郭生，閆杰，王振偉

（1.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013）

安家?guī)X露天礦逆斷層區(qū)域邊坡穩(wěn)定性控制研究

郭生1，閆杰2，王振偉3

（1.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122；3.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013）

為保證邊坡安全，采用赤平投影法、極限平衡法及數(shù)值模擬法對北幫、工作幫、南幫3個區(qū)域邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。北幫斷層區(qū)域放緩邊坡角，南幫采取“提前掏槽開采-快速內(nèi)排回填”措施；并確定了設(shè)計工作幫邊坡的穩(wěn)定性，提出開采安全建議。

地質(zhì)構(gòu)造；邊坡；穩(wěn)定性；露天礦

安家?guī)X露天礦采場自2012年南幫區(qū)域首先進(jìn)入安家?guī)X逆斷層與其平行的蘆子溝背斜區(qū)域，由于安家?guī)X逆斷層北東走向，采場南幫最先進(jìn)入安家?guī)X逆斷層影響區(qū)域，安家?guī)X露天礦每年推進(jìn)350 m左右，需要幾年時間才能完全跨過逆斷層影響區(qū)域。露天礦在南幫安家?guī)X逆斷層、北幫復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時，邊坡出現(xiàn)掉塊、坍塌及片幫等問題，因此對安家?guī)X逆斷層區(qū)域露天礦邊坡安全措施進(jìn)行匯總。

1 安家?guī)X露天礦地質(zhì)構(gòu)造

1.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

安家?guī)X露天礦位于山西地臺背斜北中部寧武煤田北端，煤田南北長，東西窄，呈北東向斜列，展布于鄂爾多斯地臺，呂梁地塊、五臺地塊及內(nèi)蒙地軸之間為一繼承性上疊構(gòu)造盆地。寧武向斜貫穿寧武煤田南北，其走向：井坪-陽方口近南北，陽方口-靜樂為N30°E，向斜軸除朔縣平原偏向西部外，一般偏向東部，且東翼地層傾角大于西翼，為一不對稱向斜。

安家?guī)X露天礦位于寧武煤田的北部，處于馬關(guān)河西部，為寧武向斜西部礦井，整體構(gòu)造為一北東傾向的單斜構(gòu)造，地層走向北偏西-南東向，礦區(qū)內(nèi)地層傾角平緩，傾角一般為2°~10°。目前，安家?guī)X露天礦生產(chǎn)區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造有蘆子溝背斜、安家?guī)X逆斷層、北幫復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域陷落柱3個。

褶曲-蘆子溝背斜：為一區(qū)域性褶曲，背斜兩翼產(chǎn)狀不一致，北西翼傾角3°~5°，南東翼傾角6°~ 10°，在區(qū)內(nèi)背斜軸長度約660 m，該背斜為弧型褶曲，弧頂指向南東。安家?guī)X逆斷層是本礦中部發(fā)育的斷層，與蘆子溝背斜基本平行，走向在區(qū)內(nèi)為N25° ~40°E，傾角于15°~19°，最大達(dá)30°，落差不等，最大落差約80 m，該斷層在井田中部分叉為F1逆斷層及F1-2逆斷層，F(xiàn)1-2逆斷層向北部延伸至X2陷落柱處消失，逆斷層向西北方向延伸至礦界外。安家?guī)X露天礦首采區(qū)中，安家?guī)X逆斷層在首采區(qū)南幫區(qū)域距離背斜最遠(yuǎn)900 m左右，中部與北部區(qū)域與蘆子溝背斜走向相近位于背斜軸部區(qū)域。

區(qū)內(nèi)探明的陷落柱有3個，目前位于首采區(qū)端幫區(qū)域的陷落柱以內(nèi)排回填。X2陷落柱位于工作幫區(qū)域，安家?guī)X逆斷層分支F1-2逆斷層在此消失，位于形成的工作幫臨時到界邊坡區(qū)域。姚吉坪陷落柱位于北端幫，處于蘆子溝背斜東翼，靠近軸部區(qū)域，陷落柱長304 m，寬209 m，面積51 597 m2。

