抚顺西露天矿北帮高陡边坡综合防治

李惠发，冯 萍，张 夙

（1.抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113001；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）

近年来，随着露天煤矿开采工艺的不断优化、产量规模和开采深度的不断增加，露天矿坑高陡边坡稳定性问题愈来愈突出。高陡边坡稳定性已经成为制约露天矿安全生产的关键技术问题之一[1]。以抚顺矿业集团有限责任公司西露天矿为例，从2014 年4 月至今，矿坑北帮共发生了3 次边坡失稳破坏。经现场调查分析，滑坡区域均处在断层连续分布范围内。较为发育的断层、成组的节理面及局部高陡的坡面为边坡的失稳破坏提供了较为不利的边界条件。目前，西露天矿坑北帮己形成百米高陡边坡，边坡储备系数不足，且油页岩上覆绿泥岩层组极易风化，若任由高陡边坡长期裸露于空气中，不及时采取适当的防治措施进行治理，极易发生滑坡等地质灾害，很可能对周边工业和民用的设备、设施及人民生命财产构成严重威胁。基于此，以抚顺西露天矿北帮高陡边坡为研究对象，对矿坑北帮边坡稳定性问题进行深入的研究，为北帮高陡边坡制定合理的边坡防治措施。

1 矿山概况

抚顺西露天矿坑位于抚顺市区的南部、抚顺煤田的西南部，矿坑东西长约6.6 km，南北宽约2.2 km，矿坑面积10.865 8 km2，最大垂直深度达430 m。西露天矿坑于1914 年进行露天开采，2019 年5月7 日停止煤炭开采转为退煤闭坑综合治理。

1.1 北帮地层结构与岩土工程特征

从以往的地质资料和现场踏勘成果来看，第四系松散层组合单元沿北帮顶部台阶连续出露，平均厚度17.5 m。绿色泥岩与褐色页岩互层组合单元由于受构造作用程度不同，后期地下水作用条件不同，导致该地区泥化夹层的泥化程度存在较大的差别。硬岩岩组由厚层状油页岩和煤层组成，岩石呈脆性。作为西露天矿坑的主要开采矿物之一，油页岩上部为含油率较高的富矿，下部为含油率较低的贫矿，贫矿与煤层接触处有1 层坚硬的细砂岩，稳定性较差，有时在剖面上呈透镜体状或者过渡为灰质页岩。

1.2 北帮水文地质条件

抚顺西露天矿坑北帮的水文地质条件情况总体表现为：渗透性良好的第四系冲积层覆盖于渗透性较差的裂隙基岩上，形成一个较为复杂的含水系统。该含水系统边界清晰，北面的浑河是其补给边界，南部的矿坑北帮边坡是其排泄边界，此外还有大气降水和工业民用废水的入渗使得上述含水单元组合在一起，形成了一个立体的、水力联系密切的地下含水系统[2]。北帮冲积层与浑河河床毗邻，北帮与河床之间冲积层连续分布，基底以约2‰的坡度缓向矿坑，使浑河成为定水头充水补给源。此外，北帮上部的企业和周围居民也以明沟暗渠将部分工业、生活污水排入冲积层中。第四系冲积层孔隙潜水含水层受地表水系（主要为浑河）常年定水位补给，加上工业企业废水及居民生活污水补给，水量丰富。第四系冲积层孔隙潜水沿基岩接触面溢出，流入坑内直接补给揭露的第三系构造裂隙含水单元。白垩系砂岩构造裂隙含水单元位于F1A、F1断裂之间，受构造应力作用，岩层较为破碎，构造裂隙发育。该单元以其顶部风化裂隙接受第四系冲积层的入渗补给，富水性强。与此同时，由于F1A、F1断裂中均存在构造角砾破碎带，在断层泥厚度不大或泥物质胶结、充填差的部位，即可产生白垩系砂岩构造裂隙含水单元向第三系的越流补给。北帮基岩边坡地下水总迳流方向自北向南，通过边坡临空面蒸发和排泄。

2 北帮边坡岩土体物理力学性质

岩土体物理力学性质是边坡稳定性分析的主要基础资料，正确掌握岩石的强度特征是对边坡稳定性作出正确评价的前提条件。抚顺东、西2 个露天矿早期曾进行过大量的岩土体力学实验，积累了大量较为可靠的基础资料，利用这些数据与当前北帮E1060 剖面及E1900 剖面滑坡反分析成果进行对比，相互验证，避免单纯岩土体力学实验的片面性和局限性[3]。

2.1 既往边坡情况

自2014 年4 月起至今，西露天矿坑北帮共发生了3 次边坡失稳破坏。经现场调查分析，滑坡区域均在断层连续分布范围内。较为发育的断层、成组的节理面及局部高陡的坡面为边坡的失稳破坏提供了较为不利的边界条件。

E800～E3000 区域地质条件、地质构造相对较复杂，断层分布广泛、产状变化大，边坡岩体节理裂隙发育，同时结合矿坑北帮历次滑坡工程实践经验，该区域局部边坡、整体边坡均属于滑坡易发区域，在退煤闭坑及综合治理期内应重点关注边坡安全问题，北帮东区滑坡情况统计表见表1。

表1 北帮东区滑坡情况统计表

2.2 现状边坡岩土体物理力学性质

岩土力学实验是确定岩土力学参数的重要依据，但通常研究岩石的物理力学性质时，没有考虑包括层面、层理、节理及断层等各种地质界面对岩土体稳定性的影响。而岩土体的稳定性主要受这些地质结构面所控制。因此，常规的岩土力学实验结果并不能准确地反映出岩土体实际力学状态，因此需要进行地质条件的分析。

