石頭梅露天煤礦南幫邊坡失穩因素及治理措施

劉興學，胡淵鑫

（新疆能源（集團）有限責任公司 哈密分公司，新疆 哈密 839000）

露天煤礦在開采過程中，邊坡穩定性受諸多因素的影響，邊坡安全不可忽視。隨采剝工程持續推進，采場逐漸形成陡立的坡面，開挖后的邊坡受地質構造、巖體結構、爆破振動、工程機械動荷載、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，邊坡在重力作用下，應力重新分布可能會出現邊坡變形破壞，導致邊坡失穩，甚至造成滑坡事故[1]。露天煤礦在開采過程中，一定要對邊坡進行全天候監測及人工巡視，當邊坡出現失穩現象時，通過全面分析影響邊坡失穩的因素，分清主次，制定防治措施并立即組織實施。實踐表明，研究露天煤礦邊坡失穩影響因素、采取正確的治理措施并及時組織實施治理，可有效提高邊坡的穩定性。

1 工程概況

礦區地形屬低山丘陵、戈壁荒漠區，第四系礫石及亞砂土所覆蓋較多，地勢呈南高北低，原始地形較為平坦。區內無常年地表水流，氣候干燥，蒸發強于降水。礦床充水主要源于大氣降水、暫時性地表洪流的入滲補給以及層間補給。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。露天開采區地形有利于自然排水，地下水補給量極少，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計生產規模5.0 Mt/a。剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車＋半移動破碎站半連續開采工藝[2]，剝采工程采用分層采裝工藝，臺階高度10 m。采裝設備選用斗容8.0 m3，液壓挖掘機，運輸設備選用載重91 t 自卸卡車。采場南幫邊坡為非工作幫，南幫到界幫臺階坡面角65°，臺階高度10 m。南幫到界邊坡采用組合臺階（2 個安全平盤和1 個清掃平盤），安全平盤寬度5 m，清掃平盤寬度30 m，南幫設計邊坡角33°。南幫邊坡屬于典型的巖質邊坡，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 南幫邊坡失穩因素

石頭梅露天煤礦采場南幫邊坡屬于典型的巖質邊坡，影響邊坡穩定性的因素較多，主要包括地質構造、地層結構、巖石力學性質、陡立高邊坡、地下水、降雨、工程振動等。

1）地質構造。采場南幫受白依山斷裂構造活動的影響，基巖層理發育，層面黏結力小，巖體完整性較差。根據采場已揭露地層結構面產狀的測量與分析：南幫東側邊坡有2 組與坡面走向近平行的節理組合成“X”形，與層面組合易使斜坡發生順層破壞；南幫西側結構面也將巖體切割呈大小不一的危巖體，隨著坡體前緣開挖，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）地層結構。采場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。南幫邊坡開挖過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、坡體內應力狀態發生了調整，致使東側發生順層的平面滑動和楔形滑動，西側邊坡發生傾倒式變形破壞[3]。

3）巖石力學性質。邊坡巖體主要由砂泥巖、泥巖、砂巖、砂礫巖和煤組成，總體膠結能力差，強度較低，遇水易崩解軟化，巖體軟硬相間。開挖后，邊坡巖體在自重力作用下，臨空面易出現變形破壞，邊坡巖體會沿軟弱結構面緩慢而持續的變形，當坡體中的剪應力低于其抗剪強度時，坡體呈蠕動狀態[4]；當應力值接近或超過巖體長期抗剪強度時，坡體表現為加速蠕動，直至破壞。

4）陡立高邊坡。煤礦在開采過程中，采剝工程持續推進，邊坡高度逐漸增加，采場南幫形成了陡立高邊坡，邊坡巖體裸露風化降低了巖體的工程力學性質，使邊坡巖體原有的應力平衡改變，邊坡巖體在重力作用下應力場重新分布，使邊坡出現變形破壞，導致邊坡失穩[5]。

5）工程振動。煤礦在生產作業中使用的重型礦卡、大型機械和爆破作業都會產生振動，振動使邊坡巖體出現顛簸和搖晃，破壞了邊坡巖體原結構的完整性，降低了邊坡的穩定性。

6）地下水。該區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，長時間積聚的地下水會讓邊坡巖體軟化，不利于邊坡的穩定性。

7）降雨。開挖后的邊坡，使邊坡巖體自然平衡狀態受到破壞，邊坡出現發育裂縫，降雨沿裂縫流入邊坡巖體，水進入邊坡巖體內易沿巖層軟弱結構面快速下滲，造成邊坡巖體的軟化[6]，進而影響邊坡的穩定性。

