某露天煤矿边坡裂缝破坏机理及治理措施

张文耀

（山西忻州神达能源集团有限公司 山西 忻州 034000）

0 前言

该露天煤矿开采境界内可采原煤量为51 Mt，生产能力为原煤1.20 Mt/a，储量备用系数按1.1计算，露天矿设计服务年限为38.65 a。开采工艺为单斗-卡车工艺，工作线沿煤层走向布置，沿煤层倾向推进。煤、岩台阶均水平布置，高度为10 m，岩石台阶坡面角70°、土台阶坡面角65°，剥离最小工作平盘宽度37 m；煤石台阶坡面角70°，最小工作平盘宽度35 m；最终边坡角35°，共分为15个剥离台阶和一个采煤台阶。同时根据矿区实际情况，建立了边坡岩移观测线和监测网。

该露天矿于2020年5月份在采场北帮边坡发现一条裂缝，经现场实测，裂缝区域东西平均长度约360 m，南北平均长度110 m，面积约为39 600 m2。裂缝顶部标高为1 580 m，底部标高为1 530 m，裂缝倾角约为9°~19°，西部裂缝倾角大，东部裂缝倾角小，截止治理开始之日，裂缝区域顶部累计下沉417 cm，底部累计伸出245 cm，为及时消除隐患，保证安全生产，对该边坡裂缝进行治理已迫在眉睫。

1 地质条件概况

裂缝区域北侧为山体，南侧为矿坑采区，地形为北高南低，西高东低，位于两个山体水道之间。地形地貌如图1所示。

图1 裂缝区域地形地貌示意图

1.1 区域地层

由现场揭露断面及矿区内地层整体情况，裂缝区域地层由新至老叙述如下：

（1）第四系上更新统（Q3）

土黄色黄土，为细粉砂土，砂质粘土，其下为砾石夹1－2层半胶结石灰岩小砾石层，下部为巨砾，不整合于下伏各时代基岩之上，厚度约30 m~60 m。

（2）二叠系下统下石盒子组（P1x）

以砂岩为基底，连续沉积于山西组之上，K3为灰色中粗粒砂岩，底部有时含砾，厚1.13 m～7.34 m，平均6.35 m。本组下部以灰色泥岩、粉砂岩为主，夹灰绿色粘土泥岩，向上变为黄、黄褐、黄绿、紫色泥岩及黄绿色砂岩，揭露最大厚度90 m。

（3）二叠系下统山西组（P1s）

以K2砂岩为基底连续沉积于太原组之上，K2为灰白色以石英、长石为主的中粗砂岩，泥质胶结，底部有时含砾石，层位稳定，厚4.05 m～7.34 m，平均6.35 m，中下部为灰白色、浅灰色、浅黄色中粗砂岩夹深灰色的砂质泥岩，顶部有浅灰色粘土泥岩一层，本组厚37.22 m～47.48 m，平均43.40 m。

1.2 区域构造

根据矿区地质报告和揭露现状，裂缝区域在F1断层带范围内。

F1断层带：位于矿田西北部边界，根据钻孔揭露，该断层走向NE，倾向SE，落差大于200 m，倾角80°，两端一直延展到区外10 km，F1断层带中存在破碎带，有良好的导水性和充水性，裂缝区域位于断层带的上部。

1.3 区域含水层

区域内共涉及两个含水层即第四系松散岩类含水层和二叠系下统山西组砂岩裂隙含水岩组。

（1）第四系松散岩类含水层

主要由黄土及卵砾石组成，中夹隔水和半隔水的亚粘土、亚砾土层，致使下部承压。第四系松散岩含水较丰富，为当地村民饮用水主要水源。静止水位高出孔口0.91 m，水位标高1 538.41 m，水位降低为24.36 m时，涌水量4.78 L/s，单位涌水量0.196 L/（s⋅m），渗透系数0.369 m/d。为弱～中等富水性含水层。

（2）二叠系下统山西组砂岩裂隙含水岩组

主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩组成。主要含水岩层为砂岩，以K3砂岩较为稳定，厚4.05 m~7.34 m，一般6.00 m左右。涌水量0.41 L/s，单位涌水量0.230 L/（s⋅m），渗透系数2.556 m/d，为弱－中等富水性含水层。

2 裂缝区域破坏机理分析

2.1 区域裂缝分析原因

裂缝产生的主要原因是存在含水弱层、1530水平以上有含水层及断层构造。

2.1.1 含水弱层

该区域土质松软，含水量较大，有一条明显的含水弱层（第四系松散岩类含水层）和二叠系下统山西组砂岩裂隙含水岩组。第四系松散岩含水较丰富，单位涌水量0.196 L/s.m，为弱～中等富水性含水层。二叠系下统山西组砂岩裂隙含水岩组单位涌水量0.230 L/s.m，为弱～中等富水性含水层。

