内排土场增高扩容设计边坡控制措施的研究，提出合理的内排土场加固方法，并在内排跟进过程中可通过快速煤岩置换方式，对排土场下部原煤进行开采，提高资源回收率[5]。

1 工程概况

研究区域属于天山-兴蒙地槽系中的兴安地槽东北段北带边缘的一部分，区内地貌形态属于侵蚀、堆积与低缓丘陵地形的过渡地带。地势总体是南高北低，海拔标高在626～687 m，地貌属冲积平原，地势相对平缓，地表基本无建筑物、无河流等地表水体。该区域位于大雁煤田西区西部，向斜构造，构造形态为椭圆形盆地，受向斜构造影响，采场边帮多为顺倾边坡，易发生边坡问题，地层自下而上分别为泥盆系上统大民山组（D3d）、白垩系下统龙江组（K1l）、白垩系下统九峰山组（K1j）、白垩系下统甘河组（K1g）、白垩系下统大磨拐河组（K1d）、白垩系下统伊敏组（K1y）及第四系（Q），其中含煤地层为中生界白垩系下统伊敏组（K1ym）及大磨拐河组（K1d）地层。

9#煤层和10#煤层为该矿可采煤层，煤层顶板岩性为泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩，煤层底板岩性为泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩。矿区地下水充沛且降雨较多，工程地质及水文地质条件较差，岩土物理力学指标低，属于软岩边坡。其中第四系黏土层、9#煤层及10#煤层顶底板泥岩均存在潜在弱层。目前该矿正处于首采区向二采区转向的过程中，自2021 年开始将面临无外排土空间的局面，所有剥离物均需排弃至内排土场，因此需要对内排增高后边坡稳定性进行研究，并对不稳定边坡控制措施进行研究，内排土场地质模型如图1。

图1 内排土场工程地质模型

2 内排增高扩容稳定性及控制措施

2.1 内排增高扩容稳定性

自2021 年开始内排土场成为该矿主要排土空间，根据年度剥离量对该矿内排土场进行设计，将内排土场按平盘宽度65 m，平盘高度24 m，坡面角33°，整体边坡角13°，从434 m 水平排弃至674 m水平可满足2021 年排弃要求，同时随着采煤及剥离的推进以及内排的跟进，2022 年以同样的边坡参数进行内排，亦可满足2022 年排弃量的要求，2021年及2022 年内排增高扩容设计工程地质模型如图2 及图3。针对该矿的整体岩性条件及内排土场对该矿生产的重要程度，此次内排土场边坡安全储备系数选取为1.1[6]。2021 年及2022 年内排增高扩容设计边坡验算结果如图4～图9。

图2 2021 年内排增高设计工程地质模型

图3 2022 年内排增高设计工程地质模型

图4 沿9#煤底板滑动边坡（Fs=1.136）

图5 沿10#煤底板滑动边坡（Fs=1.156）

图6 沿底板泥岩内部滑动边坡（Fs=1.083）

图7 沿9#煤底板滑动（Fs=1.109）

图8 沿10#煤底板滑动（Fs=1.139）

图9 沿底板泥岩内部滑动（Fs=1.087）

通过对内排增高扩容设计边坡稳定性验算可知，2021 年内排增高扩容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥岩内部滑动时，边坡稳定性系数Fs 分别为1.136、1.156、1.083，2022 年内排增高扩容后沿9#煤底板、10#煤底板及底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数Fs 分别为1.109、1.139、1.087，其中2021年及2022 年内排增高扩容后沿9#煤底板及10#煤底板滑动的边坡稳定性系数均大于安全储备系数1.1 的要求，因此内排增高扩容后内排土场沿9#煤及10#煤底板滑动处于稳定状态，但沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数均小于安全储备系数，内排土场沿底板泥岩内部滑动处于不稳定状态，由计算结果可知内排土场基底基岩岩性较差，岩土物理力学指标较低，在未采取加固手段的前提下直接进行增高扩容，内排土场有滑坡的风险。

