天池能源南露天矿西帮高陡软岩边坡治理方案

董蒙蒙，李 明

（1.新疆天池能源有限责任公司 南露天煤矿，新疆 昌吉 831100；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）

随着露天煤矿生产规模的不断扩大，开采深度的不断增加，边坡安全问题日渐凸显，软岩边坡变形及滑坡灾害频繁发生，制约着露天煤矿的安全生产[1-6]，高陡软岩边坡变形破坏机制及治理成为露天煤矿亟待解决的关键问题[7-9]。目前软岩边坡研究主要集中在确定其破坏模式方面，乔兰等[10]通过研究边坡破坏模式与结构面赋存特征，提出了5 种边坡破坏类型；邓华锋等[11]结合ADINA 和卸荷岩体力学理论与方法，验证了卸荷岩体力学理论在边坡开挖计算分析中的合理性；曹兰柱等[12]基于胜利东二号露天煤矿南帮软岩边坡稳定性影响因素研究和监测数据分析，定量分析了软岩边坡的破坏模式；付宏渊等[13]研究了岩体软化对软岩边坡稳定性的影响；何忠明等[14]通过模拟得出高陡软岩边坡开挖过程中与加固后的稳定性变化规律；李连崇等[15]分析了含顺倾软弱结构面边坡的破坏模式，并进行了时效变形破坏的实例分析。为此，针对新疆天池能源有限责任公司南露天煤矿西帮高陡软岩边坡变形问题，采用有限元数值模拟方法研究边坡变形破坏机理，运用极限平衡理论进行边坡稳定性计算，提出“分区治理”思想，确定了“主体扩帮＋局部加固＋内排压脚”的综合治理方案，实现了露天煤矿的安全生产。

1 工程地质条件

1.1 矿区地质特征

南露天煤矿地处新疆准东煤田大井矿区西南部，帐篷沟背斜东翼南部，地层呈走向东北-东、倾向南东-南的单斜构造，倾角4°～15°。随着采煤逐步降深，地质写实和工程地质补充勘探工作揭示西帮边坡520～430 m 水平煤层，底板倾角为30°～38°，局部倾角高达44°（原西帮设计边坡角为28°），表现出浅部陡、深部缓的变化趋势。西帮边坡岩层自上而下依次为：侏罗系中-上统石树沟群、侏罗系中统西山窑组；石树沟群岩性以粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩为主；西山窑组为本区含煤岩组，岩性主要为细砂岩、泥岩、煤、煤线、粉砂岩。煤层底板之上赋存1 层黏土质泥岩，力学性质较差；泥质粉砂岩具层状构造、粉砂状结构，胶结作用较弱，为西帮主要弱含水层，受其浸泡作用影响泥岩顶板接触面相对较软；成岩作用差的弱胶结泥质粉砂岩及受水浸泡的泥岩为西帮主要弱层。西帮岩体为泥砂岩交互层结构，弱层间距为2.5～10 m 不等，大部分间距4～6 m，且单一岩层内层理发育，地质条件更为复杂。受上述不利因素影响，2017—2019 年西帮520 m 水平下部边坡多次出现片帮现象[16]。各地层岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标

1.2 边坡稳定性影响因素

露天煤矿边坡稳定主要影响因素包括岩体结构、风化作用和侵蚀作用、力学因素、水因素、气温因素、构造作用和残余应力、岩体结构面赋存物和地下水化学成分、扰动因素等。边坡稳定性因素评价表见表2。因各矿区工程地质条件及开采情况不同，其对边坡稳定性产生影响的机理、方式及程度也不同，通过西帮补充勘探，汇总及修正了原有基础数据，分析各项影响因子权重，最终确定影响南露天煤矿西帮边坡稳定性的主要因素为煤层底板的泥岩弱，且矿区有背斜构造，从而造成的西帮地层顺倾。

表2 边坡稳定性因素评价表

2 边坡稳定性

2.1 边坡变形破坏机理

破坏模式的确定是边坡治理方案的前提，目前，典型的破坏模式有剥落、崩落、滑动、流动、沉降等几种基本形态[17]。通过稳定性影响因素分析和现场实测，确定南露天煤矿破坏模式为滑动，为深入探究西帮特有滑动模式，利用有限元数值模拟软件，模拟西帮边坡变形破坏过程，西帮典型剖面模拟云图如图1～图4。

图1 西帮典型剖面计算模型图

图2 西帮典型剖面水平位移图

图3 西帮典型剖面竖直位移云图

图4 西帮典型剖面剪切变形云图

通过数值模拟分析可知：西帮岩层与边坡呈顺倾，且煤层底板赋存若干层泥岩或砂质泥岩，力学强度指标相对较低，在水浸泡或人为活动干扰下易沿煤层底板泥岩滑动，在坡角处形成剪出。其滑动面是由沿软弱层面的直线滑面和切层部分的圆弧面组成的复合滑面，即西帮边坡的破坏模式主要为沿边坡内部砂质泥岩或边坡层理面的“上部坐落，顺层滑移，底部剪出”滑动。

