伊敏露天礦內(nèi)排土場邊坡災(zāi)變機(jī)理研究

劉建國，王興濤，司國斌

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司 伊敏露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021134）

露天礦滑坡為露天開采的主要災(zāi)害之一，同時也是重大危險源。露天開采過程中邊坡角度與資源回采率正相關(guān)，但邊坡角度卻與安全性反相關(guān)，也就是邊坡角度越大，資源回采率越高，但相應(yīng)的安全性越低。如何在保證安全性的基礎(chǔ)上提高資源回采率，是露天開采的研究重點(diǎn)。對露天礦滑坡機(jī)理的研究能夠分析出不同地質(zhì)構(gòu)造的邊坡的滑坡模式，從而確定出最合理的邊坡角度和相應(yīng)的邊坡檢測機(jī)制以及相應(yīng)的防滑坡措施[1-3]。2020 年4 月30 日寶日希勒露天礦對滑坡的成功預(yù)測就是在充分研究邊坡災(zāi)變機(jī)理與滑坡模式的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，提前1.5 h成功預(yù)測滑坡時間和區(qū)域，是排土場在變研究的典型成功案例。因此，伊敏露天礦及時開展了災(zāi)變機(jī)理研究工作。

邊坡災(zāi)變機(jī)理的研究首先需要對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，目前邊坡穩(wěn)定性分析方法大致有4種，分別為極限平衡法、工程地質(zhì)分析法、數(shù)值分析法和現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析法[4]。其中極限平衡法是目前為止最常用且較為簡便的邊坡穩(wěn)定性計算方法，極限平衡法可以計算很多不規(guī)則滑面方法，其中最普遍的條分極限平衡法可以將邊坡劃分成條帶然后確定出不同形狀的圓弧滑面[5-8]?，F(xiàn)如今隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于有限元、顆粒流等各種數(shù)值分析法都可以通過現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展得以實現(xiàn)，這些現(xiàn)代計算方法可以模擬出巖體內(nèi)部的物理力學(xué)性質(zhì)，可以更精確的計算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。1995 年黃潤秋、許強(qiáng)[9]將FLAC3D軟件應(yīng)用于邊坡的模擬計算，以某水電工程的邊坡為例，分析了邊坡的穩(wěn)定性并進(jìn)行模擬加固；張利潔[10]等學(xué)者運(yùn)用有限差分法對某水電站邊坡進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值模擬，計算了極限承載力，分析了邊坡的穩(wěn)定性。工程地質(zhì)分析法是通過對實際生產(chǎn)現(xiàn)場的勘探并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，確定露天礦的工程地質(zhì)條件以及當(dāng)?shù)厮疁亍夂驅(qū)吰碌挠绊?，然后分析出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

1 伊敏露天礦地質(zhì)條件

伊敏露天礦地貌為平緩的草原，并且周圍有季節(jié)性河流。含水層有煤系孔隙裂隙含水層和第四系沖積孔隙含水層，含水量大。第四系的亞黏土和黏土隔水層呈不連續(xù)分布，而且隔水性較差，但在小范圍內(nèi)是比較好的隔水層。地表出露為砂土，下伏巖土體類型為軟質(zhì)巖類。伊敏露天礦主采15 煤和16煤，煤層埋藏較淺，厚度較大，賦存較為穩(wěn)定，適合采用露天開采方式進(jìn)行資源開采。伊敏露天礦在開采過程中形成多個煤巖混合邊坡，而且在不同地層之間存在富水弱層。隨著每年雨季的大量降水，地表水不斷排入，導(dǎo)致巖石的物理力學(xué)性質(zhì)下降，邊坡強(qiáng)度降低，弱層演化復(fù)雜，容易存在滑坡隱患。煤層?xùn)|高西低，傾角局部較大，內(nèi)排土場基底傾斜，而且底板易出水。

2 內(nèi)排土場地下水滲流模擬

2.1 現(xiàn)狀內(nèi)排地下水滲流模擬

伊敏露天礦NP-1605 SEEP/W 分析模型如圖1。將排土場巖性分為上部排棄物料和下部未動地層。對排棄物料采用非飽和流分析方法，對未動地層采用飽和流分析方法。先將滲流分析模型的基底標(biāo)高設(shè)為500 m。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔和踏勘，確定了兩側(cè)邊界水頭的標(biāo)高。確定標(biāo)高左側(cè)135 m，右側(cè)65 m，根據(jù)勘察結(jié)果將現(xiàn)場的實際出水點(diǎn)位置設(shè)為模型中的可能出水位置。典型剖面地下水總水頭計算結(jié)果如圖2,典型剖面地下水壓力計算結(jié)果圖3。

圖1 伊敏露天礦NP-1605 SEEP/W 分析模型Fig.1 SEEP/W analysis model of NP-1605

由于隔水性較差，所以第三系砂礫巖層和16 煤地下水滲流主要發(fā)生位置。根據(jù)分析可知，16 煤內(nèi)部分布有靜水壓力為0 的水位線。地下水滲流對邊坡和各個排土平盤的的影響均可忽略不計。東幫+620 m 水平以上的排土平盤距離0 水位線距離較大，所以地下水對內(nèi)排基底的影響不是很大。

圖2 典型剖面地下水總水頭計算結(jié)果Fig.2 Calculation result of total head of groundwater in typical section

