控制开采与梯级截排技术在伊敏露天矿边坡治理中的应用

魏金发，刘 亮，于大鹏

（1.华能伊敏煤电有限责任公司 露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021134；2.华能呼伦贝尔能源开发有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

控制开采与梯级截排技术在伊敏露天矿边坡治理中的应用

魏金发1，刘 亮2，于大鹏1

（1.华能伊敏煤电有限责任公司 露天矿，内蒙古 呼伦贝尔 021134；2.华能呼伦贝尔能源开发有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021008）

伊敏露天矿通过采取科学的治理措施，控制开采、内排压脚、小井帷幕、梯级截排、底板涌水治理、边坡位移自动监测等关键技术与科学研究相结合的方式，提高边坡管理与防治质量，为伊敏露天矿边坡安全提供保障，为高寒软岩区矿山边坡治理提供了宝贵经验。

控制开采；软岩边坡；梯级截排

1 伊敏露天矿概况

伊敏露天矿地处呼伦贝尔大草原鄂温克族自治区境内，是国家20世纪70年代中期开始规划于1976年开发建设的全国五大露天煤矿之一，也是全国首家煤电一体化企业。伊敏露天矿采区面积共计42.35 km2，煤炭储量20.98亿t，1983年拉沟建设，经过一、二、三期扩建，核定生产能力达到2 200万t/ a，2016年根据煤炭行业去产能相关要求，重新确定生产能力为1 848万t/a。

伊敏露天矿从年产100万t的小露天矿发展为1 848万t的大露天，露天采场占地面积7.5 km2，目前采深达到125 m，内排土场高差150 m，随着采掘推进高差将达到200 m，在国内是最大的软岩露天矿，边坡管理难度很大。30多年来，伊敏露天矿主要经历了南帮、东端帮以及内排土场边坡变形情况，通过几代露天人科学的治理措施与研究，确保边坡处于可控状态，未发生灾害性滑坡事件。

2 伊敏露天矿影响边坡稳定因素

2.1 地层岩性

伊敏露天矿地层从上至下边坡岩性为第四系松散沉积层、亚黏土、砂质黏土、中细砂、粉砂、粉细砂、泥岩和第三系砂砾岩、含煤地层、砂质泥岩、砂砾岩层。在端帮渗水的作用下泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩都具有塑性和蠕变特性，同时端帮渗水携带泥沙，从而产生边坡的剪出、塑性变形、蠕滑、垮塌等边坡不稳定现象[1-2]。

2.2 边坡渗水

南帮存在南露天渗水和第三第四系泥岩互层及含水砂岩；东端帮二、三台阶四系层渗水和泥岩弱面；西端帮局部存在残余水；16#煤层东部底板涌水，西部底板残余水；岩石中的蒙脱石、高岭石等吸水矿物软化作用增强，降低了岩石内摩擦角等各种力学参数和地层的稳定性。

2.3 构造

伊敏露天南帮位于F43断层带及断层下盘位置；东端帮位于煤层露头区，煤炭严重风化且与新近系、第四系成不整合接触；西端帮位于F8断层附近，受断层影响，西端帮局部伴有褶曲、断裂等小构造，15#煤层顶板存在大量剪切面和软弱夹层。剪切面和软弱夹层在一定的条件下，容易诱发产生边坡滑动。

2.4 采矿活动

露天开采，各端帮形成临空面，失去支撑作用，在重力、水动力和生产扰动的作用下向采场内滑移。伊敏露天矿边坡稳定性受地层、构造等内在因素影响，同时也受端帮渗水、采矿活动等外在因素影响，是典型的软岩边坡，在各因素的影响下，边坡存在一定隐患，具有变形风险，需加强技术管理与研究。

3 边坡管理与治理关键技术应用

伊敏露天矿自建矿以来，先后经历了南帮W16-E32线边坡变形、东端帮边坡失稳以及内排土顺倾排土等技术性难题，面对这些问题，伊敏露天矿依靠自身力量，以科研相结合的方式，不断探索边坡治理经验，实现了软岩边坡的成功控制。

