Management plan of geological hazard threats in the fault zone of adjacent open-pit mines
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摘要:
在我国大型露天煤田开发中，常常有多家煤炭企业进入同一煤田，各煤炭企业均是一个开发主体，对国家划拨条区煤炭资源进行开采，同时或先后建设几个露天矿。相邻露天矿在开采作业过程中所形成相邻端帮因受两矿采动影响较大，易发生滑坡灾害，尤其是相邻端帮到界边坡。胜利西二号露天煤矿和乌兰图嘎锗煤露天矿为同一煤田相邻露天矿，两矿采矿权在相邻端帮处不重合，致使西二露天矿西帮和锗煤露天矿东帮之间形成一个梯形台体，受下覆断层破碎带及两矿作业影响，台体内出现底臌、裂缝、断层垮塌等地质灾害迹象。随着两矿剥采工程发展及对相邻端帮进行靠帮作业，相邻端帮到界边坡间将产生一个更为高陡的不规则台体，为避免灾害性滑坡发生，对该高陡台体稳定性分析基础上，提出“整体挖除回填”的治理方式并确定具体的治理方案。该治理方案明确“整体挖除回填”治理方式作业范围，设计了治理完成时清理工作帮及内排土场边坡形态，可彻底消除地质灾害隐患，并释放西二露天矿内排空间931.83万m3，锗煤露天矿内排空间764.69万m3，两矿可继续实现完全内排。本研究成果为西二、锗煤露天矿相邻端帮断层带地质灾害隐患体治理提供必要的理论依据和技术支撑，同时为类似同一煤田相邻露天矿实施地质灾害治理提供了相关经验。
Abstract:In the development of large-scale open-pit coal fields in China, there are often several Coal companies entering the same coal field, and each Coal company is a main body of development, mining coal resources in the state-allocated strip area, and building several open-pit mines at the same time or successively. Adjacent open-pit mines, during the excavation process, are susceptible to landslide hazards, particularly on the slopes where the adjacent end gangs, influenced significantly by the mining activities of both mines, reach the boundary. The Shengli West 2 open-pit coal mine and Wulantuga Zhemei open-pit mine are neighbouring surface mines in the same coal field, and the mining rights of the two mines do not overlap at the neighbouring end gangs, resulting in the formation of a trapezoidal platform between the west gang of the West 2 open-pit mine and the east gang of the Zhemei open-pit mine, and the impact of the overlying fault fragmentation zones and the operations of the two mines, which resulted in the appearance of signs of geologic hazards within the platforms, such as bottom drums, fissures, and collapse of faults. With the development of the stripping project of the two mines and the leaning operation of the adjacent end gangs, a steeper irregular platform will be generated between the adjacent end gangs and the boundary slopes, in order to avoid the occurrence of catastrophic landslides, and on the basis of the stability analysis of the steep platform, the treatment method of “digging out and backfilling as a whole” was put forward and the specific treatment plan was determined. The management plan specifies the scope of operation of the “overall excavation and backfilling” management method, and designs the shape of the clean-up work gang and the slope of the internal discharge site when the management is completed, which can completely eliminate the hidden geological hazards and release 9 318 300 m3 of internal discharge space in the West Second Open Pit Mine and 7 646 900 m3 of internal discharge space in the Zhemei open-pit mine Mine, so that the two mines can continue to achieve complete internal drainage. The results of this research provide the necessary theoretical basis and technical support for the treatment of geological hazard hidden bodies in the adjacent fault zones of the West 2 and Zhemei open-pit mines, and also provide relevant experience for the implementation of geological hazard management in similar adjacent open-pit mines in the same coal field.