滑坡相当于大型岩体的原位剪切试验，如果对滑坡原因、滑坡几何现状等准确掌握，那么，通过滑坡反分析得到的参数将是最可靠的。中煤科工集团沈阳研究院在对西露天矿坑边坡作稳定分析时，多次采用西露天矿坑边坡滑坡实例进行反分析，如老13 段站区的第3 次滑坡、E800 滑坡、人车卷滑坡和1994 年E1000 沉陷滑移等。本次研究工作，借助基于极限平衡法的G-SLOPE 边坡稳定性分析软件对北帮E1060 和E1900 2 处滑坡绿色泥岩组抗剪强度进行反算，得出绿色泥岩组黏聚力为76 kPa，内摩擦角为26.8°，滑坡反分析成果如图1。

图1 滑坡反分析成果图

综合上述各种试验所得结果及类比相关指标数据，经分析后推荐的本阶段岩土体物理力学强度指标推荐值见表2。

表2 本阶段岩土体物理力学强度指标推荐值

3 综合防治措施

露天矿边坡稳定性分析是确定综合治理防治措施的先决条件，根据边坡安全储备系数结合不同区域岩层赋存情况，有针对性的制定契合各区域地质特征的综合防治措施。

3.1 安全储备系数

根据DZ/T 0218-2006“滑坡防治工程勘查规范”，并参考GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范，确定进行滑坡稳定状态[4-5]。露天煤矿工程设计规范边坡稳定性系数选取表见表3、滑坡稳定状态划分见表4。

表3 露天煤矿工程设计规范边坡稳定性系数选取表

表4 滑坡稳定状态划分

依据露天煤矿工程设计规范和当前对西露天矿坑工程地质条件、水文地质等资料的掌握情况，结合我国其它露天矿类似的工程经验，确定治理设计边坡稳定性分析的安全储备系数；治理设计整体边坡安全储备系数选取为1.25，局部边坡安全储备系数选取为1.15[6]。

3.2 边坡稳定性计算方法

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。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，诸如瑞典法、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。随着计算机的出现和发展，又出现了一些求解步骤更为严格的方法，如Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[7]。

本次稳定计算采用摩根斯坦－普瑞斯（Morgenstern-Price）法来确定边坡的稳定性系数。该方法的特点是考虑了全部平衡条件与边界条件，消除计算方法上的误差[8]。

3.3 综合防治方案

根据矿坑可燃物自然发火情况及、局部高陡台阶边坡现状及边坡安全储备系数，确定各区域相应的治理措施，并选取典型剖面对治理设计方案边坡稳定性分析。

3.3.1 可燃物自然发火采取的治理措施

治理方案为彻底清除已发火及存在自燃倾向性可燃物及清除后进行降温、封闭，选取E1200 剖面、E2800 剖面作为典型剖面。

E1200 剖面可燃物清理区主要集中在N260～N490、-235～-330 m 水平裸露区域，最大自然发火厚度约为40 m，自然发火可燃物清除后采用回填压脚措施，回填压脚方案为清除可燃物后的坑底区域进行回填压脚措施。

E2800 剖面可燃物清理区域主要集中在N460～N540、-240～-280 m 水平，高台阶区域主要集中在N705～N780、-80～-112 m 水平；上部采取削坡降段措施，下部采取可燃物清理措施，裸露区域最大自然发火厚度约为40 m，自然发火可燃物清除后采用回填压脚措施。

3.3.2 局部高陡台阶采取的治理措施

治理方案主要采取上部削坡减载治理方案，局部边坡治理过程中有可能降低整体边坡稳定性，为避免局部边坡失稳诱发整体边坡发生滑坡事故，在保证整体边坡稳定性满足安全储备要求的前提下进行局部边坡治理方案设计，使得治理后的局部边坡、整体边坡均满足安全储备要求。选取E1600 剖面、E2400 剖面作为典型剖面。

E1600 剖面高台阶区域主要集中在N455～N680、-165～-345 m 水平，上部采取削坡降段措施、降段后段高为15 m。

E2400 剖面可燃物清理区域主要集中在N505～N575、-265～-300 m 水平，高台阶区域主要集中在N660～N755、-160～-210 m 水平；上部采取削坡降段措施、降段后段高为8～25 m，下部采取可燃物清理措施。

3.3.3 治理设计方案边坡稳定性分析

通过对可燃物清理及局部高台阶边坡现状、治理设计方案稳定性计算，现状及治理设计边坡稳定性计算结果见表5。

表5 现状及治理设计边坡稳定性计算结果

根据边坡稳定性计算统计成果可知：通过选取典型剖面，分别对可燃物清理方案和局部高陡台阶治理方案现状边坡及治理设计方案边坡稳定性计算，治理设计方案边坡稳定系数均能满足整体边坡安全储备系数大于1.25、局部边坡安全储备系数大于1.15 的要求。

4 结语

依据对西露天矿坑北帮边坡岩体结构面进行调查研究的成果，以及对高陡边坡局部失稳破坏进行数据分析的成果，将矿坑局部高陡台阶进行分区。以各区域地质条件为主要依据结合边坡安全储备系数的要求，提出对可燃物自然发火区采取清除后进行降温封闭，对局部高陡边坡采取削坡减载的综合防治措施。为了保证综合防治工程施工安全，可以对治理区域进行边坡雷达监测和GNSS 监测，实时掌握边坡动态，实现滑坡预警，保证现场作业人员和作业设备的安全。