安太堡露天矿过芦子沟背斜期末边坡稳定性分析及治理

薛万海

（中煤平朔集团 安太堡露天矿，山西 朔州 036006）

为最大限度地减少开采成本，安太堡矿在背斜区11#煤底板开展试验性排土。到2020 年底，11#煤越过背斜轴，内排最下部形成1060 土场，内排上部1420 土场已到界，内排土场形成了垂直高度超过400 m 的边坡。武懋等对安太堡矿背斜区排土和背斜区以西加高排弃方案进行了对比分析[1]。陈立云采用极限平衡法、理论分析与数值模拟相结合的方式分析了内排土场基底系统稳定性及失稳机制[2]。宋子岭等学者基于刚体极限平衡法，分析了以受到芦子沟背斜构造影响的安太堡露天矿内排土场边坡在1 420 m 水平排弃标高下，平盘宽度分别为60、70、80 m 时以200 m 为步距向东推进到不同工程位置的边坡稳定性，其稳定性随平盘宽度的增加呈近线性增加，随工程位置的东移呈现出先减小再增大之后趋于稳定的规律；排弃标高为1 420 m 水平时，内排土场能安全通过背斜区域的平盘宽度为80 m；使用FLAC3D进行数值模拟，确定了内排土场边坡的滑坡模式为以危险圆弧为侧界面、以基底为底界面的切层-顺层滑动，背斜构造导致的倾斜基底是边坡稳定性的控制因素[3]。宫春刚等运用极限平衡法研究分析了内排土场在不同形态下的稳定性，建议在实际生产中保证到界平盘宽度，基本稳定状态的台阶不应继续向前推进，对排土场基地进行特殊处理[4]。由于安太堡矿背斜区排土为顺倾排土，为了确保过背斜期末排土工程的安全生产，必须对内排边坡进行稳定性分析，对存在的边坡安全风险进行有效防控。

1 区域地质特征

1.1 地层及地质构造

该矿田位于山西宁武煤田北部，以宁武向斜为主，伴生褶曲。矿区内主要有宁武向斜、芦子沟背斜及白家辛窑向斜[5]。矿田地层由老到新有：奥陶系中统马家沟组（Q2m），石炭系中统本溪组（C2b）和上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s），第三系上新统保德组（N2b），第四系下～中更新统午城组、离石组（Q1w+2L）、上更新统马兰组（Q3m）、全新统（Q4）。

1.2 含煤性

1）山西组。含煤3 层，分别为1#、2#、3#煤。零星分布，极不稳定，无经济价值。本组地层厚38.00～79.00 m，一般为66.18 m，煤层薄，含煤系数1%，含煤性极差。

2）太原组。为本区的主要含煤地层，4#、9#、11#为主要可采煤层，本组地层平均厚107.89 m，煤层平均总厚32.11 m，4（4-1）～9#煤层间距平均为52.52 m。9#～11#煤层间距平均为11.13 m。

1.3 可采煤层

1）4（4-1）号煤层。全区赋存，为本区主要可采煤层之一，位于太原组顶部，煤层平均厚16.3 m，顶板多为粗粒砂岩、砂质泥岩，有时为泥岩、炭质泥岩、粉细砂岩，底板多为砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩及细粒砂岩。

2）9#煤层。煤厚平均15.6 m。煤层结构较简单，其顶板多为砂质泥岩、炭质泥岩及泥岩，底板以砂质泥岩为主，局部为炭质泥岩或砂岩。

3）11#煤层。平均煤层厚度5.43 m。顶板多为砂质泥岩、炭质泥岩，底板多为砂质泥岩，有时为泥岩或细粒砂岩，局部煤类为气煤，属稳定-较稳定。

2 边坡稳定性分析

2.1 分析方法

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，其计算结果较实用。极限平衡分析方法的稳定系数是一个反映边坡稳定程度的定量参数，它直接关系到设计边坡是否经济与安全。《煤炭工业露天矿设计规范》6.0.8 条明确规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围。内排土场边坡服务年限10 年以内，安全系数大于1.2，服务年限10 年及以上，安全系数大于1.3[6]。