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0. 引 言
露天矿端帮根据其存在形式分为独立端帮和相邻端帮。独立端帮是指煤田区域内只有一个或多个不相邻的露天矿，此时露天矿各端帮均为独立端帮；相邻端帮则指该区域内同时建设了若干露天矿，相邻2个露天矿之间存在公共端帮[1]。在我国大型露天煤田开发中，同一煤田内往往有多家开发商进入，各煤炭企业作为一个开发主体独立承担着国家划拨条区煤炭资源的开釆，同时或先后建设几个露天矿[2–3]。相邻露天矿在开采作业过程中所形成相邻端帮因受两矿采动影响较大，易发生滑坡灾害，尤其是相邻端帮到界边坡。由于前期勘探程度有限，使得两矿对相邻端帮区域的地质条件了解不够充分。然而，随着对该区域开采作业的深入，或有新的地质构造如断层等，随露天矿开采作业而被揭露，致使该区域岩土体参数恶化。在这种情况下，如果两矿在相邻端帮处继续按照原设计的到界参数作业，在剥采作业期间将极易发生滑坡等地质灾害。
近年来，众多学者针对露天矿含断层带失稳边坡的破坏模式及防治工程进行了广泛的研究。王鑫瑀等[4]采用弱化法和interface法对弓长岭露天矿北帮走向顺坡断层进行了分析，模拟了断层破碎带附近岩体的塑性卸载区、塑性流动区及拉伸破坏区的发生与演化过程。丁川[5]以平庄西露天矿为研究对象，综合运用现场调研、工程地质分析法、三维极限平衡分析法及数值模拟等方法和手段，系统研究了F3断层控制区边坡的稳定性，确定了西北帮F3断层区滑坡模式、机理及影响范围。王东等[6]以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程背景，应用FLAC3D对含斜交断层顺倾层状边坡稳定性进行了模拟研究，揭示了断层对边坡变形与稳定性的的影响。尚文凯等[7]以元宝山露天矿东帮边坡为工程背景，基于强度折减理论，采用RFPA数值模拟软件，模拟研究了断层处于不同位置及无断层条件下的顺倾层状边坡的动态失稳过程。戴超[8]以包钢白云鄂博铁矿E区含多断层高边坡为工程背景，应用极限平衡法及数值模拟法，对边坡开挖变形破坏特征及加固办法进行了探讨。曹兰柱等[9]以胜利西二露天矿西帮边坡为工程背景，基于强度折减原理，应用有限差分软件FLAC3D模拟分析了断层位置、倾角及弱层逆倾角度不断变化时西帮软岩边坡的滑移模式及稳定性变化规律。王珍等[10]以元宝山露天矿为研究背景，基于现场调研、理论分析、数值模拟方法，通过改变断层倾角以及断层走向与边坡走向交角2种方式描述断层空间位置，从边坡滑移模式的角度阐明断层影响下边坡稳定性变化规律。
上述研究极大推动了露天矿含断层带边坡治理的发展，为矿山安全生产打下坚实基础，但现阶段针对相邻露天矿间端帮断层带地质灾害的治理研究较少。随着露天矿矿山工程的发展,同一煤田相邻露天矿之间的相互影响和制约矛盾日益突出，已成为一个不可忽视、必须面对的问题[11]。相邻露天矿不仅涉及端帮压煤的问题，而且相邻端帮间易形成高陡边坡，进而直接影响到两矿区的生产、人员和设备的安全及矿山的经济效益[12]。因此亟需在研究相邻端帮到界边坡稳定性的基础上，判断潜在的滑坡风险区，确定地质灾害隐患体形态及赋存位置，采取优化开采方案等手段对其进行治理，进而实现地质灾害的防控，对矿山企业具有重要的现实意义。
本研究以胜利西二号露天煤矿(以下简称西二露天矿)和乌兰图嘎锗煤露天矿(以下简称锗煤露天矿)相邻端帮断层带地质灾害隐患体治理为工程背景，基于两矿开采现状及未来发展规划，设计相邻端帮到界边坡形态，分析判定其滑坡风险区，明确地质灾害隐患体赋存位置及形态，对比分析露天矿不同滑坡灾害治理方式在此相邻端帮断层带区域地质灾害隐患体治理的适用性，提出适宜的治理方式并对治理方案进行详细的可行性评估，为类似同一煤田相邻露天矿实施地质灾害治理提供了宝贵经验。
