石頭梅露天煤礦南幫邊坡失穩(wěn)因素及治理措施

劉興學(xué)，胡淵鑫

（新疆能源（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 哈密分公司，新疆 哈密 839000）

露天煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定性受諸多因素的影響，邊坡安全不可忽視。隨采剝工程持續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)逐漸形成陡立的坡面，開(kāi)挖后的邊坡受地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、爆破振動(dòng)、工程機(jī)械動(dòng)荷載、邊坡角、邊坡高度、地下水、降雨等因素影響，破壞了邊坡巖體的自然平衡狀態(tài)，邊坡在重力作用下，應(yīng)力重新分布可能會(huì)出現(xiàn)邊坡變形破壞，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，甚至造成滑坡事故[1]。露天煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，一定要對(duì)邊坡進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)及人工巡視，當(dāng)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)全面分析影響邊坡失穩(wěn)的因素，分清主次，制定防治措施并立即組織實(shí)施。實(shí)踐表明，研究露天煤礦邊坡失穩(wěn)影響因素、采取正確的治理措施并及時(shí)組織實(shí)施治理，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

1 工程概況

礦區(qū)地形屬低山丘陵、戈壁荒漠區(qū)，第四系礫石及亞砂土所覆蓋較多，地勢(shì)呈南高北低，原始地形較為平坦。區(qū)內(nèi)無(wú)常年地表水流，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)于降水。礦床充水主要源于大氣降水、暫時(shí)性地表洪流的入滲補(bǔ)給以及層間補(bǔ)給。新近系孔隙含水層組為弱富水性，侏羅系西山窯組上、下段孔隙裂隙含水層組為弱含水層富水性弱。露天開(kāi)采區(qū)地形有利于自然排水，地下水補(bǔ)給量極少，地下水流向基本與地形坡向一致，自南向北。

石頭梅露天煤礦一期工程設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模5.0 Mt/a。剝離采用單斗-卡車開(kāi)采工藝，采煤采用單斗-卡車＋半移動(dòng)破碎站半連續(xù)開(kāi)采工藝[2]，剝采工程采用分層采裝工藝，臺(tái)階高度10 m。采裝設(shè)備選用斗容8.0 m3，液壓挖掘機(jī)，運(yùn)輸設(shè)備選用載重91 t 自卸卡車。采場(chǎng)南幫邊坡為非工作幫，南幫到界幫臺(tái)階坡面角65°，臺(tái)階高度10 m。南幫到界邊坡采用組合臺(tái)階（2 個(gè)安全平盤和1 個(gè)清掃平盤），安全平盤寬度5 m，清掃平盤寬度30 m，南幫設(shè)計(jì)邊坡角33°。南幫邊坡屬于典型的巖質(zhì)邊坡，邊坡上部為第四系松散層和新近系地層，為水平或近水平地層；邊坡下部為侏羅系地層，邊坡傾向與地層傾向一致，為順層邊幫。

2 南幫邊坡失穩(wěn)因素

石頭梅露天煤礦采場(chǎng)南幫邊坡屬于典型的巖質(zhì)邊坡，影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)、陡立高邊坡、地下水、降雨、工程振動(dòng)等。

1）地質(zhì)構(gòu)造。采場(chǎng)南幫受白依山斷裂構(gòu)造活動(dòng)的影響，基巖層理發(fā)育，層面黏結(jié)力小，巖體完整性較差。根據(jù)采場(chǎng)已揭露地層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測(cè)量與分析：南幫東側(cè)邊坡有2 組與坡面走向近平行的節(jié)理組合成“X”形，與層面組合易使斜坡發(fā)生順層破壞；南幫西側(cè)結(jié)構(gòu)面也將巖體切割呈大小不一的危巖體，隨著坡體前緣開(kāi)挖，在重力作用下，陡立巖體向坡外彎曲，易形成崩塌和彎曲—拉裂式整體滑移。

2）地層結(jié)構(gòu)。采場(chǎng)南幫邊坡巖體主要為緩傾的新近系泥巖和砂礫巖，下伏侏羅系的砂巖、砂泥巖和泥巖。由于南幫邊坡存在單斜和斷裂構(gòu)造，侏羅系地層從北向南地層逐漸由近水平向陡傾漸變。南幫邊坡開(kāi)挖過(guò)程中形成了較陡立的坡面，使前緣臨空面逐漸增大，巖體卸荷作用明顯、坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了調(diào)整，致使東側(cè)發(fā)生順層的平面滑動(dòng)和楔形滑動(dòng)，西側(cè)邊坡發(fā)生傾倒式變形破壞[3]。