3.1 建立健全边坡防治体系

伊敏露天矿高度重视边坡灾害防治工作，建立了《伊敏露天矿边坡灾害应急预案》，建立自动化边坡监测系统预警机制，在发生边坡灾害前，采取有效的预控措施，将边坡变形控制在可控范围内，确保边坡稳定，在发生边坡灾害时，能及时的采取有效的救援措施，减少灾害造成的人员伤亡及财产损失。编制并落实《伊敏露天矿边坡管理办法》，健全边坡管理机构，配备专业技术人员进行日常管理、位移监测、数据分析、现场巡视检查、重大危险源隐患排查等，实现矿山边坡管理的科学化、制度化和规范化。

目前，伊敏露天矿地表位移监测点36个，其中西端帮布设地表位移监测线3条，地应力监测线4条，14个地表位移监测点，9个地应力监测点；东端帮布设4条线，13个位移监测点；内排土场布设3条线，9个位移监测点，地表位移监测点与地应力监测相结合，形成伊敏露天矿边坡监测网。

3.2 控制开采及内排压脚技术，实现南帮资源回收

3.2.1 南帮边坡变形区概述

2001年7月，伊敏露天矿南帮W16-E32线之间F43（9）断层下盘局部开始发生滑动变形，变形区的底部平盘发生鼓胀裂缝，变形区顶部出现多处拉张裂缝，并有向贯通、闭合的趋势发展，经过现场踏勘、监测、确定边坡为“坐落-滑移式并由拖拉牵引式破坏特征”滑移类型，滑动区长2 600 m、宽680 m，面积180万m2，滑动体积约9 000万m3，滑动坡角8°～10°，滑体两侧地下水位高差75 m，一旦出现滑坡灾害，将产生上亿立方米的滑体剥离量，南露天区地下水通过滑坡区淹没采坑，对人身、设备造成伤害，引发严重安全事故。

2007年，南帮边坡变形区平均位移为2.67 cm/d最大位移达到4.2 cm/d。变形区的存在影响1 940万t煤炭资源量无法开采，内排土场无法正常发展，剥采比由1.8 m3/t上升至2.45 m3/t。

3.2.2 南帮变形区治理措施

1）建立边坡安全监测系统。伊敏露天矿设专人定期对变形监测点进行监测，用GPS边坡监测系统，上传监测数据，用数据处理软件计算、分析处理数据，绘制监测点平面布置图、监测点位移矢量图、绘制监测点垂直和水平位移的历时曲线，监测点位移成果表等，结合工程地质条件综合分析，绘制变形曲线，划分匀速滑移区、加速滑动区和灾害滑动区，为制定边坡治理方案提供基础。根据监测点的位移速度、矢量方向判断变形区的变形所处的发展阶段，并对滑坡做出预报，避免重大人身事故和重大财产事故发生。

2）工程地质调查。结合地质资料，现场测绘、踏勘，确定滑坡区的岩性、地层、断层产状、断层两侧地下水位、滑坡区的滑动特征。并在O、E40生产剖面线上布置工程地质调查孔，以查清滑坡区的岩性特征（物理、力学性质）、滑面位置（软弱层）、地下水位、监测滑动层位的滑动方向和微观位移量等。

3）建立数学地质模型[3-4]。根据钻探资料，与科研单位一起建立滑坡区边坡变形破坏机理的数学模型，确定边坡的滑动模式，结合露天矿开采的实际情况对南帮边坡稳定性进行重新核定计算。如图1所示。

4）控制开采与内排压脚。根据工程地质研究，结合伊敏露天矿实际，确定南帮变形区内煤炭开采方法。对煤层顶部距F43断层水平距离60 m、煤层底部坡脚距断层水平距离115 m以内的煤层，通过30 m宽度反复拉沟方式开采，采煤后内排立即跟进形成内排压脚，即小幅横采、内排压脚的控制开采方式（如图2所示），将变形速度控制在3 cm/d以内。

图1 开采位置塑性区分布

图2 小幅横采，内排压脚

5）及时封堵地表裂隙，防止大气降水渗入裂隙。到2008年6月伊敏露天矿已完全实现内排，安全度过了总位移量17.5 m的特大型南帮变形区，并抢救性开采南帮变形区内煤量约1 130万t，不但创造了巨大的经济效益，还为软岩露天矿的边坡治理提供了成功的实例。

