抚顺东露天矿南帮到界边坡优化

王 洋，李焕忠

（抚顺矿业集团有限责任公司 东露天矿，辽宁 抚顺 113003）

《抚顺矿业集团东露天矿恢复工程初步设计》中一期设计以开采油页岩富矿为主，一期到界后，南帮将形成高135～200 m 的单台阶顺倾边坡，坡面角29°～39°。由于南帮E4800～E6600 地表受抚顺煤都路、老虎台矿工业设施及厂房等限制，需分期进行开采。构成该区域南帮一期边坡的主体岩层则为油页岩富矿下伏的油页岩贫矿、残采煤层、软硬不均的凝灰岩层等。该区域工程地质条件较复杂多变，影响边坡稳定的不利因素较多[1-2]。近年来开采时曾出现边坡局部变形现象，经边坡稳定分析，该区域边坡局部有失稳的可能，其中E5200、E6200 及E6400 剖面的局部边坡稳定系数达不到安全储备要求[3-4]。因此，在收集、整理以往地质资料的基础上，结合现场踏勘、工程地质勘察资料，对此边坡开展边坡工程地质、水文地质条件分析与评价，建立边坡工程地质模型，通过归纳、分析、整理，确定岩石力学性质指标，对边坡变形破坏机理及滑坡模式分析，对一期到界边坡进行优化调整，从而保证东露天矿边坡稳定与安全生产[5-6]。

1 南帮E4800～E6600 边坡岩体地质调查

1）南帮边坡地质构造调查与野外地质素描。通过对南帮E4800～E6600 边坡岩体的地质调查，其岩体由上至下为冲积层、油页岩贫矿、煤、底板页岩、泥页岩、软质凝灰岩、硬质凝灰岩和玄武岩，经过详尽的地质调查，绘制地质素描图，对南帮的地质情况进行重新的认识[7]。

2）南帮水文地质情况调查。该区南帮边坡主要含水层为冲积层含水层，属于空隙潜水类型，凝灰岩、玄武岩等基岩裂隙含水层。大气降水和居民生活废水是本区地下水的主要补给源。经过多次详细的调查和测试，本区内冲积层厚度变化范围为2.5～20 m，其冲积层含水层厚度0～7 m。渗水系数k=92.80～10.27 m/d，与大气降水有关。

3）岩层分布情况调查。分别在南帮E5200 剖面、E6000 剖面、E6200 剖面、E6400 剖面施工了8 个工程地质勘探钻孔，进尺共计1 257 m。通过勘探钻孔和南帮揭露的岩层看，该区域边坡岩层主要由第四系冲积层、油页岩、煤、炭质页岩、泥质页岩、硅质砂岩、软质凝灰岩、硬质凝灰岩、玄武岩等岩层组成[8]。第四系冲积层主要由回填土、粉质黏土、砂质黏土、淤泥、砂、砾砂组成。通过钻孔软弱层及破碎带的统计结果表明，该边坡多个钻孔在勘察深度内发育有1 层软弱层。

4）岩石完整程度（R.Q.D）的分析。通过对南帮边坡的8 个工程地质勘探钻孔进行统计，该边坡钻孔R.Q.D 在60%～81%之间，其中最大为硬质凝灰岩和玄武岩，最小为煤层。钻孔R.Q.D 平均值为76%。岩石的完整度良好。

2 工程地质模型和岩石力学指标

1）工程地质条件。南帮E4800～E6600 边坡上部为松散冲积层，下部岩层与深部发育的斜交断层易形成楔形滑塌体。在该范围内第四纪冲积层主要产生弧形滑动，而南帮基岩沿弱层面产生。

2）工程地质模型。依据各种岩层层内反射波同相轴的变化和岩层中不同岩层的反射波动力学特点，确定了该区域各剖面的岩层分布情况及赋存规律[9]。在归纳、整理、分析以往勘察资料基础上，建立了南帮E4800～E6600 区段边坡工程地质简化模型。

3）确定岩石力学指标。边坡岩土体的工程力学的性质是边坡设计、综合评价和稳定分析的基础依据。在边坡稳定性研究中进行过大量的相关岩土物理力学性质试验，得到相关岩石试验的力学数据。主要试验有岩土原位剪切试验、三轴剪切试验、弱层流变试验、直剪试验、滑坡反分析等方法，并结合西露天矿东区岩体力学强度指标值。抚顺东露天矿岩体力学强度指标见表1。

表1 抚顺东露天矿岩体力学强度指标

3 边坡稳定分析与评价

3.1 安全储备系数和边坡稳定系数

参考GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》选取安全储备系数。根据规范和东露天矿南帮E4800～E6600 工程地质条件、水文地质条件，结合东露天矿采矿规划，东露天矿南帮E4800～E6600 边坡稳定性分析的安全储备系数选取为1.25～1.30，第四系边坡安全储备系数选取为1.5。