3）巖石力學(xué)性質(zhì)。邊坡巖體主要由砂泥巖、泥巖、砂巖、砂礫巖和煤組成，總體膠結(jié)能力差，強(qiáng)度較低，遇水易崩解軟化，巖體軟硬相間。開(kāi)挖后，邊坡巖體在自重力作用下，臨空面易出現(xiàn)變形破壞，邊坡巖體會(huì)沿軟弱結(jié)構(gòu)面緩慢而持續(xù)的變形，當(dāng)坡體中的剪應(yīng)力低于其抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體呈蠕動(dòng)狀態(tài)[4]；當(dāng)應(yīng)力值接近或超過(guò)巖體長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體表現(xiàn)為加速蠕動(dòng)，直至破壞。

4）陡立高邊坡。煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，采剝工程持續(xù)推進(jìn)，邊坡高度逐漸增加，采場(chǎng)南幫形成了陡立高邊坡，邊坡巖體裸露風(fēng)化降低了巖體的工程力學(xué)性質(zhì)，使邊坡巖體原有的應(yīng)力平衡改變，邊坡巖體在重力作用下應(yīng)力場(chǎng)重新分布，使邊坡出現(xiàn)變形破壞，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[5]。

5）工程振動(dòng)。煤礦在生產(chǎn)作業(yè)中使用的重型礦卡、大型機(jī)械和爆破作業(yè)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)使邊坡巖體出現(xiàn)顛簸和搖晃，破壞了邊坡巖體原結(jié)構(gòu)的完整性，降低了邊坡的穩(wěn)定性。

6）地下水。該區(qū)地下水類型主要為侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙水、新近系和古近系碎屑巖類孔隙裂隙水、第四系松散巖類孔隙潛水。地下水順巖層裂隙面滲入，在裂隙密集附近聚集，長(zhǎng)時(shí)間積聚的地下水會(huì)讓邊坡巖體軟化，不利于邊坡的穩(wěn)定性。

7）降雨。開(kāi)挖后的邊坡，使邊坡巖體自然平衡狀態(tài)受到破壞，邊坡出現(xiàn)發(fā)育裂縫，降雨沿裂縫流入邊坡巖體，水進(jìn)入邊坡巖體內(nèi)易沿巖層軟弱結(jié)構(gòu)面快速下滲，造成邊坡巖體的軟化[6]，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。

3 南幫邊坡治理措施

2021年6 月采場(chǎng)南幫地表高程825 m，采場(chǎng)深部高程695 m，高差約130 m，邊坡角28°。南幫邊坡地表至770 m 水平多處存在不同程度的拉張裂縫，局部變形明顯，呈發(fā)展?fàn)顟B(tài)，邊坡西側(cè)有傾倒式變形體。南幫地表運(yùn)輸干線局部區(qū)域出現(xiàn)裂縫。經(jīng)研究，綜合考慮邊坡治理措施的適用性、工程難易程度、成本和周期，結(jié)合采場(chǎng)南幫邊坡的實(shí)際情況，石頭梅露天煤礦采取以下治理措施：

1）降低邊坡角。采剝工程不斷推進(jìn)，采場(chǎng)南幫形成陡立高邊坡，邊坡受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、巖體硬度、工程振動(dòng)、地下水、降雨等因素的影響，經(jīng)分析，降低邊坡角是提高邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。通過(guò)采用削坡減載與內(nèi)排壓腳相結(jié)合的方法降低邊坡角，可快速提高采場(chǎng)南幫邊坡的穩(wěn)定性[7]。

2）削坡減載。采剝工程持續(xù)推進(jìn)，7 月南幫邊坡下部高程687 m，南幫邊坡監(jiān)測(cè)位移量出現(xiàn)增大現(xiàn)象，同時(shí)采煤工作面出現(xiàn)了凸起裂縫。經(jīng)分析，南幫邊坡下部巖體對(duì)邊坡上部巖體的支撐力接近臨界狀態(tài)，邊坡出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)邊坡出現(xiàn)的裂縫布置情況，以邊坡后緣拉裂縫位置為界進(jìn)行削坡減載[8]，立即組織開(kāi)展南幫邊坡上部削坡減載12.2 萬(wàn)m3，減輕邊坡上部巖體自重，采場(chǎng)南幫上部邊坡監(jiān)測(cè)位移量逐漸變小，提高了邊坡的穩(wěn)定性。截至10 月底南幫邊坡上部累計(jì)削坡減載111 萬(wàn)m3。由于南幫下部已具備內(nèi)排條件，把削坡減載與內(nèi)排壓腳相結(jié)合的治理方法，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詢?nèi)排壓腳為主。