1.2 端幫邊坡節(jié)理裂隙

安家?guī)X露天礦通過對南北端幫邊坡巖體節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查，并繪制了安家?guī)X露天礦區(qū)節(jié)理裂隙玫瑰圖（如圖1）。

圖1 節(jié)理裂隙調(diào)查玫瑰圖

安家?guī)X露天礦邊坡節(jié)理產(chǎn)狀主要為：第1組3 ~27°∠82~89°、第2組40~50°∠79~89°、第3組60~70°∠62~78°、第4組191~224°∠80~ 88°、第5組270°~298°∠64°~87°。節(jié)理裂隙傾角集中在80°左右，優(yōu)勢節(jié)理間距，砂巖間距2~5條/ m，泥巖間距6~11條/m，邊坡節(jié)理寬度3~4 cm/ m。從現(xiàn)場實測及節(jié)理走向玫瑰圖確定該區(qū)域節(jié)理形成與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，按節(jié)理形成的力學(xué)性質(zhì)分類為剪節(jié)理。

2 安家?guī)X逆斷層區(qū)域的對露天礦邊坡的影響

2.1 安家?guī)X逆斷層區(qū)域?qū)Ρ倍藥陀绊?/p>

安家?guī)X露天礦北幫將面臨安家?guī)X逆斷層和蘆子溝背斜；蘆子溝背斜兩側(cè)發(fā)育有橫縱交錯的斷層及陷落柱。在礦坑向東推進(jìn)中，北幫將遇到多條縱橫交錯的斷層、陷落柱及因煤層降底而邊坡增高等問題。北幫區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層剝離初期上部1375平盤出現(xiàn)片幫、1360平盤干道出現(xiàn)裂縫，隨露天礦采深增加逐步揭露的斷層影響區(qū)域如1270平盤，在雨季時1300水平斷層破碎帶出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。因此在北幫復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域布置剖面，采用極限平衡法對其穩(wěn)定性研究，剖面位置如圖2，剖面邊坡角見表1。

圖2 北幫地質(zhì)構(gòu)造及穩(wěn)定性分析剖面位置

表1 北幫設(shè)計邊坡角

2.2 安家?guī)X逆斷層區(qū)域?qū)δ隙藥陀绊?/p>

在安家?guī)X露天礦南幫區(qū)域由于逆斷層影響，上盤煤層已采完，下盤煤層面臨到界問題。同時，在安家?guī)X逆斷層南幫區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，南幫在1315平盤出現(xiàn)局部垮塌區(qū)域；1270平盤邊幫段高45 m，邊坡巖體較為破碎，在南幫1270水平上盤9煤剝離后，其端幫出現(xiàn)大量片幫區(qū)域，在1270平盤有大量崩落石塊，影響長度達(dá)1 000 m左右。

由于靠近南幫區(qū)域安家?guī)X逆斷層影響，在煤層出現(xiàn)下降；逆斷層破碎帶在露天采動影響下，破碎帶區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低到1.071，邊坡出現(xiàn)明顯變形；若按設(shè)計11煤采出后，邊坡將處于臨界平衡狀態(tài)，南端幫安家?guī)X逆斷層區(qū)域邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律如圖3。

圖3 南端幫安家?guī)X逆斷層區(qū)域邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

2.3 安家?guī)X逆斷層區(qū)域?qū)ぷ鲙陀绊?/p>

安家?guī)X露天礦南幫受安家?guī)X逆斷層影響區(qū)域，安全儲備不足，在該區(qū)域采取提前掏槽開采方案；而在該方案實施過程中，工作幫靠界時揭露的安家?guī)X逆斷層上盤本溪組巖層，由于安家?guī)X逆斷層影響，以及本溪組巖層巖性較弱，在采礦活動下該區(qū)域出現(xiàn)沿節(jié)理裂隙的片幫。

