胜利东二号露天煤矿采场南帮边坡稳定防控研究

姜连军

（内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

在露天矿生产中，采场边坡的稳定性至关重要，随着生产规模的不断增大，边坡工作线的不断增长，开采深度的逐渐增加，边坡稳定性问题越发突出。受地质构造、水文地质条件、生产作业的影响，以及受冰冻、降雨等影响，会导致边坡出现滑坡。为保障采场边坡的稳定，避免滑坡事故再次发生，提升矿山经济性及安全性，根据胜利东二号露天煤矿的南帮地质特征、南帮滑坡及未来建设情况，采用极限平衡分析、有限元分析、复合边坡分析方法，对根据胜利东二号露天煤矿南帮边坡稳定性进行研究[1-4]，确定安全、经济的边坡形式，并由此提出采场南帮边坡的防控措施[5-10]。

1 工程概况

胜利东二号露天矿采场南帮岩层顺倾，岩石以碎屑沉积岩为主，岩石力学强度低，在地下水作用下易软化、泥化，含煤地层中有弱面。南帮位于向斜盆地之南翼，发育有F68、F8、F61等断层且岩体节理裂隙发育，断层走向与南帮边坡倾向基本一致。区域内主要有4 个主要含水层，第四系孔隙水、第三系孔隙及裂隙潜水、4#煤组裂隙及孔隙承压水、6 煤组裂隙及孔隙承压水，岩层透水性差。

采场南帮边坡于2011 年2 月出现变形，9 月初形成1＃、2＃2 条弧形裂缝带。2012—2013 年，该边坡受2 次强降雨影响，先后发生以1＃裂缝带为后缘的采场南帮大滑坡及以2＃裂缝带为后缘的采场南帮、南排土场复合边坡大型滑坡。

南帮发生滑坡后，先后采取了削帮减负、削南排土场北侧台阶减负、压脚支撑等措施进行治理，但效果一般。后经多次组织专家及委托相关科研院所论证分析，确定采用横采内排[2]压脚的方式对南帮滑坡进行治理，即在采场东帮建立内排土场，在向西沿着煤层走向开采过程中，内排土场逐步跟进压脚南帮，通过北帮对其支撑，实现支护南帮。目前内排土场顶面为963 m 水平，距计划排弃地表高度约100 m，有效压脚至南帮滑落区903 m 水平，上部区域未再次发生滑坡，实践证明，该方法有效。随着内排土场向西跟进压脚，不仅能够实现南帮滑坡区治理，而且可保证未来西推过程中南帮边坡稳定。

但在后续生产建设过程中，受北帮完全到界时间较晚，煤炭未完全采出的制约，内排土场推进至东北转角处时将无法继续向西发展，至北帮到界恢复内排时存在5 年左右的停排时间。随着西帮推进，南帮边坡暴露长度将逐步增大，待恢复内排时，南帮边坡顶部长度达到约4 km，底部约0.7 km，由于南帮地质条件的特殊性，边坡存在较大滑坡风险。后续生产建设过程中如果再次发生滑坡，将造成煤炭损失、生产无法接续的严重后果。

2 采场南帮边坡稳定性

1）极限平衡分析。根据边坡地质特征，确定临时边坡安全储备系数Fs＝1.05，到界边坡或重要工程位置边坡安全储备系数Fs＝1.20。选取南帮边坡角度大于19°时，边坡稳定系数均小于1.05，不满足临时边坡安全储备系数。选取南帮边坡角度为18°时，边坡稳定系数为1.068，大于临时边坡安全储备系数Fs＝1.05，只能满足临时边坡安全要求，不能满足较长时间的边坡暴露。如继续减小南帮边坡角度，会进一步增大剥采比，经济性较差，为此，在南帮边坡角度选取18°的基础上进行研究，考虑在南帮852 m 水平（最上部煤层顶板出露水平）留设宽平台，以提高南帮边坡的整体稳定性。以初始留设平台宽度20 m，计算步距10 m 进行计算，平台宽度20 m 时边坡稳定系数为1.05，之后随着平台宽度增加逐步增大，在平台留设宽度150 m 时（整体边坡角度约15°），边坡稳定系数达到1.212，大于边坡安全储备系数Fs＝1.20。南帮852 m 水平留设150 m 宽平台边坡稳定系数如图1。根据极限平衡分析，南帮边坡角18°时，边坡稳定系数为1.068，大于临时边坡安全储备系数Fs＝1.05。所以，在回采852 m 水平以下煤柱使南帮整体到界时，通过随采随排，内排快速跟进压脚方式，可保证南帮边坡稳定。

图1 南帮852 水平留设150 m 宽平台边坡稳定系数

2）有限元分析。利用有限元法进行计算分析[5]，南帮开采至最终边坡角18°时，边坡主要位移集中在边坡弱层、断层及边坡坡脚处，说明边坡最可能发生的滑动方式为沿着弱层发生的牵引式顺层滑动破坏。因南排土场距采场南帮地表境界距离较近，形成复合边坡，需综合考虑南排土场对采场南帮的影响。采场南帮及南排土场复合边坡总位移如图2。经分析，当外排土场距离采场地表境界超过400 m 时，两者之间的影响相对较小。在南排土场距离采场南帮地表境界为400 m，且在南帮852 m 水平留设150 m 宽平台时，从边坡总位移图可以明显看出，主要位移已经不发生在坡脚，而在留设平台的上部边坡，说明留设宽平台起到了效果，对边坡主要变形位置起到了控制作用，对边坡稳定起到了有利作用。