2.2 边坡稳定性分区

西帮设计6 条边坡勘探线，间距200 m，以勘探线为主要研究剖面，50 m 等分相邻2 条勘探线。采用极限平衡法进行边坡稳定系数的计算，同时考虑煤层底板泥岩、坡体内砂质泥岩等多种软弱地质结构面对边坡稳定性的影响，边坡稳定性计算结果见表3。

由边坡稳定计算结果可以看出，西帮最终边坡高度由北向南逐渐增大，稳定系数逐步降低，由1.15逐渐降低至0.79。西帮XB2-2 剖面以北边坡高度相对较小，稳定系数为1.15，稳定状况较好，XB2-2 剖面以南边坡稳定系数均在1.0 以下，处于失稳状态，因此，若进行西帮原煤回收，需采取一定治理措施对西帮潜在失稳区域进行治理，以确保开采过程中的边坡稳定和安全生产。边坡稳定性分区如图5。

表3 西帮边坡稳定性计算结果汇总表

图5 边坡稳定性分区图

3 西帮边坡综合治理方案

3.1 防治措施

滑坡防治工程措施大体分为3 类：①力学平衡；②疏干排水；③改变滑带土的性质。根据南露天矿西帮边坡工程地质条件和水文地质条件，边坡主要控制结构面为泥砂岩互层中的砂质泥岩或岩层层理面，改变其力学性能难度极大；且西帮地下水赋存较少，疏干排水对提高边坡稳定程度收效甚微，因此，采用改变边坡力学平衡的方法对边坡进行治理最为直接有效。改变边坡力学平衡的措施主要有削坡减载（剥离施工）、工程加固（如锚索加固、抗滑桩等）、压脚（预留煤柱、内排压脚）。通过选取典型剖面，借助GEO-SLOPE 软件计算得出单一的削帮减载、人工加固、压脚方案均能解决西帮边坡问题，其中仅削帮减载方案费用较低，其他方案施工费用或造成的煤炭损失极高。单一方案对比分析表见表4。

表4 单一方案对比分析表

3.2 安全系数的选取

上述方案边坡安全系数均为1.0，边坡处于临滑状态，为保障施工作业安全，治理方案实施过程中，应确保边坡安全系数达到1.05 以上。通过计算，边坡安全系数达到1.05 以上，削帮工程量将增至400万m3，剥离费用为5 200 万元。此外，随着采煤逐步降深，产生局部高台阶，处于高位的片帮、垮塌等潜在危害程度急剧增高。因此，单纯的削帮方案并不能满足安全开采的需求，治理方案需进一步优化。由工程地质条件及稳定性分区研究可知，西帮地层倾角总体表现出浅部陡、深部缓的变化趋势，最终边坡高度由北向南逐渐增大，稳定系数逐步降低。

基于此，提出“分区治理”思想：①上部水平进行剥离减载，达到减重目的；②深部水平进行锚索加固，考虑西帮北侧底板倾角较缓以及西帮南侧受南帮侧向约束，西帮北侧及南侧均布置浅孔锚索；③中部稳定性较差，布置深孔锚索。考虑西帮煤量大，且受底板泥岩及原煤自重影响，西帮煤台阶中部至北侧沿底板出现裂缝，剥离及锚索加固期间，自东向西回收西帮煤炭资源，直至控制煤柱极限位置；自北向南回收控制煤柱，北帮内排及时跟进，来控制西帮边坡临空面宽度、高度及暴露时间。

3.3 治理方案优化

通过边坡稳定性计算可知，上部水平扩帮后边坡稳定系数提高至1.03～1.14（仅XB3-2、XB-4 剖面为0.99），深部水平进行锚索加固后边坡稳定系数提高至1.05～1.12，内排压脚后边坡稳定系数介于1.20～1.46，均大于1.20。满足安全储备系数1.2～1.3 的要求。综上所述，结合各治理方案优势的“主体扩帮＋局部加固＋内排压脚”的综合治理方案比单一方案更为安全可靠。西帮边坡治理后稳定性计算结果汇总表见表5。

表5 西帮边坡治理后稳定性计算结果汇总表

4 结语

1）通过边坡影响因素分析，确定煤层底板的泥岩弱层及因矿区背斜构造而造成的西帮地层顺倾为南露天煤矿西帮边坡稳定性主要影响因素。

2）通过南露天煤矿工程地质条件研究，结合数值模拟分析方法，确定西帮边坡潜在破坏模式主要为沿边坡内部砂质泥岩或边坡层理面的“上部坐落，顺层滑移，底部剪出”滑动。

3）边坡稳定性分区研究表明西帮最终边坡高度由北向南逐渐增大，稳定系数逐步降低。

4）基于南露天煤矿西帮工程地质条件、边坡变形破坏模式及稳定性分区研究，对治理方案进行对比分析，提出“分区治理思想”，并最终确定“主体扩帮+局部加固+内排压脚”的综合治理方案。