圖3 典型剖面地下水壓力計算結(jié)果Fig.3 Calculation result of groundwater pressure in typical section

雖然東幫內(nèi)排土場邊坡較為穩(wěn)定，但隨著6—9月季節(jié)性降水的到來，應(yīng)重點(diǎn)在雨季加強(qiáng)整個內(nèi)排土場下部的抽水工作。當(dāng)?shù)乇硭难a(bǔ)給速度大于巖土體中水的滲流排泄速度時，將會導(dǎo)致巖石的抗剪強(qiáng)度降低，使巖石承載力下降，造成邊坡穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致安全隱患。特別是東幫基底為順傾，當(dāng)?shù)装逅^多時，容易形成滑面。為了保證內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)立邊坡監(jiān)測點(diǎn)加強(qiáng)邊坡檢測。

2.2 設(shè)計內(nèi)排地下水滲流模擬

基于典型地質(zhì)剖面建立的伊敏露天礦典型剖面SEEP/W 分析模型。將排土場巖性分為上部排棄物料和下部未動地層。對排棄物料采用非飽和流分析方法，對未動地層采用飽和流分析方法。按照與現(xiàn)狀地下水相同的研究方法，將右側(cè)邊界水頭標(biāo)高分別設(shè)定為150 m 和135 m，左側(cè)邊界水頭標(biāo)高設(shè)定為出水點(diǎn)位置實際標(biāo)高45 m，將現(xiàn)場的實際出水點(diǎn)位置設(shè)為模型中的可能出水位置。

模擬工況分為3 種：①考慮現(xiàn)狀內(nèi)排土場地下水條件：東幫水位標(biāo)高為＋635 m（現(xiàn)狀地下水位）＋坡腳水位標(biāo)高545 m；②考慮東幫地下水位恢復(fù)到原始標(biāo)高：東幫水位標(biāo)高為＋650 m（原始地下水位）＋坡腳水位標(biāo)高545 m；③考慮東幫地下水側(cè)向補(bǔ)給給排棄物料：排棄物料內(nèi)部滲流。

根據(jù)分析結(jié)果，在東幫內(nèi)排場下部，地下水位現(xiàn)狀標(biāo)高635 m 和原始地下水位標(biāo)高650 m 2 種情況的地下水總水頭和地下水的流動方式都發(fā)生了很大的變化。當(dāng)東幫內(nèi)排土場的地下水水位達(dá)到原始水位時，排土場坡腳處巖土體內(nèi)部應(yīng)力明顯減弱。這種情況將導(dǎo)致巖土體內(nèi)部軟化，承載力下降，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。通過模型分析模擬內(nèi)排土場下部的地下水的流動軌跡，地下水仍在16 煤底板下部，沒有浸入到排土場物料中。導(dǎo)致這種情況的可能因素大致為：①內(nèi)排初期下部排棄物料多為泥巖，而泥巖具有較好的隔水性，且垂向和側(cè)向滲透系數(shù)較小；②16 煤滲透系數(shù)較大，有利于地下水的下滲?？傮w來看就是上部物料不易滲水，而下部巖層易于滲水，所以水沿易于滲出的方向形成水路。根據(jù)模型的分析計算，現(xiàn)有內(nèi)排邊坡穩(wěn)定性良好，按照現(xiàn)有疏干排水方式，保證16 煤底板的地下水水位在16煤底板1 m 之下即可。因此，根據(jù)模擬結(jié)果，建議保持采場底部現(xiàn)有疏干效果，標(biāo)準(zhǔn)是保證16 煤底部水位標(biāo)高不超過16 煤底板標(biāo)高1 m，既能保證東幫地下水不會大量入滲到排棄物料內(nèi)部。

3 內(nèi)排邊坡防治措施

1）加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性研究工作。通過工程勘查等手段，以及日常監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，完善邊坡災(zāi)變機(jī)理研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，逐漸形成適用于生產(chǎn)實際的災(zāi)變機(jī)理預(yù)警機(jī)制，逐漸從數(shù)字化向智能化前進(jìn)。

2）完善地下水防治措施。根據(jù)上述邊坡滲水來源分析，對第四系水層采取抽水疏干方法，降低地下水位。對第三系水層采取超前疏干等排水方法，集中抽排。同時，在現(xiàn)有疏干系統(tǒng)、超降系統(tǒng)基礎(chǔ)上，逐步完善明溝暗道、水平疏干，多措施、多渠道使地下水位有效降深，保證排土場基地的安全穩(wěn)定。

3）優(yōu)化地表水壩等減少采場匯水面積。充分利用采場擋水壩、排土場反坡?lián)鯄Φ葴p少采場匯水面積，將地表水堵截在采場外。與此同時，利用采場低洼處的集水匯水作用，修建加水站既分級排水泵站，降低煤層底板抽排壓力。

4 結(jié) 語

通過分析伊敏露天礦的地質(zhì)條件，確定了內(nèi)排土場地下水的滲流方式。并基于典型地質(zhì)剖面建立SEEP/W 滲流分析模型對內(nèi)排土場地下水滲流進(jìn)行模擬。分別對現(xiàn)狀內(nèi)排和設(shè)計內(nèi)排進(jìn)行模擬，得到現(xiàn)狀內(nèi)排較為穩(wěn)定，但雨季仍有滑坡風(fēng)險的結(jié)論。并提出了相應(yīng)的內(nèi)排邊坡防治措施。