图2 采场南帮及南排土场复合边坡总位移图

3）复合边坡分析。对南帮及南排土场形成的复合边坡进行整体分析[5]，分析南排土场与南帮安全距离为400 m，南帮边坡角为18°且在南帮852 m 水平留设150 m 安全平台时的稳定系数，采场南帮及南排土场复合边坡稳定系数如图3。经计算，南帮剖面复合边坡稳定系数为1.346，符合露天矿设计规范[6]要求。

图3 采场南帮及南排土场复合边坡稳定系数

经上述分析，未来生产建设过程中，采场南帮边坡可以采用将到界边坡角调整为18°，且在852 m水平预留宽平台，南排土场距离采场地表境界距离保持至少400 m 的方式。

3 采场南帮边坡防控措施

1）加快采场北帮到界。受采场北帮到界影响，内排土场向西推进缓慢，且存在停排时间较长的情况。为此，可将原二期初设首采区及二采区分界向南回收，以实现采场北帮快速推进到界，缩短内排停排时间，快速向西推进，实现横采内排支护南帮。

2）全面监测巡视，掌握边坡变形动态。①采用边坡监测雷达，实现对南帮全天候、全方位监测；②根据监测需要，合理规划并布设在南帮重点监测位置，每日对各监测点监测数据进行分析；③在监测点或雷达故障不能及时修复时，可采取人工打桩方式，在地表稳定位置及南帮重点监测位置打铁桩或木桩（几十公分即可），每日用测量仪器对其进行测量，掌握该些位置的位移情况；④重点对南帮边坡及地表进行巡视，检查有无裂缝、底鼓、错动等边坡变形情况，及时发现并予以处理。

3）根据南帮边坡稳定情况动态调整边坡角。在内排停排期间，通过全面监测巡视，以及边坡稳定性分析，对南帮边坡角进行动态调整，如果边坡不稳定，可减小边坡角，保证边坡稳定。待恢复内排后，可结合内排跟进时边坡稳定情况，动态调整边坡角，如边坡稳定，可加大边坡角，在快速回采煤炭后内排及时跟进。

4）采取合理的西帮及内排推进方式。采场南帮滑坡断臂顶部标高为945 m，2013 年滑坡出露至今断臂仍保持稳定。考虑南帮层理结构特点，可在恢复内排后，采取错位排弃方式，即优先快速排弃内排土场中部以下水平（可根据生产实际情况分析确定分段位置），在保持合理距离内，同时排弃内排土场上部水平，实现下部水平快速支护南帮，最大限度保证南帮整体稳定，随着内排土场上部水平的跟进，最终实现完全支护南帮。

5）防控水对边坡的影响。①挖设地表防洪沟：随着采场西帮向西推进，继续在采场南帮地表沿帮挖设防洪沟，将汇水拦至防洪沟并向西排至草原，防止因降雨导致汇水流入采场，对南帮边坡稳定造成影响；②完善采场及矿坑周边疏干排水系统：重点在南帮及南帮地表有充分补给水源的地段设置疏干井，用潜水泵将水抽出，降低水头，减少对边坡体的渗流，结合设计方案并根据复工后生产实际，设置采场防洪及正常疏干排水管路，合理规划挖设排水沟及集水坑，保证排水系统能够正常高效运行，及时将采场内汇水排出，减少其对边坡的影响，巡查采场边坡涌水位置，在该些位置向岩体打水平放水孔[7]，降低边坡内部水压，改善边坡稳定状况。

6）持续开展边坡稳定分析工作。持续开展地质写实工作，总结完善水文及工程地质数据及资料，同时保持与专业科研院所合作，结合生产实际及地质资料持续开展边坡稳定研究，结合研究成果、生产建设实际与规划，综合考虑南帮边坡形式，对到界边坡角等进行合理设计与调整。

7）其他防控措施。①为避免因爆破对南帮边坡稳定产生较大影响，在生产过程中，合理规划爆破位置及参数，降低爆破对南帮的扰动[8]；②在生产过程中，控制采场深部弱层暴露长度，及时采取碾压及夯实、排水固结等方法予以处理[9-10]；③对已出现的边坡变形位置，根据实际情况及时采取削帮减重等方式进行处理，在上部减重，改变滑体外形，减少下滑力，使滑体重心向下部转移，来改善边坡稳定状况。

4 结语

基于胜利东二号露天煤矿采场南帮滑坡情况，以安全、经济性为前提，对南帮边坡稳定进行防控研究；采用极限平衡法确定南帮边坡临界安全角度，采取在下部水平留设宽平台的方式，提高整体边坡稳定性；通过有限元法对南帮边坡滑动形式进行分析，采取扩大南排土场与南帮地表境界距离的方式，对南帮边坡主要变形位置进行控制。当露天矿采场边坡稳定性较差时，既不能仅为了安全性而采取较小的最终边坡角，导致边帮压煤增多，使剥采比增大、经济效益降低，也不能仅为了经济效益而保持较大的最终边坡角，增加边坡滑坡的风险，需综合考虑。通过采取有效的防控措施，在生产过程中最大限度的保证采场边坡稳定，这样既保证露天矿采场边坡稳定，也保障了经济效益。