3.3 卸载削坡以及梯级截排控制东帮边坡变形

3.3.1 东帮边坡变形区概述

2011年末，东端帮剥离一、二台阶出现缓慢变形；2012年4月以后，边坡变形有明显的加速趋势；2012年10月，东端帮变形区滑动程度进一步加剧，三号公路一周内沉降40 cm，2#破碎站、半连续胶带出现严重侧向变形[5]。

通过现场踏勘和对监测数据进行分析，确定变形区位于东端帮13勘探线—16勘探线之间，后缘环状拉裂缝走向为北偏西，长度1 800 m，最大宽度达到60 cm，最大落差达到140 cm，变形区内最大裂隙贯穿三号公路、剥离二台阶，最南端至剥离三台阶半连续端帮胶带平盘，变形区底台阶出现底鼓及鼓张裂隙（如图3、图4所示），滑体上出现羽状裂隙，已经形成了完整的变形滑坡体，滑坡体面积为26万m3，体积约420万m3。

出现滑坡体后，立即将西端帮地表位移监测点移至东端帮，加密监测点，形成4条监测线，18个监测点，结合地下位移监测点监测滑移速度与滑移方向，为治理措施的制定和实施提供依据。根据观测，滑坡体平均位移量为4.46 cm，移动方向为北西29°～41°（垂直边坡方向），最大位移点平面滑动距离达到7.35 cm，滑动面边坡角8°，已进入滑落阶段。

图3 东端帮泥岩剪出面

图4 东端帮台阶底鼓

如东端帮变形区进一步扩大，将对东端帮变形区范围内的供电线路、运输道路、建筑以及变形区下部的端帮胶带、破碎站、辅助设施、设备等构成威胁，影响生产安全。伊敏露天矿根据分析研究，立即采取了边坡卸载、半连续胶带变更移设方式和底板压脚等治理措施进行综合治理。

3.3.2 东端帮边坡变形原因分析

1）边坡岩性因素。松散的新生界地层，砂砾石、粉砂、粉细沙层、煤系软岩地层等组成，且为第四系含水层。煤系地层中的泥岩成岩程度低，受上部水层长期浸泡、渗入使泥岩具塑性和蠕变特性。

2）采矿活动因素。采矿活动改变原有稳定平衡地层结构，泥岩、沙在水动力作用下，加速向临空向移动（如图5所示），一旦达到临界状态，边坡将产生剪出、塑性变形、蠕滑等边坡不稳定现象。

3.3.3 卸载削坡以及内排压脚措施

图5 东端帮松散岩组受渗水影响垮塌

为降低滑坡体压力，2012年11月7日—2013年1月20日，对滑坡体一、二台阶进行集中卸载，形成长550 m、宽55 m、高12 m的卸载区，累计卸载量达42万m3，在卸载削坡的同时，滑坡体下部实施排土压脚。

为加大内排压脚量，同时较少渗水对滑坡体下部半连续运煤胶带的影响，将输煤胶带向内偏移8°，避开最下部台阶的剪出位置，在二破胶带与半连续胶带间留出压脚空间后立即增加内排压脚排土量，增加抗滑力。

通过上述卸载削坡和压脚，东端帮边坡变形区位移逐步回落到2 cm以下。

3.3.4 东端帮边坡变形区渗水梯级截排技术措施[6-7]

伊敏伊敏露天矿东端帮渗水主要来源为新近系、第四系水通过东端帮煤层露头区、古河道剥蚀区的不整合面，侧向补给露天采区，对边坡稳定及安全生产带来影响。

通过采取临时措施治理后，东端帮边坡失稳暂时得到控制，但受水力因素影响，东端帮边坡仍存在风险。为有效控制东端帮渗水，实现边坡变形区的彻底治理，采取了梯级截排措施。

1）第1梯级。在东端帮布设小井帷幕进行渗水拦截，即在东端帮地表采界外布置169口四系层降水孔，拦截四系层水侧向补给。

2012—2014年，陆续在东帮施工169口四系层降水孔形成小井帷幕，充分拦截四系层侧向补给，在局部来水量较大区域布设第2排疏干降水孔，实现“品”字形双排孔截排，使其拦截效果更加突出。经过3 a的降水孔陆续投入，东端帮出水点由原来的15 m降深至39 m，降深24 m，水量由最大的1 000 m3/ h降至340 m3/h，端帮渗水量的减少及水位线的下降，都为边坡稳定创造条件。东端帮小井帷幕抽排水直接作为电厂循环冷却水使用，全年排量约1 140万 m3，节约水费约3 400万元。

