胜利露天煤矿南端帮边坡失稳治理方案

2021-05-13石广洋吴云飞黄月军

露天采矿技术 2021年2期

石广洋，吴云飞，黄月军，孙磊

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特 026000）

滑坡是露天矿开采过程中发生频率最高、产生危害最大的安全事故之一[1]。由于岩石类型、地质构造、岩体结构、边坡形态及工程活动等因素的影响，尽管露天矿采取多种手段加强边坡管理工作，还是不可避免的出现滑坡。目前，关于露天矿滑坡区治理的研究较多，但针对胜利露天矿区内软岩边坡滑坡的治理的相关研究内容较少，结合胜利露天煤矿滑坡区地质水文条件，分析滑坡机理及原因，进行方案比选，为胜利露天矿区软岩边坡滑坡的有效治理提供理论指导与技术支持，也为同类矿山边坡滑坡区治理提供了治理思路及施工经验。

1 南端帮滑坡区简介

1.1 矿山概况

胜利露天煤矿位于内蒙古锡林浩特市北郊5 km，核定产能为2 800 万t/a，2020 年10 月1 日，胜利露天煤矿南端帮地表1000 平盘～960 平盘4 个台阶发生滑坡，地表1000 平盘滑坡范围东西长的180 m，宽约30 m，地表垂直下降3 m。滑坡导致露天矿南端帮运输道路遭到破坏，更对露天矿生产造成较大的安全隐患，滑坡区治理势在必行。

1.2 南端帮滑坡区地质情况

胜利露天矿区内大部分岩石强度较低，抗压强度大于6 MPa 的岩石比例为20.49%（占基岩层段的百分数），大于10 MPa 的岩石比例为7.48%，单层最大厚度5.29 m；大于15 MPa 的岩石比例为2.36%，单层最大厚度为5.05 m。剥离物强度为一类偏复杂，即含少量中硬岩的软岩类，而且中硬岩的厚度及在软岩中的分布呈不规则状态[2-3]。

通过查阅地质资料，滑坡区周边钻孔有438、BK070、BK069、BK053、258。滑坡区北部存在F30正断层，滑坡区基本上以F30断层为北部边界。F30断层平均断距10 m，滑坡区位于断层南侧，即上盘。F30断层北侧，即下盘，5#煤顶板平均标高945 m；F30断层南侧，即下盘，5#煤顶板标高由北向南逐渐抬升，标高为936～950 m，南端帮边坡为顺倾边坡，945 m 标高至地表岩性以泥岩为主，夹杂粗粒砂岩、砂质泥岩和砂土；边坡裂缝区东部紧邻5#煤无煤区，5#煤无煤区边坡较为稳定，5#煤无煤区与边坡裂缝区域交界处为破碎带。

1.3 南端帮滑坡区水文地质情况

胜利一号露天矿属锡林浩特盆地水文地质单元的一部分[4]。本区对露天开采有影响的含水层有：第四系孔隙潜水含水层、煤系顶砾岩段裂隙、孔隙承压含水岩组、5#煤层裂隙承压含水岩组、6#煤层裂隙承压含水岩组。4 个含水层之间基本发育有较稳定的隔水层，岩性以泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩为主[5]。

锡林河为本区的最低侵蚀基准面，锡林河谷冲、湖积平原以地下水径流、蒸发排泄为主，露天采掘场排水、第四系及5#煤层疏干排水为另一排泄方式。

露天区内先期开采地段发育有3 条断层（F1、F25、F29）全部为正断层，NE 走向，倾角均大于50°，以压扭性为主。断层带以泥岩及泥质胶结的塑性岩石为主，裂隙稀少，破碎带不发育，可视为阻水断层。

1.4 南端帮滑坡原因

1）滑坡区地质构造复杂，东部为无煤区、西部毗邻背斜轴、前缘存在F30断层，造成边坡岩体节理裂隙发育，结构松散、破碎，岩体强度较低。

2）滑坡区5#煤顶板存在连续、完整的炭质泥岩弱层（蒙脱石、高岭土、伊利石含量高），顺倾、倾角变大，构成本次滑坡底滑面。弱层强度低，亲水性强，遇水软化特性明显。

3）锡林浩特市年均降雨量为296 mm，2020 年截至目前降雨量达400 mm，降水渗入边坡岩体和弱层，使其含水率增高，诱发滑坡。

4）动载荷的影响。爆破震动的动载荷作用可以使岩体的剪应力和拉应力增加，直接导致边坡稳定性系数降低，其次，边坡上设有通往内排土场的运输道路，汽车震动降低了边坡的稳定性[6-7]。