3 安家?guī)X逆斷層區(qū)域的對露天礦邊坡穩(wěn)定性

3.1 北端幫邊坡穩(wěn)定性

北幫復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域存在正斷層F23（產(chǎn)狀294°/68°~70°），逆斷層FB22（產(chǎn)狀135°/30°~35°），邊坡（產(chǎn)狀180°/22°~23°），通過赤平投影法對巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性分析，確定該區(qū)域邊坡穩(wěn)定類型為可能滑動，滑動方向（產(chǎn)狀45°/0°），邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.601，巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖4。通過對原設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，在邊坡角平均放緩2°~3°時，保障邊坡可以滿足安全儲備要求，兩方案邊坡穩(wěn)定性對比見表2所示。

圖4 巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果

表2 邊坡角及安全性對比

3.2 南端幫邊坡穩(wěn)定性

南幫安家?guī)X逆斷層影響區(qū)域治理方案：該區(qū)域上盤11煤已完全剝離，剩余下盤煤層，因此在南幫靠界區(qū)域，提前掏槽將靠界區(qū)域煤層采出，實現(xiàn)內(nèi)排壓腳；將4下1煤保安平盤加寬至10 m，將4下2煤保安平盤加寬至15 m，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.103，提前掏槽結(jié)束后內(nèi)排即可快速跟進(jìn)。南幫提前掏槽區(qū)域穩(wěn)定性分析如圖5所示。

南幫下盤煤層靠界區(qū)域進(jìn)行提前掏槽開采，并實現(xiàn)了內(nèi)排回填，保證端幫運輸系統(tǒng)的安全，目前該區(qū)域邊坡處于安全狀態(tài)。采用“提前掏槽開采-快速內(nèi)排回填”方案，不僅保障邊坡安全，同時提前釋放排土空間、減少內(nèi)排運距，南幫在該區(qū)域形成直線運輸?shù)缆?，減少折返，有效地縮短了礦區(qū)運煤路線。

3.3 工作幫邊坡穩(wěn)定性

安家?guī)X逆斷層及F23正斷層影響，礦區(qū)煤層出現(xiàn)急劇抬升，工作幫將面臨臨時到界，臨時到界端幫為本溪組巖層，受到斷層影響，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育、巖性較弱。為預(yù)防工作幫片幫現(xiàn)象再次發(fā)生，對靠幫方案通過邊坡破壞機理分析與穩(wěn)定性驗算，以滿足露天礦安全開采，穩(wěn)定性評價剖面位置及靠界方案如圖6。

圖5 南幫提前掏槽區(qū)域穩(wěn)定性分析

圖6 工作幫靠幫邊坡穩(wěn)定計算剖面位置

3.3.1 工作幫破壞機理研究

工作幫邊坡GZB2剖面數(shù)值模擬結(jié)果如圖7，水平方向位移云圖中，表現(xiàn)為向邊坡臨空面的位移；剪切應(yīng)力云圖顯示，在邊坡各個臺階出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，未形成貫通的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡未出現(xiàn)明顯的破壞模式。

圖7 工作幫到界邊坡破壞機理

3.3.2 工作幫邊坡穩(wěn)定性分析

工作幫在靠近南部安家?guī)X逆斷層影響區(qū)域GZB1剖面控制區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)為1.110，逆斷層區(qū)域GZB2剖面控制區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)可以達(dá)到1.163，正斷層影響區(qū)域GZB3剖面控制區(qū)域位于正斷層影響區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)為1.107，計算結(jié)果如圖8。到界邊坡穩(wěn)定系數(shù)均可以大于1.1，因此設(shè)計方案可以滿足安全要求。

3.3.3 工作幫邊坡開采時注意事項

安家?guī)X露天礦在南幫逆斷層影響區(qū)域進(jìn)行“提前掏槽-快速內(nèi)排回填”方案時，臨時到界工作幫出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象。通過安家?guī)X露天礦節(jié)理裂隙分析，工作幫邊坡走向受斷層影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡走向與斷層走線一致，邊坡產(chǎn)狀傾向294°、傾角45°~ 48°，邊坡傾角小于節(jié)理裂隙傾角，出現(xiàn)沿節(jié)理方向的片幫現(xiàn)象，因此需要加強工作幫到界區(qū)域的巡查工作，出現(xiàn)裂縫及時采取防護(hù)措施。

