伊敏露天矿内排土场边坡灾变机理研究

刘建国，王兴涛，司国斌

（华能伊敏煤电有限责任公司 伊敏露天矿，内蒙古 呼伦贝尔021134）

露天矿滑坡为露天开采的主要灾害之一，同时也是重大危险源。露天开采过程中边坡角度与资源回采率正相关，但边坡角度却与安全性反相关，也就是边坡角度越大，资源回采率越高，但相应的安全性越低。如何在保证安全性的基础上提高资源回采率，是露天开采的研究重点。对露天矿滑坡机理的研究能够分析出不同地质构造的边坡的滑坡模式，从而确定出最合理的边坡角度和相应的边坡检测机制以及相应的防滑坡措施[1-3]。2020 年4 月30 日宝日希勒露天矿对滑坡的成功预测就是在充分研究边坡灾变机理与滑坡模式的基础上实现的，提前1.5 h成功预测滑坡时间和区域，是排土场在变研究的典型成功案例。因此，伊敏露天矿及时开展了灾变机理研究工作。

边坡灾变机理的研究首先需要对边坡的稳定性进行分析计算，目前边坡稳定性分析方法大致有4种，分别为极限平衡法、工程地质分析法、数值分析法和现代数学分析法[4]。其中极限平衡法是目前为止最常用且较为简便的边坡稳定性计算方法，极限平衡法可以计算很多不规则滑面方法，其中最普遍的条分极限平衡法可以将边坡划分成条带然后确定出不同形状的圆弧滑面[5-8]。现如今随着计算机技术的发展，基于有限元、颗粒流等各种数值分析法都可以通过现代计算机技术的迅猛发展得以实现，这些现代计算方法可以模拟出岩体内部的物理力学性质，可以更精确的计算出边坡的稳定系数。1995 年黄润秋、许强[9]将FLAC3D软件应用于边坡的模拟计算，以某水电工程的边坡为例，分析了边坡的稳定性并进行模拟加固；张利洁[10]等学者运用有限差分法对某水电站边坡进行了三维弹塑性数值模拟，计算了极限承载力，分析了边坡的稳定性。工程地质分析法是通过对实际生产现场的勘探并结合相关地质资料，确定露天矿的工程地质条件以及当地水温、气候对边坡的影响，然后分析出影响边坡稳定性的主要因素。

1 伊敏露天矿地质条件

伊敏露天矿地貌为平缓的草原，并且周围有季节性河流。含水层有煤系孔隙裂隙含水层和第四系冲积孔隙含水层，含水量大。第四系的亚黏土和黏土隔水层呈不连续分布，而且隔水性较差，但在小范围内是比较好的隔水层。地表出露为砂土，下伏岩土体类型为软质岩类。伊敏露天矿主采15 煤和16煤，煤层埋藏较浅，厚度较大，赋存较为稳定，适合采用露天开采方式进行资源开采。伊敏露天矿在开采过程中形成多个煤岩混合边坡，而且在不同地层之间存在富水弱层。随着每年雨季的大量降水，地表水不断排入，导致岩石的物理力学性质下降，边坡强度降低，弱层演化复杂，容易存在滑坡隐患。煤层东高西低，倾角局部较大，内排土场基底倾斜，而且底板易出水。

2 内排土场地下水渗流模拟

2.1 现状内排地下水渗流模拟

伊敏露天矿NP-1605 SEEP/W 分析模型如图1。将排土场岩性分为上部排弃物料和下部未动地层。对排弃物料采用非饱和流分析方法，对未动地层采用饱和流分析方法。先将渗流分析模型的基底标高设为500 m。根据现场钻孔和踏勘，确定了两侧边界水头的标高。确定标高左侧135 m，右侧65 m，根据勘察结果将现场的实际出水点位置设为模型中的可能出水位置。典型剖面地下水总水头计算结果如图2,典型剖面地下水压力计算结果图3。

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

由于隔水性较差，所以第三系砂砾岩层和16 煤地下水渗流主要发生位置。根据分析可知，16 煤内部分布有静水压力为0 的水位线。地下水渗流对边坡和各个排土平盘的的影响均可忽略不计。东帮+620 m 水平以上的排土平盘距离0 水位线距离较大，所以地下水对内排基底的影响不是很大。