根据目前对安太堡露天矿研究区域资料的掌握情况，本次稳定计算安全储备系数的选取充分考虑内排土场边坡稳定的时效性，对于排土场边坡，选取边坡安全储备系数为1.20（<10 年）进行计算。认为Fs>1.2 时边坡稳定，1.1

在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。通过对比分析，毕肖普法适用于圆弧滑动模式，本次采用毕肖普法对安太堡露天矿内排土场进行边坡的稳定性系数分析评价，对边坡进行了稳定性预测[7-9]。

2.2 岩土体物理力学强度指标和剖面

1）岩体物理力学指标。对已有岩土物理力学性质指标进行综合分析，得到的安太堡露天矿土场边坡稳定性计算与分析将采用的岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩体物理力学性质指标

2）剖面的选取。基于边坡稳定分析剖面的选取原则及工作任务要求，结合现场实际情况，针对安太堡露天矿内排土场边坡稳定性进行了现状分析，在安太堡露天矿内排土场布置4 个研究剖面，有针对性的开展现状边坡稳定性评价及预测，剖面名称为NP-1、NP-2、NP-3、NP-4。剖面起点和终点坐标见表2。

3.分阶段建设：业务数据化、数据运营化、营销智能化。大数据精准营销平台的核心不是IT，而是大数据（DT）与精准营销，是处理多元数据、实时在线的系统，是包含客户画像、在线的客户行为分析、个性化推荐系统、实时搜索、标签管理的系统。分阶段建设的第一步是业务的数据化。从找客户，跟进客户，提供服务，到客户的评价反馈，全量数据采集完成业务的数据化。第二步是数据的运营化。用分析后的数据指导业务实践，产生收益。第三步是营销的智能化。通过优化营销与管理，并完成数字化管理、智能化执行。腾讯智慧4S店解决方案同样提出了数字化工具的利用、数据闭环的联通、销售关系的重塑三阶段方法论。

表2 研究剖面基本参数

2.3 边坡稳定性分析结果

边坡稳定计算方法采用毕肖普法。内排土场各典型剖面边坡稳定评价结果见表3。

表3 边坡稳定性分析结果

1）NP-1 剖面边坡稳定性。NP-1 剖面现状整体边坡角为14.5°，1 120～1 230 m 水平平盘（位置1）边坡稳定性系数为1.27，稳定系数大于1.2，边坡稳定状态为稳定；1 120～1 150 m 水平平盘（位置2）边坡稳定性系数为1.09，稳定系数大于1.0 小于1.1，边坡稳定状态为存在一定风险；1 270～1 300 m 水平平盘（位置3）整体边坡稳定性系数为1.19，稳定系数大于1.1 小于1.2，边坡稳定状态为基本稳定。NP-1 剖面位置1 极限平衡分析结果如图1。

图1 NP-1 剖面位置1 极限平衡分析结果

2）NP-2 剖面边坡稳定性。NP-2 剖面现状整体边坡角为15.3°，1 230～1 330 m 水平平盘（位置1）边坡稳定性系数为1.26，稳定系数大于1.2，边坡稳定状态为稳定；1 230～1 260 m 水平平盘（位置2）边坡稳定性系数为1.16，稳定系数大于1.0 小于1.1，边坡稳定状态为基本稳定；1 270～1 330 m 水平平盘（位置3）整体边坡稳定性系数为1.09，稳定系数大于1.0 小于1.1，边坡稳定状态为存在一定风险。NP-2 剖面位置1 极限平衡分析结果如图2。

