神宝矿区露天煤矿采场边坡失稳原因及治理措施研究

杨 永 健

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

1 工程概况

神华宝日希勒矿区位于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗(简称“陈旗”)煤田东部，属海拉尔区和陈旗辖区，神华宝日希勒能源有限公司露天煤矿(以下简称“神宝露天矿”)位于矿区西南部，行政隶属陈旗。神宝露天煤矿属于陈旗半地堑型盆地，煤层顶板以粉砂岩、泥岩、中粗砂岩为主，成软作用低，属软岩地层，地层近水平分布。本地区属大陆性亚寒带气候，冬季严寒、夏季较热，最高气温37.7 ℃，最低气温-48 ℃。神宝露天煤矿地表境界南北宽5.86 km，东西长10.98 km，面积50.72 km2，可采储量为1 372.520 3 Mt，设计生产能力为10 Mt/年，设计服务年限为124.8 年，共划分为5个采区按顺序开采，可采煤层有12煤、2煤、3煤。目前正在开采二采区12煤，采深约100 m，采坑工作面长约2.7 km，端帮长约1.8 km，年产煤逾3 000万t[1]。

神宝露天矿煤层上覆地层为第四系地层，地层岩性由下到上分别由棕褐色、带泥裂、致密且有塑性的黏土和砂质黏土以及少量黄色～黄灰色的中砂、细砂、粉砂，以及少量的砾石和砖红色腐殖土等组成。厚度在11.70 m～39.65 m之间，平均25.43 m。含煤地层为弱胶结的白垩系大磨拐河组砂岩、泥岩、砂砾岩。煤层埋深约100 m，煤层厚约23 m，煤层中有2层～5层夹矸，厚度均小于30 cm，近水平分布，根据勘察资料及现场揭露情况，倾角小于5°，一般2°～3°。根据勘察资料，该区域内含水层分为第四系孔隙含水层组和白垩系裂隙—孔隙含水层组，其下伏泥岩构成含水层组的隔水底板。该区属于裂隙充水矿床，水文地质条件复杂程度属中等。根据现场调查，二采区12煤开采深度范围内未见地下水赋存。

神华宝日希勒露天煤矿自投产以来，几乎每年都发生规模不等的滑坡，严重影响煤矿安全生产并给煤矿管理带来困难，增加生产成本。随着神宝露天矿生产规模不断扩大、采深不断增加(超过100 m)，边坡稳定性问题愈加凸显，高大边坡一旦失稳，将造成巨大损失。2013年，正在开采的二采区采场边坡南端帮、西帮相继出现沿煤层中软弱夹层错动现象，错距近50 cm，迫使煤矿放弃了部分坡脚煤壁，造成资源浪费及生产成本上升，扰乱了开采顺序，造成巨大经济损失。据历年数十次滑坡情况，大部分边坡均沿煤层中的软弱夹层滑动，且大部分发生在春季消融期。但近水平的地层，在综合坡角较小(26°)及没有地下水的情况下，为何频频发生滑动，一直困扰着生产企业。神宝公司也多次委托大专院校及科研单位进行过相关研究，但收效甚微。现场调查情况见图1～图5。

2 软弱层

2.1 软弱层判定标准

软弱层是一个相对概念，不同地区、不同岩体中软弱层的性质差异较大。在大量参考国内露天矿边坡滑落影响因素分析和有关软弱层界定、分析研究的基础上，结合本区地层岩性、试验成果(泥岩和炭质泥岩测试)，并参考国内相关资料以及工程岩体分级标准(GB 50218—94)C.01～C.02中的规定，确定软弱层判定标准为：1)结构特征：微观结构是否与黏土接近；2)水理特性：遇水极易软化，完全崩解时间小于6 h；渗透性很弱；3)亲水矿物含量：高岭石大于15%，伊利石大于8%，蒙脱石大于6%；4)物理力学指标：含水率大于10%，黏粒含量大于40%～50%，天然密度小于2 g/cm3；抗剪强度指标：φ<20°，c<60 kPa；5)现场刀刻试验强度为极软，具可塑性；6)钻探提取的岩芯异常破碎或呈泥团状。