圖8 工作幫到界邊坡穩(wěn)定性結(jié)果

4 結(jié)論

安家?guī)X露天礦面臨安家?guī)X逆斷層和蘆子溝背斜構(gòu)造影響，蘆子溝背斜兩側(cè)發(fā)育有橫縱交錯的斷層及陷落柱。在礦坑向東推進(jìn)中，北幫將遇到正逆斷層交錯影響，工作幫邊坡面臨安家?guī)X逆斷層、FB23正斷層及陷落柱構(gòu)造影響，南幫邊坡面臨安家?guī)X逆斷層影響等邊坡安全問題。

1）北幫揭露的正逆斷層交錯影響區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)域巖層破碎嚴(yán)重，影響范圍E11290-E11800為未來幾年北幫不良地質(zhì)條件區(qū)域。安家?guī)X露天礦對北端幫地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域采取放緩邊坡角措施，使邊坡滿足安全需要。

2）南幫邊坡在安家?guī)X逆斷層影響下，若正常開采則邊坡將處于臨界狀態(tài)，因此在該區(qū)域提出“提前掏槽-快速內(nèi)排回填”方案，不僅保證南幫斷層影響區(qū)域邊坡的安全開采，而且提前釋放排土空間，減少內(nèi)排運距，并縮短了礦區(qū)運煤路線，實現(xiàn)了降本增效的效果，在保障安全的基礎(chǔ)上取得巨大的經(jīng)濟效益。

3）工作幫邊坡受到安家?guī)X逆斷層、FB23正斷層及陷落柱的影響，通過對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗算評價，確定其穩(wěn)定系數(shù)均能大于1.1，可滿足安全規(guī)程儲備要求。同時，由于到界邊坡該為斷層破碎帶區(qū)域，剝離采掘過程中易出現(xiàn)局部片幫現(xiàn)象，因此需要做好邊坡危險警戒工作。

［1］劉如成，劉峰，許昌.安家?guī)X露天煤礦開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2008（4）：11-13.

［2］原文杰，賀昌斌，鄧有燃，等.平朔安家?guī)X露天礦生產(chǎn)長遠(yuǎn)規(guī)劃研究［J］.露天采礦技術(shù)，2013（11）：30-32.

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［4］劉峰，鄧有燃，劉如成，等.安家?guī)X礦過逆斷層和背斜期間開拓運輸系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.露天采礦技術(shù)，2012（S1）：21-24.

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［6］煤科集團沈陽研究院有限公司.安家?guī)X露天礦邊坡穩(wěn)定性年度評價［R］.撫順：煤科集團沈陽研究院有限公司，2014.

［7］常永剛.露天煤礦過渡斷層安全高效開采的實踐［J］.露天采礦技術(shù)，2014（9）：11-14.

【責(zé)任編輯：解連江】

Study on slope stability control in thrust area of Anjialing Open-pit Mine

GUO Sheng1,YAN Jie2,WANG Zhenwei3
(1.China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China; 3.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

In order to ensure the safety of slope,using the plane projection method,limit equilibrium method and numerical simulation method,the author analyzes the slope stability of north slope,working slope and south slope.The north slope zone slows down the slope angle and the south slope takes the measures of"ahead of cut mining-fast inner row backfill"to determine the design work of slope stability and put forward the suggestions of mining safety.

geological structure;slope;stability;open-pit mine

TD824.7

B

1671－9816（2017）02－0009－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.003

郭生，閆杰，王振偉.安家?guī)X露天礦逆斷層區(qū)域邊坡穩(wěn)定性控制研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（2）：9-13.

2016-08-03

郭生（1973—）男，山西懷仁人，高級工程師，現(xiàn)任中煤平朔集團有限公司技術(shù)中心主任助理。