图2 NP-2 剖面位置1 极限平衡分析结果

3）NP-3 剖面边坡稳定性。Np-3 剖面现状整体边坡角为16°，边坡稳定性系数为1.24；1 250～1 300 m 水平平盘（位置1）边坡稳定性系数为1.14，稳定系数大于1.1 小于1.2，边坡稳定状态为基本稳定；1 185～1 250 m 水平平盘（位置2）边坡稳定性系数为1.06，稳定系数大于1.0 小于1.1，边坡稳定状态为存在一定风险；1 185～1 300 m 水平平盘（整体）整体边坡稳定性系数为1.14，稳定系数大于大于1.1小于1.2，边坡状态为基本稳定。对照2021 年生产计划平面图，1 135～1 300 m 水平干道和1 155～1 200 m 水平斜坡道交叉口内侧坡面存在局部片帮的可能，边坡稳定状态为存在一定风险，以上位置需要引起重视。NP-3 研究剖面整体位置极限平衡分析结果如图3。

图3 NP-3 研究剖面整体位置极限平衡分析结果

4）NP-4 剖面边坡稳定性。NP-4 剖面现状整体边坡角为14°，边坡稳定性系数为1.23；1 210～1 250 m 水平平盘（位置1）边坡稳定性系数为1.18，稳定系数大于1.1 小于1.2，边坡稳定状态为基本稳定；1 150～1 190 m 水平平盘（位置2）边坡稳定性系数为1.08，稳定系数大于1.0 小于1.1，边坡稳定状态为存在一定风险；1 150～1 280 m 水平平盘（整体）整体边坡稳定性系数为1.223，稳定系数大于1.2，边坡稳定状态为稳定。对照2021 年月生产计划平面图，1 135～1 300 m 水平干道内侧坡面边坡稳定状态基本稳定，1 155～1 200 m 水平斜坡道内侧坡面存在局部片帮的可能，边坡稳定状态为存在一定风险，以上位置需要引起重视。NP-4 研究剖面整体位置极限平衡分析结果如图4。

图4 NP-4 研究剖面整体位置极限平衡分析结果

3 边坡监测和边坡安全措施

3.1 背斜区内排边坡监测情况

从边坡安全管理来看，边坡位移速率应在2 mm/d左右。当边坡位移速率接近4.67 mm/d 时，需要分析导致边坡位移加速的原因，及时采取相应的整治措施[10]。为确保排土环节安全生产，地测部门在背斜区建立了边坡监测网络，并定期采集数据进行分析，到2021 年1 月，背斜区内排边坡监测点位移速率的允许值都在2 mm/d 以下，说明背斜区边坡整体稳定情况较好。

3.2 边坡安全措施

1）安太堡露天矿内排边坡整体处于稳定，主要问题局部台阶处于基本稳定，现场出现沉降裂缝，需及时布设警示标志，同时利用边坡雷达和边坡监测网加强监测，现场管理技术人员、作业人员和安监人员加强边坡巡查，发现异常及时上报处理。

2）背斜区内排土时，采取破11#煤层底板、留11#煤柱、两侧端帮压帮排弃、中间桥反向排弃及减缓边坡角等措施[11]，同时尽快在11#煤已过背斜且已采完区域修筑1 060 m 水平和1 090 m 水平等新排土场，起到边坡压脚作用。

3）排土场严格按照设计方案进行排土，加强边坡巡视工作，发现问题及时上报。

4）严格限制外包车辆在内排土场高段排土台阶下部集中停放，应安排专人对内排土场下部作业设备或人员密集且存在边坡安全隐患的区域进行专门巡视，做好巡查记录。

5）加强南部采掘力度，提前释放南部内排土场，南部缩界区土场及时跟进，逐步将南帮端帮道路与内排土场道路的搭接，从而增大内排土场阻挡力度，保证土场边坡的安全稳定。

4 结语

安太堡露天矿在背斜区试验性排土实践表明，在煤层倾斜约8°～12°且排土场地基没有弱层的情况下，为确保内排边坡在背斜区顺倾情况下的稳定，同时最大限度降低剥离物料的运距和高差，安太堡露天矿采取破最下部11#煤层底板、间隔留煤柱、反向排土、边坡压脚等有效阻滑措施，在背斜区进行控制排土，建立内排折返运输系统，对土场边坡基本稳定区进行稳定性分析，并加强现场巡查和变形监测，从而确保背斜区采运排环节均衡有序发展，可进一步降低矿山运输成本，提高设备效率。