抚顺西露天矿综合治理与整合利用阶段性方案

肖 平，冯 萍，王雪峰，张千宇，薛喜坤

（抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113001）

为推动抚顺西露天矿综合治理和整合利用，国家发改委指导中咨公司配合辽宁省和抚顺市，从东北振兴的全局、辽宁振兴和抚顺转型的大局出发，开展抚顺西露天矿综合治理和整合利用方案研究。形成了《抚顺西露天矿综合治理和整合利用总体思路》，提出了采用“回填压脚、覆盖灭火、疏截蓄用”与“生态修复”相结合的多灾并治方式对矿坑进行综合治理。

1 矿区概况

1）自然条件。抚顺西露天矿坑位于浑河河床南面与丘陵山地北面所夹的狭长平原上，地形较缓，地势较低，地面标高在+70～+80 m，总趋势是东北高，西南略低，地形坡度为2‰左右。属北中温带半湿润大陆性季风气候，受西伯利亚及蒙古高原寒冷气流和黄海暖湿气流的影响，夏季炎热多雨，冬季漫长寒冷[1]。全年平均降雨量为808.1 mm，多集中在7、8 月份。煤田北侧的浑河为抚顺市的主要水系干流；东部有海新河；西部有古城子河；南侧千台山坡下为人工河-杨柏河，存在河卵石层，渗透性良好[2]。

2）工程地质条件。矿坑北帮由上至下共有3 个岩层单元，依次为为第四系松散层组合单元、绿色泥岩与褐色页岩互层组合单元和硬岩岩组单元。北帮褶曲构造分为煤田牵引向斜和复式褶曲共2 级。南帮区内有2 个岩土工程地质单元，上部为第四系松散层工程地质单元，下伏基岩层工程地质单元。对边坡稳定性影响的较大断裂构造主要有F1A、F1、F2、和F5断层[3]。

2 矿坑地质灾害机理

经过百余年的生产，抚顺西露天矿因其特殊的工程地质条件、水文地质环境、边坡几何参数和形态及下部井工生产影响等因素，地质灾害频发。退煤闭坑后，如不进行治理，其地质灾害和安全隐患仍会长期存在，其中滑坡灾害和自然发火是西露天矿主要的灾害类型。

2.1 矿坑边坡破坏机理

通过选取典型剖面对矿坑边坡的数值模拟，结合前期的工程地质调查成果，将北帮研究区域划分成3 个工程地质区域，每一区域的潜在滑坡模式及控制因素如下：

1）单斜构造-断层发育区。通过对E1100 剖面数值模拟分析可知：研究区域岩体为逆倾单斜构造、斜切坡面的小断层发育程度较高、坡面渗水明显、局部边坡的台阶高度较高、台阶坡面角较大、地质构造较复杂岩体节理裂隙比较发育，当节理裂隙与断层在倾向上相交构成楔体的2 个底滑面，且滑面上的剪力均平行于底滑面的交线，滑面上的剪力大于其最小抵抗力时可能会出现楔体破坏的现象，即该区域边坡的破坏模式主要为受节理面和断层面共同影响的“楔体破坏”式。主要控制因素为地下水和地质结构面。

2）复式褶曲区。通过对E1800 剖面数值模拟分析可知：研究区域上部台阶出露褶曲构造，受其影响局部岩层顺倾，岩层的倾角达到37°。由于绿泥岩岩组中存在褐色页岩泥化夹层，该夹层遇水极易泥化力学强度指标降低，形成滑动面，易在坡角处形成剪出，即该区域边坡的破坏模式主要为后缘坐落，前缘沿泥化夹层剪出的“坐落滑移破坏”。主要控制因素为地下水和不利的边坡岩体产状。

