扎哈淖尔露天矿煤矿南帮大变形区治理方案

2022-10-04刘敬玉赵立春王彦卓

露天采矿技术 2022年5期

刘敬玉，赵立春，王彦卓，刘岩，张琦

（1.内蒙古能源有限公司北露天煤矿，内蒙古霍林郭勒 029200；2.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业公司，内蒙古扎鲁特旗 029100）

露天矿边坡稳定性是保证矿山持续健康发展和良好经济效益的前提，是矿山安全生产中的重中之重[1]。随着露天矿开采规模及开采深度的加大，受不良地层岩性、地质构造、荷载情况、暴露长度、暴露时间等因素影响的边坡发生滑坡频率呈逐年上升趋势，尤其是软岩边坡[2-4]。如白音华煤田、胜利煤田、宝日希勒煤田、霍林河煤田的20 余座软岩露天煤矿中，均发生过不同程度的滑坡现象，造成的损失也极为惨重。分析其原因，软岩是边坡发生变形失稳的主控因素，其具有显著的塑性变形，稳定性难以控制，因此确保软岩露天煤矿边坡稳定性尤为突出重要，已成为边坡工程领域亟待解决的科学问题[5]。

软岩是边坡失稳的主控因素，也能成国内外专家关注的热点话题之一，学者们应用不同理论对软岩边坡展开大量研究。程强等[6]以弱层试样为研究对象进行蠕变试验，确定了弱层的长期抗剪强度，并得出边坡滑坡易从弱层面剪出；李海洲等[7]以砂质泥岩为试验对象，基于西元体蠕变模型及Hoek－Brown准则确定了砂质泥岩的蠕变特性；谢瑾荣等[8]基于间接耦合法，应用非饱和渗流－应力计算原理，提出了兼顾渗流效应的边坡稳定性分析方法；付宏渊等[9]提出了复合黏弹塑流变模型，并用压缩（卸载）试验验证该模型的合理性；任青文等[10]通过砂土相似模拟试验及数值模拟分析了大气降水对排土场边坡稳定性影响；刘子振等[11]考虑非饱和黏土边坡的基质吸力和渗流力，提出了降雨条件下非饱和黏土边坡稳定性的极限平衡条分法计算式；刘福明等[12]揭示了压实区与非压实区渗透速率不同的内在原因，根据试验结论提出了提高露天矿排土边坡稳定性的建议。

为此，以扎哈淖尔露天煤矿采场南帮边坡变形区为例，基于极限平衡分析，应用GEO－SLOPE 软件进行模拟分析现阶段南帮大变形区边坡稳定性与滑坡机理，根据数值模拟结果，提出合理工程治理措施，得到南帮大变形边坡坡滑坡模式为推动式的部分顺层－剪出滑动，边坡处于不稳定阶段；通过对坡顶卸荷减载或者内排压脚治理措施，解决了露天煤矿迫切的安全问题。

1 南帮边坡稳定性影响因素及潜在的滑坡模式

结合辽宁工程技术大学2015 年所做的报告《扎哈淖尔露天矿边坡稳定性分析及失稳边坡压覆资源采出方案研究报告》、西安煤科院所做报告及扎哈淖尔露天矿初步设计中的数据，以及弱层指标反分析结果，综合确定扎哈淖尔露天矿边坡稳定性。

根据地质资料统计，南帮煤层、岩层局部孔隙含水，孔隙含水通过裂隙进入弱层面，造成岩体尤其是弱层的力学强度降低，是大变形发生的重要因素。在ⅢB 煤底板以下3～6 m 处的炭质泥岩夹层是滑体的下部边界，该泥岩夹层由于受到地下水的浸润作用逐渐演化形成弱层是本次变形发生的主控因素。在变形区域上部赋存一定风氧化煤，受前期以压覆排弃物料为主治理方式，并未从根本上治理火煤，致使风氧化煤一直在排弃物料底部自然，随着氧化煤的燃尽：一方面导致上部排弃物料成为火烧岩，结构松散，力学指标降低；另一方面氧化煤燃尽，上部物料受自身重力作用，致使上部火烧岩下沉，给下部弱层以一定载荷，边坡在荷载作用下稳定程度急剧下降。同时分析变形前的边坡形态可知，局部台阶高度过大，在重力作用下挤压下部岩体沿弱层发生滑动，即滑坡发生的力学成因机制类型为推动式滑坡。南帮边坡变形区存在软弱结构面，其稳定性的主要受岩性、荷载、形态、边坡高度及角度等因素的影响。但弱层存在起控制性因素，确定其潜在的滑坡模式为推动式的部分顺层－剪出性滑动。