2）第2梯级。伊敏露天矿在东端帮二、三台阶布设东端帮明排系统（如图6、图7所示）。根据各台阶涌水点与采掘位置关系，开挖顺水沟，把各台阶涌水引至超降坑，抽排至污水处理厂处理。

图6 东端帮顺水沟

图7 东端帮集水坑

3）第3梯级。虽然三、四台阶设置集水坑和引水渠，仍然有部分水经过沙层向坑内渗出，因此在三、四台阶局部设置集水坑和引水渠向上台阶集水坑倒水作业。目前东端帮通过地面、二、三、四台阶梯级降水措施的实施，已形成了完整的工作面排水系统，能够使采掘及时跟进，剥离物采出后再开挖顺水沟进行置换抽排，循环往复，直至排出。

4）第4梯级。伊敏露天矿16#煤层底板东部由于底板局部缺失粉细砂岩、泥岩隔水层，中砂岩承压含水层直接与煤层接触，底板揭露后，承压水从中砂岩层涌出，涌水量约200 m3/h。同时16#煤层底板西侧存在底板残余水，东部存在部分端帮渗水，因此第4梯级涌水量在700 m3/h。

半连续系统不能开采至煤层底板，只能通过反铲作业清理底板煤，开挖顺水沟把东端帮渗水和16#煤层底板涌水、16#底板残余水引流至12#超降井，通过西端帮3条明排水管路将水集中抽排至污水处理厂。底板煤清理完毕后，对该区域涌水点进行泥岩分层碾压，封堵出水点并形成隔水层，为内排土场跟进提供空间，缩短排土运距；封堵底板涌水，降低涌水对排土场基底的浸润作用，提高内排土场的边坡稳定性。

通过梯级截排，减少端帮渗水，底板涌水和底板残余水，确保边坡稳定；同时降低了渗水对生产的影响，使东端帮渗水区采掘作业能够正常推进和演化。16#煤层底板煤炭能够最大限度进行回收；端帮渗水的再利用，还将降低环保风险，减少电厂用水运营成本。

3.4 内排土场顺倾排土边坡治理模式探索

伊敏露天矿煤层倾角3°～8°，整体呈“东高西低”，东部可达6°～8°，目前内排土场台阶9个，排土段高为15～20 m，排土场顶底高差150 m，内排土场、东帮内排土场边坡角度为10°，小于设计18°边坡角。

由于采区正在进行扇形转向，排土工作也呈扇形布置，工作线方向垂直于煤层倾向方向。由于排土位置集中在东部，因东部端帮渗水、底板隔水层缺失，随着采矿延深，内排土场整体高度将达到200 m以上，内排土场存在失稳风险。

3.4.1 加强观测，提前预警

伊敏露天矿采用数据监测与人工踏勘相结合的方法对内排土场、东端帮内排土进行实时监测。目前内排土场共布设有21个监测点，形成了7条观测线，利用边坡监测自动预警系统，形成了完整的监测网。并对边坡各台阶裂隙进行封堵、回填，地表设置拦截水坝，防止地表径流回灌采场。

3.4.2 置换压埋，提高底板基底稳定

通过对16#煤层底板、内排土场底板的渗水量的控制，对底板涌水区利用泥岩进行分层回填，每层10 m，分3层进行碾压，通过设置人工隔水层，提高了内排土场基底强度的方法治理16#煤层软弱底板。内排土场下部台阶通过调整排土平盘参数，加大平盘宽度，降低排弃强度，降低边坡角，提高边坡稳定性。

3.4.3 优化输煤系统布置，实现排土压脚

2014年以前，因东端帮布设有输煤胶带系统，排土场“留沟内排”，该区域为煤层露头区，位于端帮渗水区，底板倾角达9°，因东端帮渗水以及内排场东部凌空，帮内排土场边坡失稳风险骤增[8]。