3）单斜构造-断层不发育区。通过对E3400 剖面数值模拟分析可知：研究区域地质构造相对简单，岩体主要为逆倾，局部边坡的台阶高度较高、台阶坡面角较大，绿泥岩岩组中存在褐色页岩泥化夹层，受长期风化作用的影响，岩石力学强度指标降低，将出现局部的片帮、垮落现象，受地下水的长期浸泡的影响，褐色页岩泥化夹层力学强度指标急剧下滑，岩体节理裂隙发育的陡倾角逆倾边坡出现倾倒现象，即该区域边坡的破坏模式主要为“倾倒破坏”式。主要控制因素为地下水和坡面岩性。

2.2 矿坑煤层自然发火机理

煤的氧化自燃过程分3 个阶段，即潜伏阶段、自热阶段、燃烧阶段。煤体要发生自燃必须具备以下4个条件：①具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤以破碎状态存在；②有大于12%氧含量的空气通过这些碎煤；③空气流动速度适中，使破裂煤体有积聚氧化热的环境；④在上述3 个条件同时具备的状态下，持续一定的时间，使煤体达到着火温度[4]。

西露天矿煤层吸氧量在0.71～1.3 cm3/g，平均值为0.989 cm3/g，为Ⅰ级容易自然发火。煤的自然发火期为3～6 个月，属于自燃发火危险的矿井。原生煤体暴露在空气中，虽有足够的氧气接触，但不具备聚热条件，因此，煤层本身不易产生自然发火。

2.3 油页岩层自然发火机理

油页岩自燃主要分3 个阶段，即潜伏阶段、蒸馏阶段、自燃阶段[5]。油页岩自燃有3 个特点：①油页岩含有大量活性物质，氧化性强，常温下自燃倾向性较严重。油页岩体含水量大，排弃堆积过程中油页岩体大面积暴露，岩体内的大量固有水分迅速蒸发脱离，岩体结构内部吸附氧气的能力增强，为自燃发火创造了条件；②油页岩排弃物松散系数大于1.3，孔隙率大，油页岩与氧气充分接触，因此氧化发热速度快，自燃发火突发性强；③当外界空气流速较大时，能为油页岩提供充分的氧气条件。所以油页岩自燃发火有明显的季节性，主要发生在秋、冬2 个季节[6]。

油页岩的主要成分包括油母、水分和矿物质，其本身的长期低温氧化即导致自然发火，自然发火过程受其产生的氧化热与传导热和对流形成的热扩散之间平衡状况的制约。因此油页岩的含油率、破碎程度以及周围的空气流通程度、温度、湿度等都对油页岩自然发火有着很大的影响。

2.4 滑坡-火灾链式转化关系及矿坑灾害分区

1）滑坡-火灾链式转化关系。单一灾害的产生、发展并不是孤立的，各灾种之间往往存在链式转化关系。矿坑火灾造成边坡下部空化和岩体力学性质的改变；滑坡又为自然发火提供了供氧通道和较为封闭的蓄热环境。

2）矿坑灾害分区。抚顺西露天矿北帮虽为采掘场最终边坡，但是闭坑后即将进行综合治理，现存边坡暴露时间较短，根据GB 50197—2015 煤炭工业露天矿设计规范综合考虑，短期内安全储备系数选定为1.20，待国家统一规划的综合治理方案实施后，边坡整体稳定系数须达1.50 以上。通过边坡稳定性计算，E1200 剖面整体边坡稳定性系数为1.22，E1700为 1.29，E1800 为 1.22，E2300 为 1.21，E2600 为1.26，E2700 为1.25，所有剖面稳定性系数均大于1.20，满足安全储备系数要求。对于下部局部高段边坡，E1200 剖面局部边坡稳定性系数1.20，E1700 为1.27，E1800 为1.22，E2300 为1.13，E2600 为1.14，E2700 为1.16。E1200 至E1800 剖面边坡稳定性系数大于1.20，满足安全储备系数要求；E2300 至E2700 剖面边坡稳定性系数小于1.20，安全储备系数不足。

通过分析西露天矿边坡变形机理、煤层、油页岩层自然发火的影响，滑坡-火灾链式转化关系，以不同控制因素下边坡采取的治理措施不同，将矿区分为自然发火区和边坡潜在不稳定区。