3）內(nèi)排壓腳。采場(chǎng)南幫邊坡與工業(yè)廣場(chǎng)坑內(nèi)排水處理站距離約240 m、破碎站輸煤皮帶走廊距離約240 m、加油站距離約300 m，若單一采用削坡減載提高邊坡穩(wěn)定性，削坡施工占用工業(yè)廣場(chǎng)面積，將導(dǎo)致工業(yè)廣場(chǎng)的使用面積減小，削坡后形成新的邊坡距離地面永久建筑物較近，將會(huì)威脅工業(yè)廣場(chǎng)部分永久建筑物的安全，且削坡工程量大，投資成本高。7 月在采場(chǎng)南幫邊坡上部削幫減載的同時(shí)，邊坡下部進(jìn)行內(nèi)排壓腳21.5 萬(wàn)m3[9]，增強(qiáng)邊坡下部抗滑力，南幫下部邊坡監(jiān)測(cè)位移量逐漸變小，提高了邊坡的穩(wěn)定性。截至2022 年4 月南幫邊坡740 m 水平以上削坡減載累計(jì)111 萬(wàn)m3；邊坡下部710 m 水平～650 m 水平內(nèi)排壓腳累計(jì)131 萬(wàn)m3；南幫邊坡治理前邊坡角33°，治理后邊坡角19°。根據(jù)南幫邊坡現(xiàn)狀和邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，南幫邊坡基本穩(wěn)定。后期，當(dāng)采剝工程推進(jìn)釋放出內(nèi)排空間時(shí)，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排剝離物壓腳，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。邊坡治理區(qū)域平面位置如圖1，A-A′邊坡治理前后對(duì)照剖面如圖2。

圖1 邊坡治理區(qū)域平面位置圖

圖2 A－A′邊坡治理前后對(duì)照剖面圖

4）監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)采場(chǎng)南幫邊坡的監(jiān)測(cè)，在采場(chǎng)南幫布設(shè)了GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采場(chǎng)西幫布設(shè)了1 臺(tái)邊坡雷達(dá)，主要用于監(jiān)測(cè)采場(chǎng)南幫邊坡。在采場(chǎng)南地表增設(shè)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每小時(shí)進(jìn)行1 次邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析[10]，隨削坡減載與內(nèi)排壓腳工程不斷推進(jìn)，邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位移量逐漸降低，邊坡趨于穩(wěn)定。

5）降低動(dòng)載荷。采場(chǎng)南幫地表運(yùn)輸干線局部區(qū)域出現(xiàn)裂縫，為降低機(jī)械振動(dòng)對(duì)南幫邊坡造成二次破壞，將該路向南移設(shè)約80 m。同時(shí)采用限速的辦法，來(lái)減少車輛及工程設(shè)備動(dòng)荷載對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)的破壞。做好到界邊坡的預(yù)裂爆破工作，以減少爆破沖擊波震動(dòng)對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)的破壞[11]。

6）疏干排水。完善采場(chǎng)南幫防排水系統(tǒng)，在采場(chǎng)南幫地表裂縫外圍修筑攔水壩，對(duì)南幫邊坡出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行封堵處理，防止降雨匯集沿裂縫滲入邊坡，造成坡體的軟化。加強(qiáng)采場(chǎng)內(nèi)地下水的外排工作，降低地下水水位，以減少水對(duì)邊坡軟弱巖層物理力學(xué)性能的影響，降低地下水靜水壓力和動(dòng)水壓力。

7）人工巡視。每日進(jìn)行邊坡巡視，仔細(xì)觀察南幫邊坡整體穩(wěn)定情況及裂縫的變化情況，在出現(xiàn)滑坡、崩塌征兆時(shí)及時(shí)采取防治措施。

4 結(jié)語(yǔ)

在露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中，隨采剝工程不斷推進(jìn)，采場(chǎng)將會(huì)形成陡立高邊坡，長(zhǎng)時(shí)間裸露的邊坡受多種不利因素影響，邊坡巖體在自重力的作用下，應(yīng)力重新分布，使邊坡巖體原結(jié)構(gòu)受到破壞，當(dāng)邊坡巖體結(jié)構(gòu)持續(xù)破壞，將會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，若邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)預(yù)兆時(shí)，必須全面分析影響邊坡失穩(wěn)的因素，分清主次，根據(jù)不同的失穩(wěn)因素選擇合理的治理措施并立即組織實(shí)施治理，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。