边坡稳定计算。方法选取极限平衡法。通过极限平衡法计算，分别计算出的第四系边坡稳定系数和整体边坡稳定系数见表2 和表3。

表2 第四系边坡稳定系数汇总表

表3 整体边坡稳定系数汇总表

3.2 边坡稳定分析与评价

1）第四系边坡。根据工程地质条件和边坡稳定计算成果可以看出：第四系现状边坡E6000、E6200 和E6400 边坡稳定系数分别为1.14、1.07、1.10，均小于1.15，安全储备系数不足，易在降雨、爆破施工等有关因素的影响下，出现失稳变形现象[10]；第四系设计边坡一期到界E6000、E6200、E6400 边坡稳定系数分别为1.02、0.87，0.98，均处于极限平衡状态或处于失稳状态，稳定状况满足不了安全生产的要求。

2）整体边坡。影响研究区总体边坡稳定的因素较多，但根据边坡稳定计算结果，主要分为3 个方面：顺倾软弱夹层（上层软质凝灰岩）、潜在滑体几何形态、底部斜切断层。①软质凝灰岩+底部斜切断层：E5200 剖面主要受软质凝灰岩和底部斜切断层影响，下滑力较大，抗滑力较小，边坡稳定状况较差（1.03）；②软质凝灰岩+不利边坡几何形态：根据一期采矿设计，E6000～E6400 剖面到界边坡，潜在滑体几何形态为上宽下窄的楔型边坡，下滑段较宽，抗滑段较窄，形成头重脚轻的边坡形态，边坡稳定系数为0.89～0.97，均在1.0 以下，边坡处于潜在失稳状态。

鉴于以上情况，第四系冲积层边坡和整体边坡仅有少数剖面满足稳定要求，大部分剖面不能够满足稳定要求，需要对南帮E4800～E6400 区域一期到界边坡优化调整。

4 南帮E4800～E6400 区域一期到界边坡优化调整

综合采矿施工难易程度、技术可行性和安全可靠程度，结合边坡上部第四系边坡治理的需要，南帮E4800～E6400 区域治理推荐采用按现状边坡降深，上部清方留设台阶的综合方案。

根据边坡稳定分析结果对边坡参数优化及技术经济比较，对一期到界边坡进行优化调整，优化调整界为上部进行清岩减重，下部一期设计边坡按现状边坡角向下降深至-93 m 水平；具体优化调整界+85 m水平形成1 个17 m 冲积层平盘，2 个基岩保安平盘（+68、+35 m 水平），下部按现边坡坡面角延至-93 m 水平。

1）一期到界边坡优化后整体边坡稳定性。对优化调整后设计边坡进行稳定计算，一期到界边坡调整后边坡稳定系数汇总表见表4。计算结果表明，调整后的一期设计边坡稳定系数基本都在1.30 以上，稳定状况较好。

表4 一期到界边坡调整后边坡稳定系数汇总表

2）一期到界边坡设计调整后第四系边坡稳定性。对调整后第四系设计边坡进行稳定计算，优化调整后第四系边坡稳定计算汇总表见表5。由计算结果可以看出，采用该区域第四系边坡失稳反分析指标计算，调整后的一期设计第四系边坡除E6200 剖面稳定系数为1.12 之外，其它剖面均在1.20 以上，满足安全储备系数要求。若对第四系边坡进一步疏干，边坡稳定系数均提高至1.35 以上，稳定状况较好。

表5 优化调整后第四系边坡稳定计算汇总表

3）第四系冲积层边坡的综合治理。因水平放水孔造价具有造价低，易于维护的特点，冲积层地下水采用水平放水孔进行疏干；第四系地表上部设置1条截水沟，引流地表汇水，避免进入第四系边坡内部；对第四系坡面采取护坡措施，以防暴雨冲刷，形成沟壑。

5 结语

通过岩土力学试验，得到相关岩石试验的力学数据，确定出边坡岩石力学指标；通过对工程地质进行勘察，查明了南帮E4800～E6600 边坡存在的软弱层或破碎带，掌握了该区弱层的层位、层数、厚度，并测定其物理力学性质参数；分析了可能引起边坡滑落的地质因素，提出了可能产生的滑落形式；对E4800～E6600 剖面现有浅部冲积层边坡和基岩边坡经稳定分析并进行评价。根据边坡稳定分析结果优化边坡参数，最终根据技术经济比较，对一期到界边坡进行优化调整，给出优化调整界，优化调整后境界预计多采油页岩富矿196.6 万t，促进了东露天矿安全发展。