通过输煤系统优化布置，2014—2015年将东端帮胶带系统移设至地表，排土空间释放后，立即组织向该区域排土，实现内排土场快速跟进，为防止渗水以及顺倾导致边坡失稳，在物料选择上严格控制，采用隔水性较好的泥岩，形成端帮隔水墙。2015年末，已基本完成该区域排土跟进，总排土量1 100万m3。东端帮内排土场与内排土场相互支撑，互为压脚，增加内排土场边坡稳定性。

3.4.4 积极开展边坡稳定性研究

2016年东南侧内排土场整体发展到底板出水与东帮渗水集中区域，煤层底板顺倾、底板隔水层缺失以及内排土场边坡高度增加，伊敏露天矿内排土场排土条件愈加复杂，除已经采取的措施外，现正与煤炭科学技术研究院有限公司合作共同对排土场边坡进行研究，通过工程地质钻探、岩土力学试验、矿物成分分析等措施进行边坡稳定性研究：排土场排弃物及基底工程地质条件研究；地下水对内排土场基底影响研究；排弃物料渗透性研究；重新确定边坡参数、排土参数优化以及边坡变形失稳防止措施研究等，为下一步排土场的发展提供理论依据。

4 结 语

伊敏露天矿实现典型的高寒地区软岩露天矿，在治理边坡灾害的过程中，逐渐形成了系统的边坡监测与防治体系，使边坡变形在可控范围内。通过控制开采与内排压脚、小井帷幕、梯级截排、底板涌水治理、边坡位移自动监测等关键技术，提高了边坡管理与防治质量，为伊敏露天矿边坡安全提供保障，为高寒软岩区矿山边坡治理提供了宝贵经验。

［1］罗聪，袁伟民，胡盛明，等.坡底软弱夹层对岩质边坡稳定性的影响［J］.西北大学学报（自然科学版），2010，40（S1）：127－131.

［2］宋子岭，杨添，赵立春.含多层软弱夹层的顺向岩质边坡稳定性评价方法对比分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2016（2）：20-25.

［3］谢承平．软岩边坡主要影响因素及稳定性分析研究［D］．成都：西南交通大学，2009．

［4］才庆祥，舒继森.伊敏煤电公司露天矿东端帮边坡稳定性研究［R］.徐州：中国矿业大学，2011.

［5］冯建宏，朱建新，王来贵，等.伊敏露天矿东端帮渗水及变形灾害评估与治理研究［R］．阜新：辽宁工程技术大学，2012.

［6］魏金发，宋成顺，李希耀.伊敏露天矿采区防治水分析［J］.露天采矿技术，2015（9）：35-37.

［7］李继，李伟，于大鹏.多水力单元渗水台阶综合开采技术［J］.露天采矿技术，2014（1）：19-21.

［8］于大鹏，潘博.伊敏露天矿东端帮变形区成因及治理［J］.露天采矿技术，2013（10）：22-24.

【责任编辑：张 夙】

App lication of controlm ining and cascade cutting technology in Yim in Open-pit M ine slope governance

WEI Jinfa1,LIU Liang2,YU Dapeng1
(1.Huaneng Yimin Coal and Electricity Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021134,China;
2.Huaneng Hulunbei'er Energy Development Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021008,China)

By taking scientific measures,control mining,inner dumping pressure foot,slim curtain,cascade cutting,floor water gushing,slope displacement key technology,combining with scientific research,the mine improves the slope management and control quality,which provides protection for the slope safety in Yimin Open-pit Mine and provides valuable experience for soft rock slope control in mine.

controlmining;soft rock slope;cascade cutting

TD824.7

B

1671－9816（2017）09－0025－06

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.09.007

魏金发，刘亮，于大鹏.控制开采与梯级截排技术在伊敏露天矿边坡治理中的应用［J］.露天采矿技术，2017，32（9）：25-30.

2017-05-13

魏金发（1982—），男，汉族，辽宁凌源人，2007年毕业于辽宁工程技术大学地质工程专业，现就职华能伊敏煤电有限责任公司露天矿，主要从事煤田地质、水文地质、工程地质、环境地质以及矿山边坡等工作。