2 南帮边坡变形区稳定性

结合南帮大变形区潜在滑坡模式，采用GEOSLOPE 软件数值模拟的方法，对其进行稳定性进行分析，通过滑坡模式及计算的稳定系数进而确定边坡所处变形阶段及危险程度。

根据南帮变形区现状，结合以往工程地质信息和煤岩顶底板等高线等地层信息建立数值模拟模型，模型南帮变形区边坡高度为156 m、南北长为686 m，变形区面积，推断变形区体积为，各地层从上至下分别为：排弃物料，变形区岩体、IIIB 煤、IIIB 煤底板弱层、泥岩，煤，泥岩。南帮边坡变形区稳定性计算结果图如图1。

图1 南帮边坡变形区稳定性计算结果图

由图1 已知，通过GEO－SLOPE 软件数值模拟计算得到的稳定系数为0.99，说明南帮大变形区边坡处于极限平衡状态，在现阶段情况下，受IIIB 煤底板弱层控制，边坡上部以沉降变形为主，边坡中部以滑移为主，坡底处以隆起为主。在边坡上部荷载的推动作用下，再加上氧化煤强度指标的弱化，煤层含水对岩体强度指标影响，边坡体出现严重变形，滑坡模式为推动式的部分顺层－剪出性滑动，随着变形区边坡暴露时间过长、大气降雨量与降雨强度及冻融影响下，易造成滑坡，在未滑动之前建议采用清帮减重、内排压脚或者两者方案结合实施治理工程措施。

3 南帮边坡变形区治理方案

扎哈淖尔露天煤矿南帮边坡已经形成多年，为地质条件复杂的软岩边坡，结合以往边坡工程治理实践可知，边坡滑坡治理措施包括3 大类：①卸荷减载、坡角处压脚；②增强、增大边坡岩体强度；③利用三维效应，制造支挡物。针对南帮边坡的大变形，结合滑坡模式，有效可行的措施是对边坡进行卸荷减载、坡角处压脚，减小下滑力，增大抗滑力，进一步提高边坡稳定性。所以采场南帮边坡变形区边坡治理方案为坡顶卸荷减载或压脚方案。

1）卸荷减载方案。根据滑体岩性及形态，为了保证后期边坡稳定性要求，对其进行卸荷减载设计，减载最小工作平盘宽度30 m，台阶高度10 m，台阶坡面角50°，台阶高度为10 m，卸载方案为卸载高度为5、10、15、20 m 4 种，通过计算卸载高度为10 m 南帮边坡变形区边坡稳定系数1.062，卸载工程量为13.2 万m3，满足安全储备系数1.05 要求。卸荷减载方案极限平衡法计算结果如图2。

图2 卸荷减载方案极限平衡法计算结果

2）压脚方案。为了保证沉降导致的稳定性要求，对其进行压脚设计，压脚方案为压脚高度5、10、15、20 m 4 种，根据滑体形态，压脚最小工作平盘宽度20 m，压脚台阶高度10 m，台阶坡面角35°，台阶高度为10 m，因作业设备小型化，采取5 m 分层作业；通过计算压脚高度为15 m 南帮边坡变形区边坡稳定系数1.05，同时改变边坡滑坡模式为切层－顺层－剪出性滑坡，增加变形区边坡的稳定程度，压脚工程量为17.9 万m3，达到了满足安全储备要求1.05 要求。压脚方案极限平衡法计算结果如图3。