3 南幫邊坡治理措施

2021年6 月采場南幫地表高程825 m，采場深部高程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，呈發展狀態，邊坡西側有傾倒式變形體。南幫地表運輸干線局部區域出現裂縫。經研究，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，結合采場南幫邊坡的實際情況，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，采場南幫形成陡立高邊坡，邊坡受巖性、地質構造、巖體結構、巖體硬度、工程振動、地下水、降雨等因素的影響，經分析，降低邊坡角是提高邊坡穩定性的關鍵因素。通過采用削坡減載與內排壓腳相結合的方法降低邊坡角，可快速提高采場南幫邊坡的穩定性[7]。

2）削坡減載。采剝工程持續推進，7 月南幫邊坡下部高程687 m，南幫邊坡監測位移量出現增大現象，同時采煤工作面出現了凸起裂縫。經分析，南幫邊坡下部巖體對邊坡上部巖體的支撐力接近臨界狀態，邊坡出現了失穩現象。根據邊坡出現的裂縫布置情況，以邊坡后緣拉裂縫位置為界進行削坡減載[8]，立即組織開展南幫邊坡上部削坡減載12.2 萬m3，減輕邊坡上部巖體自重，采場南幫上部邊坡監測位移量逐漸變小，提高了邊坡的穩定性。截至10 月底南幫邊坡上部累計削坡減載111 萬m3。由于南幫下部已具備內排條件，把削坡減載與內排壓腳相結合的治理方法，轉變為以內排壓腳為主。

3）內排壓腳。采場南幫邊坡與工業廣場坑內排水處理站距離約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定性，削坡施工占用工業廣場面積，將導致工業廣場的使用面積減小，削坡后形成新的邊坡距離地面永久建筑物較近，將會威脅工業廣場部分永久建筑物的安全，且削坡工程量大，投資成本高。7 月在采場南幫邊坡上部削幫減載的同時，邊坡下部進行內排壓腳21.5 萬m3[9]，增強邊坡下部抗滑力，南幫下部邊坡監測位移量逐漸變小，提高了邊坡的穩定性。截至2022 年4 月南幫邊坡740 m 水平以上削坡減載累計111 萬m3；邊坡下部710 m 水平～650 m 水平內排壓腳累計131 萬m3；南幫邊坡治理前邊坡角33°，治理后邊坡角19°。根據南幫邊坡現狀和邊坡監測數據分析，南幫邊坡基本穩定。后期，當采剝工程推進釋放出內排空間時，及時進行內排剝離物壓腳，增強邊坡穩定性。邊坡治理區域平面位置如圖1，A-A′邊坡治理前后對照剖面如圖2。

圖1 邊坡治理區域平面位置圖

圖2 A－A′邊坡治理前后對照剖面圖

4）監測。加強采場南幫邊坡的監測，在采場南幫布設了GNSS 監測點。采場西幫布設了1 臺邊坡雷達，主要用于監測采場南幫邊坡。在采場南地表增設深部位移監測點。每小時進行1 次邊坡監測數據分析[10]，隨削坡減載與內排壓腳工程不斷推進，邊坡監測數據的位移量逐漸降低，邊坡趨于穩定。

5）降低動載荷。采場南幫地表運輸干線局部區域出現裂縫，為降低機械振動對南幫邊坡造成二次破壞，將該路向南移設約80 m。同時采用限速的辦法，來減少車輛及工程設備動荷載對邊坡巖體結構的破壞。做好到界邊坡的預裂爆破工作，以減少爆破沖擊波震動對邊坡巖體結構的破壞[11]。

6）疏干排水。完善采場南幫防排水系統，在采場南幫地表裂縫外圍修筑攔水壩，對南幫邊坡出現的裂縫進行封堵處理，防止降雨匯集沿裂縫滲入邊坡，造成坡體的軟化。加強采場內地下水的外排工作，降低地下水水位，以減少水對邊坡軟弱巖層物理力學性能的影響，降低地下水靜水壓力和動水壓力。

7）人工巡視。每日進行邊坡巡視，仔細觀察南幫邊坡整體穩定情況及裂縫的變化情況，在出現滑坡、崩塌征兆時及時采取防治措施。

4 結語

在露天煤礦開采過程中，隨采剝工程不斷推進，采場將會形成陡立高邊坡，長時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，應力重新分布，使邊坡巖體原結構受到破壞，當邊坡巖體結構持續破壞，將會導致邊坡失穩，若邊坡出現失穩預兆時，必須全面分析影響邊坡失穩的因素，分清主次，根據不同的失穩因素選擇合理的治理措施并立即組織實施治理，可有效提高邊坡的穩定性。