5）在已有资料基础上，经过对南端帮进行滑坡后稳定性反算，南端帮滑坡区域稳定性系数为0.99，安全稳定性系数较低，已处于失稳状态。

2 南端帮滑坡区治理方案

2.1 南端帮滑坡区治理总体规划

利用三维激光扫描仪对南端帮边坡滑坡区几何形态进行了测量，结合矿区地质资料和滑坡机理，充分考虑现场实际工况条件，制定了削帮压脚和压脚2种治理方案。

1）方案1 削帮压脚。首先对南端帮35KV 环坑线路14#、15#及16#线杆进行移设，再对滑坡区940 m 以上台阶进行清理滑体并扩帮，减轻滑体后缘载荷，并将位于5#煤顶板上部弱层全部清理，削帮工程量约为183.41 万m3，同时，采取前缘回填压脚增加前缘滑体的体积来增大滑坡抗滑力[8]，从5#煤顶板逐步恢复945 平盘，并对945 平盘～925 平盘进行压脚，压脚宽度为10 m，压脚高度为20 m，工程量约为53.39 万m3，最后，对南端帮945 平盘至地表台阶进行回填恢复，工程量约为171.36 万m，还需因地制宜施工做好南端帮滑坡治理区域的疏干排水工作。南端帮边坡滑坡治理扩帮工程设计图如图1，南端帮边坡滑坡治理压脚工程及台阶恢复设计图如图2，南端帮边坡滑坡治理施工设计剖面图如图3。

图1 南端帮边坡滑坡治理扩帮工程设计图

图2 南端帮边坡滑坡治理压脚工程及台阶恢复设计图

图3 南端帮边坡滑坡治理施工设计剖面图

2）方案2 压脚。采取前缘回填压脚增加前缘滑体的体积来增大滑坡抗滑力，从960 平盘至900 平盘自下而上进行压脚，压脚台阶3 个，台阶高度为20 m，压脚总高度为60 m，压脚工程量为181 万m3，最后，对960 平盘至地表滑坡体进行整形。南端帮边坡滑坡治理压脚工程设计图如图4，南端帮边坡滑坡治理压脚工程剖面图如图5。

图4 南端帮边坡滑坡治理压脚工程设计图

图5 南端帮边坡滑坡治理压脚工程剖面图

2.2 南端帮治理方案边坡稳定性和成本

1）边坡稳定性。通过对方案1 和方案2 治理后的边坡进行稳定性分析，选取了S4 剖面进行稳定性计算，方案1 治理后的边坡稳定性系数为1.25，方案2 治理后的边坡稳定性系数为1.3，安全系数均满足《煤炭工业露天矿设计规范》对生产边坡稳定性的要求，边坡整体稳定性能够得到保证，方案1 与方案2 滑坡区治理方案在技术上均可行。

2）南端帮治理方案1 与方案2 成本对比。通过工程量、经济参数等进行方案比选，削帮压脚方案的经济成本为3 169 万元，压脚方案的经济成本为5 876.23 万元，二者差值2 707.23 万元，最终确定胜利露天煤矿南端帮滑坡区治理采用方案1。方案1与方案2 经济比选计算参数见表1。

表1 方案1 与方案2 经济比选

3 南端帮滑坡区治理具体施工程序

1）在施工过程中，全程采用边坡雷达监测监控技术，对工作面边坡动态监测，为边坡稳态分析提供直接数据[9]。

2）对南端帮35 kV 环坑线路14#、15#及16#线杆进行移设。

3）使用WK-35 电铲配合220 t 级卡车对南端帮滑坡区940 m 水平以上边坡自上而下进行扩帮削坡，将5#煤顶板上部弱层全部清理，确保975 平盘运输道路具备通车条件。南端帮滑坡区扩帮削坡工程量表见表2。

表2 南端帮滑坡区扩帮削坡工程量表

4）对960 平盘进行扩帮削帮时，必须将5#煤顶板上部弱层清理，因南端帮滑坡区基底倾角为顺倾边坡，基底坡度大于6%，需将基底“拉毛”以增加其摩擦系数，必要时应将基底做成阶梯状，随后使用220 t 级卡车配合D10T 及时进行回填压脚，从5#煤顶板逐步恢复945 平盘，并沿945 平盘向925 平盘进行回填作业，形成对上部滑体的压脚，回填压脚填料应碾压，945 平盘恢复压脚高度约为5 m，945平盘至925 平盘压脚宽度为10 m，压脚高度为20 m。南端帮滑坡区压脚工程量为：945 平盘～940 平盘33.2万m3，945 平盘～925 平盘20.19 万m3，合计53.39 万m3。

5）使用D10T 配合220 t 级卡车对南端帮滑坡区990 平盘～945 平盘自下而上进行回填恢复作业，逐步恢复南端帮台阶，随即南端帮960 平盘及945 平盘道路将恢复通车运行，施工完毕的平盘确保有1%～3%的反坡，同时做好疏干排水工作。南端帮台阶恢复工程量为：地表～990 平盘24.45 万m3，990 平盘～975 平盘51.33 万m3，975 平盘～960 平盘48.42万m3，960 平盘～945 平盘47.16 万m3，合计171.36万m3。

6）滑坡区外围地表充填裂缝并施工反坡，防止地面径流和积水进入裂缝和滑坡区。