软弱层判定时，上述各项指标需综合考虑，完全符合上述条件者为可靠软弱层；抗剪强度指标接近，含水率、孔隙率均达到软弱层指标并且具可塑性，将其定为基本可靠软弱层；无抗剪指标，只有物理指标符合软弱层指标，应根据刀刻试验、岩芯状况确定软弱层等级。

软弱夹层对边坡的稳定性起决定作用，一方面，软弱夹层力学参数很低，另一方面，软弱层形成了良好的聚水条件，两方面相互作用，最终导致边坡失稳[2]。

2.2 神宝露天矿软弱夹层

二采区煤层中黏土矿物经差热分析显示，高岭石含量为6%～12%，伊利石4%～12%，蒙脱石含量4%～14%。从差热分析试验证明，黏土中含有较高亲水性的蒙脱石，伊利石(水云母)。软弱夹层含水率为50%～55%，抗剪强度很低，内摩擦角小于5°。

根据已揭露的地层，二采区全区发育软弱夹层，位于煤层顶板以下10 m～14 m处，厚度2 cm～5 cm，软弱夹层呈褐色、黑褐色，软塑状，根据室内试验，其抗剪强度极低，对照软弱夹层判断标准，可以确认，本层属软弱层。它对于建筑物和边坡稳定不利，在边坡维护中应该充分考虑。从已变形的坡面观察，软弱夹层处均有水流出或有水印，这也验证了软弱夹层的聚水性。

3 冻融作用

季节冻土广泛分布于温寒带、垂直地带等地区，季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%，并且具有明显的纬度性和垂直带性，随纬度和季节冻土广泛分布于温寒带、垂直地带等地区海拔的升高，季节冻土层深度明显增大，可由0.1 m增至3.0 m，甚至更深[3]。我国季节冻土主要分布于长江以北各省区，其面积约占国土面积的53%，并且气候的温室效应使得寒区季节冻土面积正在逐年增大。由于边坡土体经受年复一年的周期性冻融循环作用，极易发生冻融滑塌，成为季节冻土区道路工程中重要病害之一，主要表现为：冬季负温条件下，土中水分结晶，使边坡土体冻结，产生不均匀冻胀，破坏了边坡土体原有结构性；春季融化期，边坡表层冻结土体开始融化，在土体自身重力作用下发生边坡失稳、造成春融滑坡，对边坡工程建设、相关设施正常运营等极为不利。

在我国季节冻土地区冻融滑坡问题十分普遍，且经常在同一时间、同一地区内大规模发生。在2008年—2010年的3年时间里，发生了近5万起因季节冻融作用造成的道路边坡滑坡事件，涉及了90%的季节冻土地区，直接经济损失达十几亿元，并且可以看出季节冻土边坡冻融滑塌工程病害问题有逐年上升的趋势[4]。且由于对季节冻土区边坡冻融滑塌的研究起步相对较晚，系统深入的理论研究和工程防治技术较为匮乏，也使得边坡冻融滑塌问题一直没有得到很好治理。

目前对于常温下非冻融边坡的理论研究、计算方法以及现场工程资料等相对完善，并积累了大量的科研成果，但对于寒区边坡，特别是季节冻土区边坡的研究工作远远少于对非冻融边坡的研究工作[5]。

神宝露天矿位于高纬度季节性冻土区与多年冻土区过渡区，冬季最低温度在-40 ℃以下，冻胀消融作用对边坡影响明显。在关于“冻融作用”的研究上，一方面基于冻胀和融沉对工程影响的考虑,大量的研究都致力于建立冻胀和融沉的预报模型[6,7]。另一方面,人们在一定程度上也认识到了冻融作用作为强风化过程对土的工程性质会产生较大影响[20-23]，冻融对岩土体强度损伤的模型研究也已起步。而根据对神宝露天矿现场调查，冻融对采场边坡的影响一方面体现在软弱夹层中的冻融效应，一方面体现在边坡后缘面中的冻胀效应。