2.2 内排增高扩容控制措施

由于2021 年及2022 年内排增高扩容设计边坡沿底板泥岩内部滑动均达不到安全储备系数要求，因此考虑在内排增高扩容过程中采用技术手段对内排土场进行优化以提高排土场边坡的稳定性，使设计边坡稳定性满足安全储备系数的要求。通过对内排土场增高扩容设计边坡稳定性分析发现，2021 年及2022 年内排增高扩容设计边坡均从内排土场坡脚处剪出，通过分析得出主要原因是下部原煤由于过度开采，对整体边坡的支撑及压脚配重作用不足，导致内排土场整体边坡的下滑力大于下部原煤所提供的抗滑力，在坡脚处剪出变形，发生滑坡。因此在内排增高扩容过程中对下部原煤合理的留存可对整体边坡起到支撑及配重压脚作用，对内排土场增高扩容设计边坡控制措施采用预留一定厚度的临时底煤来提高内排土场边坡的稳定性，并在内排跟进过程中采用煤岩置换的方式对内排土场下部原煤进行开采并迅速进行内排，在边坡处于稳定的情况下将资源进行回收，以提高原煤回收率。

以9#煤底板标高为准，2021 年留临时底煤方案如图10，2021 年留临时底煤边坡稳定性（Fs=1.112）如图11，2022 年留临时底煤方案如图12，2022 年留临时底煤边坡稳定性（Fs=1.125）如图13。

图10 2021 年留临时底煤方案

图11 2021 年留临时底煤边坡稳定性（Fs=1.112）

图12 2022 年留临时底煤方案

图13 2022 年留临时底煤边坡稳定性（Fs=1.125）

由图10 可知当2021 年预留8 m 厚临时底煤，且内排土场最下部台阶从458 m 水平增高至470 m水平，其余内排台阶参数不变的情况下，此时沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数Fs=1.112，由图11 可知2021 年内排增高设计边坡稳定性系数满足安全储备系数的要求，边坡处于稳定状态；由图12可知当2022 年预留10 m 厚临时底煤，且内排土场最下部台阶从458 m 水平增高至470 m 水平，其余内排台阶参数不变的情况下，此时沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数Fs=1.125，由图13 可知2022 年内排增高设计边坡稳定性系数满足安全储备系数的要求，边坡处于稳定状态。

3 内排增高扩容稳定性防控措施

1）在后期内排增高扩容过程中，应在内排土场布置GNSS 自动化边坡位移监测点或使用边坡雷达实时监测内排土场整体变形情况[7]。

2）内排必须在有监测系统实时监测的情况下进行，排土过程中一旦内排土场出现变形加速征兆，立即停止底煤开采，并加快内排，保证边坡稳定。

3）通过分析内排土场沿基底内部弱层滑动的边坡稳定性系数较小，因此在后期内排增高过程中，应在内排土场下部布置地下位移监测系统，实时监测内排土场基底岩层移动情况。

4）雨水及地下水对排土场基底的浸泡会降低基底泥岩的岩土物理力学性质，对内排土场的稳定性产生极大影响，因此应在排土之前事先做好内排土场的防排水工作[8]。

4 结语

1）2021 年及2022 年内排增高扩容设计边坡沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数小于安全储备系数1.1 的要求，边坡处于不稳定状态，因此采用预留临时底煤的方式以提高边坡稳定性。

2）通过计算可知2021 年预留8 m 厚临时底煤且内排土场最下部台阶从458 m 水平增高至470 m水平，其余台阶参数不变，此时沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数满足安全储备系数的要求，2021年内排增高设计边坡处于稳定状态；2022 年预留10 m 厚临时底煤且内排土场最下部台阶从458 m 水平增高至470 m 水平，其余台阶参数不变，此时沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数满足安全储备系数的要求，边坡处于稳定状态。

3）在后期内排跟进过程中采用煤岩置换的方式对内排土场下部原煤进行开采并迅速进行内排，使边坡处于稳定的情况下将资源进行回收，以提高原煤回收率。