1. 研究区工程地质条件及隐患体现状
西二露天矿和锗煤露天矿是位于内蒙古胜利煤田西部的相邻露天矿，其行政隶属内蒙古自治区锡林浩特市郊区胜利苏木管辖范围。锡市东靠赤峰市、通辽市和兴安盟；南边邻近张家口、北京和承德地区；西连乌兰察布市；北与蒙古相邻，具体位置如图1所示，其地理坐标为：东经115°53′00″～115°58′15″；北纬43°57′30″～44°00′00″。
1.1 地质构造
在西二、锗煤露天矿相邻端帮区域内有Fx1和Fx4两条主要断层，如图2所示。其中，Fx1正断层，走向NW14°～21°，倾向NE，倾角70°，落差18～70 m，区内延伸长度为1 550 m，南北贯通锗煤露天矿采场；而Fx4正断层在《内蒙古自治区胜利煤田西二露天西区煤炭补充勘探报告》中并未提及，随着开采的不断深入，于西二露天矿采场的西部，Fx4断层逐渐被揭露，Fx4断层走向NW41°～64°，倾向NE，倾角65°，落差30～45 m，揭露延伸长度1 732 m，预计区内总延伸长度为1 858 m。两断层相距约350 m，断层走向与两矿相邻端帮边坡走向基本一致。
Fx1、Fx4两条断层是造成相邻端帮区域不稳定的主要因素之一，同时在2条断层之间形成了一个宽度在280～540 m的破碎带，破碎带中裂隙较为发育，裂隙的长度在10～100 m、宽度在5～30 cm，断层破碎带不仅破坏了岩体的整体性，还成为雨水、雪水进入地下的通道，且水的软化作用，进一步降低了岩体和弱层的强度。
1.2 弱层赋存位置与形态分析
研究区边坡岩体构成主要包括第四系砂土层、白垩系煤、泥岩层等，是典型的软岩露天煤矿，边坡稳定性较差。6煤层(指的是6煤与6–1煤，2者实为同一煤层)为含水层，其顶、底板为碳质泥岩弱层，厚度在0.2～0.5 m间。该岩层为水敏性岩层，遇水极易软化和崩解，形成弱层，容易诱发滑坡。
1.3 隐患体现状
两矿采矿权在相邻端帮处不重合，导致西二露天矿西帮和锗煤露天矿东帮之间形成一个梯形台体(以下简称现状台体)，如图3所示。
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图 3 西二、锗煤露天矿相邻端帮间梯形台体现状Figure 3. Current situation of the trapezoidal terraces between the adjacent slopes of the West 2 and Zhemei open-pit mines西二露天矿与锗煤露天矿的相邻端帮间现状台体内赋存的地层岩性多为软岩，岩体力学性质较差，且存在明显的弱层，构成滑坡体潜在滑动面，且台体内部赋存有Fx1和Fx4两条正断层，断层走向与两矿相邻端帮边坡走向基本一致，不利于相邻端帮边坡稳定。此外，断层的存在破坏了岩体的整体性，造成岩体次生节理裂隙发育，致使在2条断层之间形成了断层破碎带，为降雨和地下水提供了流通渠道，在地下水作用下，岩土体的物理力学性质进一步恶化，滑动面抗剪强度也降低，在采动活动的扰动下，导致坡体局部失稳，形成变形破坏。目前在台体内部已出现地裂缝、底臌、片帮、涌水等小型地质灾害迹象。
2. 相邻端帮到界边坡形态设计
2.1 两矿相邻端帮地表境界调整
鉴于西二露天矿与锗煤露天矿相邻端帮处采矿权不重合，原内蒙古自治区能源局批复的两矿协调开采无法继续执行，只能独自进行开采。目前政府监管部门指出两矿存在越界开采嫌疑，为保证不出现违法违规开采现象，急需按照矿权边界范围重新调整地表开采境界。依据GB 50197―2015《煤炭工业露天矿设计规范》[13]中“相邻的井田之间留设境界煤柱”的相关规范。以两矿的矿权界为界限，各自留设20 m的安全距离，同时考虑到西二露天矿西帮地表界的形态及降深后对靠帮作业的影响，对西二、锗煤露天矿相邻端帮的地表开采境界进行如下调整，如图4所示。