2.1.2 断层构造

裂缝区域在F1断层带范围内，F1断层带位于矿区西北部边界，该断层走向NE，倾向SE，落差约200 m，倾角80°，F1断层有导水性和充水性，裂缝区域位于断层带的上部。

2.2 区域裂缝机理分析

裂缝区域处于北侧山体原水道位置，两侧是山体的出水沟道，下部+1 530 m平盘是通往官地村原河道。该区域土质松软，含水量较大，含水弱层影响山体稳定性，通过现场实测，裂缝区域含水层平均出水量约0.8 m3/h，前期出水量稍大，后期出水量较小。

裂缝区域位于F1断层带上部，断层区域内地层较为破碎，且容易积水，有较强的导水性，虽地表未出露，但造成地层稳定性大幅度下降。

裂缝区域岩土力学强度低，在含水层作用下易软化、泥化，造成边坡裂缝滑坡的滑动面。其发生滑坡的模式以“坐落滑移式”为主，其滑动面是由软弱层面和切层部分的圆弧面组成的复合滑面。

从裂缝原因及机理分析，结合现场对裂缝区域的测量，裂缝区域深度在10 m~30 m之间，平均深度17 m左右，裂缝东部深度较小，西部深度较大。根据裂缝区域深度、地层岩性及《生产地质报告》中裂缝区域地质剖面图综合判断，该滑坡属于大曲线模式坐落式滑移，具体滑动模式见图2。

图2 大曲线模式坐落式滑移

3 治理措施

3.1 治理方式

根据该裂缝区域的地形地貌、地质构造、岩性特征及推断滑动模式等综合考虑，采用清顶削坡结合拦截山体水道汇水，将沟谷洪水和第四系松散岩类含水层水引至采场集水坑或附近河道的方式进行治理。

3.2 治理方案及工程量

治理方案采用上部卸载，下部承压的方式。对1530水平以上的裂缝区域进行清理，修筑1540水平~1580水平台阶（根据地形条件，局部5 m台阶），最终帮坡角为17°，平盘宽度为8 m~50 m，台阶坡面角55°，治理工程量约为39.82万m3。

3.3 边坡稳定性验算

根据地质报告中提供的岩块强度、岩石物理力学资料及相临矿山岩石力学资料，综合确定岩石物理力学性质指标，见表1所示。

表1 岩石物理力学参数

采用简化Bishop法，选取裂缝区域具有代表性的剖面进行稳定性分析验算得出，该剖面边坡角为17°时，边坡稳定系数Fs=1.32，满足边坡稳定系数Fs＞1.2要求。

3.4 治理影响范围

裂缝区域东西平均长度约360 m，南北平均长度110 m，面积约为39 600 m2，考虑裂缝区域周边设置截水沟和平盘排水沟拦截山体汇水，设置安全距离防止局部片帮或再次发生裂缝，清理裂缝顶部散落物等因素综合考虑，治理影响范围较裂缝区域范围应适当扩大30 m~50 m。

4 边坡监测措施

根据裂缝区域治理施工进度，不断优化边坡监测网络，动态调整监测点位置，确保边坡监测全面覆盖裂缝治理施工区域。

4.1 边坡监测方式

采用GPS自动监测和人工监测相结合方式。其中GPS自动监测采用GPS定位系统和24小时在线监测系统，对裂缝区域边坡进行24小时不间断监测。根据实际情况随时调整自动监测位置监测数据每30分钟进行更新，发现异常情况，立即报警；人工监测通过在裂缝区域内设置人工监测点，安排专业巡查人员每日进行两次巡查，查看地表沉降、边坡位移变形状况，发异常情况时，及时汇报处理。

4.2 边坡监测点布设

裂缝治理区域内共布置3条监测线，9个人工监测点，1个GPS自动监测点。其中西部设置1条监测线、3个监测点；中部设置1条监测线、4个监测点；东部设置1条监测线、3个监测点。具体位置如图3所示。

图3 裂缝区域边坡监测点布置示意图

4.3 监测数据分析

整个裂缝治理工期为20天，治理期间顶部累计下沉量为76 mm，底部累计伸出量为65 mm；治理结束后一个月，顶部累计下沉量为75 mm，底部累计伸出量为54 mm；目前顶部下沉速率为6 mm/月，底部伸出速率为4 mm/月，裂缝趋于稳定。

5 结语

裂缝区域地层自上而下由细粉砂土、砂质粘土、中粗粒砂岩、灰色泥岩、粉砂岩、中粗砂岩组成。治理措施采用清顶削坡、拦截山体水道汇水为主，同时辅以防排水措施及边坡监测措施，通过稳定性分析计算，治理方式满足边坡稳定性要求。同时根据监测数据分析，表明治理措施科学有效，为安全生产提供可靠保障。