4 边坡变形原因分析

近水平的地层(<5°)的原岩边坡在没有地下潜水的情况下频频发生滑动。但根据现场调查及室内试验，软弱夹层含水率高达55%，边坡错动处多处有水渗出，冬季存在冰冻现象。根据以上情况，边坡变形的主要原因如下：

1)大气降水的影响：采场内虽然没有潜水分布，但软弱夹层黏质含量高，属于良好的隔水层，当大气降水通过表层渗入地层后，在软弱夹层处汇聚，导致软弱夹层含水率升高，强度、有效应力等降低，从而引起边坡失稳，这是边坡失稳的主要原因。2)蒙东地区冬季最低温度达-40 ℃以下，当软弱夹层含水率较高时，冻胀效益致使软弱夹层密度降低，暖季消融时由于密度降低导致强度降低，从而引起边坡失稳。3)春季消融时，由于消融一般自上而下发展，消融层与冻结层界面强度极低，从而给滑坡提供条件。4)当边坡开挖过程中由于应力释放、边坡变形等因素产生的裂缝，大气降水入渗至裂缝中，然后在软弱层处汇聚，导致边坡失稳；冬季由于冻胀作用，裂缝中的水体积膨胀后对边坡有向临空面推动的效应，这种效应逐步累积，最终导致边坡变形失稳。

5 防治措施

露天矿边坡防治目的是在不断调整和优化帮坡角参数的基础上，利用工程支挡措施，确保露天矿采场和排土场的安全，保护矿区地质环境和生态环境，坚持露天煤矿的可持续性发展，保护人民的生命财产安全。

防治措施主要包括技术措施和工程措施。技术措施包括控制合理的边坡角、留置安全煤壁、统筹安排采区、排土场使用合理的安全距离、降低动载荷等。工程措施包括水的综合治理、支挡和灌浆工程、种草植树等。其中支挡和灌浆工程包括：抗滑挡墙工程、抗滑桩支挡工程、锚杆(锚索)工程、双液灌浆工程、上部减重工程、回填压脚工程。

通过简单的经济技术比较，本次适用的方法有削坡减载、内排压脚、留设安全煤壁、预应力锚索、微型抗滑桩等，对各方案费用及效益如表1所示。

表1 各治理方案费用统计表

由表1可知，内排压脚是最为经济的方案，在煤矿开采过程中应优先考虑，但内排压脚的实施需要精细组织，将会提高组织管理成本。微型桩费用为2 880万元，比留煤壁节约1.6亿元，比削坡减载节约4 698万元，比预应力锚索节约962万元。

最终通过经济技术比较，采用了内排压脚的方案，该方案要求在剥采、采排上缩短距离，在生产组织上投入了一定的组织力量及费用，但整体没有出现大规模的施工情况，也保证了边坡的稳定，取得了良好的效果。

6 结语

神宝露天矿为蒙东地区典型的露天矿之一，而蒙东地区是我国露天矿分布最集中的区域之一，产量约占全国的1/3。大部分露天矿企业都遇到边坡综合坡角小，边坡失稳滑塌的问题，各企业也委托大专院校及科研单位进行过多次研究，但一直没有有效的应对方法，很多企业因此失去信心，甚至陷入边坡滑了整理，整理完再滑的处境。近年来露天开采规模不断扩大，边坡问题非常突出。伴随着边坡分析技术及治理技术的成熟以及技术实力雄厚的大专院校及科研单位深入偏远地区，期望此类问题尽快得到解决，为煤矿经济、安全、高效地生产保驾护航。而分析边坡变形失稳的原因是防治滑坡的第一步，也是关键所在。蒙东地区边坡失稳具有自身的特殊性，所以分析此类边坡失稳原因至关重要，只有研究清楚边坡失稳原因，才能有的放矢，进一步研究机理，构建包含时间、环境、物理力学性质等因素的模型，研究边坡稳定性变化规律，寻找适宜有效的治理方式，保证煤矿的安全开采，为行业的发展做出应有的贡献。最终根据边坡失稳原因，通过经济技术比较，制定了防治方案。通过防治方案实施，取得了良好的效果。