图2 典型剖面地下水总水头计算结果Fig.2 Calculation result of total head of groundwater in typical section

图3 典型剖面地下水压力计算结果Fig.3 Calculation result of groundwater pressure in typical section

虽然东帮内排土场边坡较为稳定，但随着6—9月季节性降水的到来，应重点在雨季加强整个内排土场下部的抽水工作。当地表水的补给速度大于岩土体中水的渗流排泄速度时，将会导致岩石的抗剪强度降低，使岩石承载力下降，造成边坡稳定性下降，导致安全隐患。特别是东帮基底为顺倾，当底板水过多时，容易形成滑面。为了保证内排土场边坡的稳定性，应根据现场实际情况设立边坡监测点加强边坡检测。

2.2 设计内排地下水渗流模拟

基于典型地质剖面建立的伊敏露天矿典型剖面SEEP/W 分析模型。将排土场岩性分为上部排弃物料和下部未动地层。对排弃物料采用非饱和流分析方法，对未动地层采用饱和流分析方法。按照与现状地下水相同的研究方法，将右侧边界水头标高分别设定为150 m 和135 m，左侧边界水头标高设定为出水点位置实际标高45 m，将现场的实际出水点位置设为模型中的可能出水位置。

模拟工况分为3 种：①考虑现状内排土场地下水条件：东帮水位标高为＋635 m（现状地下水位）＋坡脚水位标高545 m；②考虑东帮地下水位恢复到原始标高：东帮水位标高为＋650 m（原始地下水位）＋坡脚水位标高545 m；③考虑东帮地下水侧向补给给排弃物料：排弃物料内部渗流。

根据分析结果，在东帮内排场下部，地下水位现状标高635 m 和原始地下水位标高650 m 2 种情况的地下水总水头和地下水的流动方式都发生了很大的变化。当东帮内排土场的地下水水位达到原始水位时，排土场坡脚处岩土体内部应力明显减弱。这种情况将导致岩土体内部软化，承载力下降，进而导致边坡稳定性下降。通过模型分析模拟内排土场下部的地下水的流动轨迹，地下水仍在16 煤底板下部，没有浸入到排土场物料中。导致这种情况的可能因素大致为：①内排初期下部排弃物料多为泥岩，而泥岩具有较好的隔水性，且垂向和侧向渗透系数较小；②16 煤渗透系数较大，有利于地下水的下渗。总体来看就是上部物料不易渗水，而下部岩层易于渗水，所以水沿易于渗出的方向形成水路。根据模型的分析计算，现有内排边坡稳定性良好，按照现有疏干排水方式，保证16 煤底板的地下水水位在16煤底板1 m 之下即可。因此，根据模拟结果，建议保持采场底部现有疏干效果，标准是保证16 煤底部水位标高不超过16 煤底板标高1 m，既能保证东帮地下水不会大量入渗到排弃物料内部。

3 内排边坡防治措施

1）加强边坡稳定性研究工作。通过工程勘查等手段，以及日常监测数据统计分析，完善边坡灾变机理研究基础数据，逐渐形成适用于生产实际的灾变机理预警机制，逐渐从数字化向智能化前进。

2）完善地下水防治措施。根据上述边坡渗水来源分析，对第四系水层采取抽水疏干方法，降低地下水位。对第三系水层采取超前疏干等排水方法，集中抽排。同时，在现有疏干系统、超降系统基础上，逐步完善明沟暗道、水平疏干，多措施、多渠道使地下水位有效降深，保证排土场基地的安全稳定。

3）优化地表水坝等减少采场汇水面积。充分利用采场挡水坝、排土场反坡挡墙等减少采场汇水面积，将地表水堵截在采场外。与此同时，利用采场低洼处的集水汇水作用，修建加水站既分级排水泵站，降低煤层底板抽排压力。

4 结 语

通过分析伊敏露天矿的地质条件，确定了内排土场地下水的渗流方式。并基于典型地质剖面建立SEEP/W 渗流分析模型对内排土场地下水渗流进行模拟。分别对现状内排和设计内排进行模拟，得到现状内排较为稳定，但雨季仍有滑坡风险的结论。并提出了相应的内排边坡防治措施。