3 综合治理整合利用方案

通过对矿区地质资料的收集和整理，研究了边坡的变形机理、自然发火机理和主要控制因素，并对边坡进行稳定性计算，根据现场火区温度监测和边坡稳定计算结果，综合确定自然发火区域和边坡潜在不稳定区域范围，提出相应的治理方案，并结合地下水疏干、生态修复及矿坑监测保障等措施，提升矿坑综合治理安全质量和绿色生态水平。

3.1 潜在不稳定区治理方案

针对局部边坡安全储备系数不足的情况，在保证整体边坡稳定性满足安全储备要求的前提下，采取削坡减载的方式对局部高陡边坡进行治理，降低局部台阶高度，提高边坡稳定系数，使得治理后的局部边坡、整体边坡均满足安全储备要求[7]。

3.2 自然发火区治理方案

1）清除火根方案。用清除火根法对火根位置相对明确及火根埋藏相对较浅的火区采用工程设备对该区域进行挖掘，将可燃物和火根一并清除，根治自燃发火；浅层火区主要为到界端帮煤层表层一定影响范围，厚度约为20～30 m。火根清除后，采取回填物料掩埋压脚方式提升边坡稳定性[8]。

2）注浆灌浆方案。注浆灌浆法主要针对地下火根面积大、数量多、火根清除困难的火区进行打孔注浆，使浆液充填到可燃物堆积体内的空隙中，并使之驻留在空隙内，从而使可燃物与空气隔绝，则可以切实达到防治其自燃的目的。注浆消火法主要对到界端帮煤层50～100 m 范围内自燃灾害治理[9]。

3.3 地下水疏干方案

绿色泥岩与褐色页岩互层结构的北帮岩体，形成分层含水体，初步估计含水层达30 多层。根据现场情况，采用布设疏干孔得方式，由上至下布设3 排水平疏干孔，分别为-52 m 水平、-85 m 水平、-114 m水平。为使钻孔内的水外流方便，钻孔应有3°～8°向外倾斜的坡度，这样还可以自清孔中的泥沙，钻孔直径一般为120～200 mm，孔深超过潜在滑面20 m。

3.4 生态修复方案

通过东露天矿至西露天矿坑电铁排土线路对位于矿坑西端帮28-5 电铁排土线W1500-W1300，+70水平进行回填储备，规划生态修复面积计划10 万m3；主要修复工程：场地回填整形、客土覆土0.5 m、栽植乔木、灌木等树种，建设喷灌系统及日常管护，建设土壤修复试验区和示范区。

3.5 矿坑监测保障方案

1）边坡监测方案。在矿坑南帮设置雷达对北帮边坡实时监测，同时设置GPS 监测线和岩移监测点，形成覆盖全矿坑的监测网络。依据边坡雷达监测成果及GPS 监测成果，进行边坡稳定状况分析，并对边坡监测成果实现滑坡预警，根据预警信息，提前将现场作业人员和作业设备撤出边坡危险区域，避免整个治理过程中发生安全事故，保证现场作业人员和作业设备的安全。

2）水灾监控方案。在治理工程期间，将勘查孔作为观测孔对水位进行观测，实时掌握水位变化，及时预警，保障作业安全。

3）火灾监控方案。采用二维阵列红外热成像探测技术，实时对温度异常区进行在线监测，系统具有记录、储存、阈值报警、无线上传等功能，能实现温度异常区精准定位，分析结果实时上传。

4 结语

西露天矿矿坑综合治理投资额度大、治理周期长、工程措施复杂，是一个世界性难题，没有成熟的经验可以复制，是一项系统工程，既刻不容缓，又要稳扎稳打。现阶段必须统筹考虑长远和近期治理阶段任务，既要做好顶层设计、科学规划，又要做好近期的治理工作。根据矿坑灾害的调查与机理分析，有针对性地确定各区域的治理方案，保障矿坑生态环保安全，为下一步整体方案的顺利实施奠定基础。