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图 4 西二、锗煤露天矿地表开采境界调整Figure 4. Surface mining boundary adjustment of the West 2 and Zhemei open-pit mines2.2 相邻端帮到界边坡形态
基于矿山现有生产资料，西二露天矿西帮的边坡角是22°，锗煤露天矿东帮的边坡角是24°，设计确定两矿作业参数。根据西二、锗煤露天矿相邻端帮处地表开采境界的调整，在两矿现状基础上，随着两矿工作线继续向北推进以及对端帮进行靠帮作业，届时在两矿相邻端帮到界边坡之间将形成一个高130～150 m，南北长约874 m，东西底宽约650 m，东西顶宽约54 m的巨型高陡不规则台体(简称为相邻端帮到界边坡台体)，台体的投影面积54.83 hm2，总体积2 207.93万m3，相邻端帮到界边坡台体的几何形态及赋存位置如图5、图6所示。
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图 5 相邻端帮到界边坡台体几何形态Figure 5. Geometric shape of the terrace formed by the adjacent boundary slope![]()
图 6 相邻端帮到界边坡台体几何形态Figure 6. Occurrence location of the terrace formed by the adjacent boundary slope3. 相邻端帮断层带地质灾害隐患体确定
迄今为止，在边坡稳定性分析中，极限平衡法以其概念清晰、计算简单、工程资料丰富而应用得最为广泛[14–15]。本章针对西二、锗煤露天矿相邻端帮到界边坡，结合研究区工程地质概况，通过分析影响该区域边坡稳定性的因素，明确潜在的滑坡模式，采用极限平衡法选取不同剖面分析评价相邻端帮断层带到界边坡的稳定性，从而确定地质灾害隐患体的赋存位置及形态。
同时对于边坡稳定性分析来说，安全储备系数是衡量边坡稳定性的定量标准，其选择应综合考虑工程的重要性、边坡服务年限和高陡程度等。鉴于西二、锗煤露天矿研究区内相邻端帮处为软岩边坡、弱层发育，断层Fx4贯穿相邻端帮到界边坡台体，且台体下覆发育有断层破碎带，致使边坡岩土体物理力学参数恶化，此外相邻端帮下部布设有运输主干道，对边坡稳定性要求较高，参照GB 50197―2015《煤炭工业露天矿设计规范》中对于非工作帮边坡的安全储备系数选取要求，考虑到其服务年限<10 a，最终确定研究区相邻端帮到界边坡的安全储备系数为1.2。
3.1 相邻端帮到界边坡滑坡模式
边坡稳定性分析选用刚体极限平衡法，该方法需要在计算前确定滑面的形状，即破坏模式。这实际上是对计算所需边界的确定，不同的滑面形状需要采用不同的计算方法。对于此次研究对象——西二、锗煤露天矿相邻端帮到界边坡，滑坡模式主要受因剥采工程发展而导致的煤层顶、底板弱层暴露的影响，弱层在长时间的暴露下容易成为滑体的下部边界，同时研究区的坡体内部有断层贯穿，由于断层的存在使原本连续的岩层被打断和发生错动，进而使边坡在发生破坏时的滑坡模式发生改变。
鉴于断层Fx4对于锗煤露天矿一侧到界边坡属于逆倾，该断层的存在对于锗煤露天矿到界边坡稳定性影响较小，而断层Fx4对于西二露天矿一侧到界边坡属于顺倾，断层的存在不利于边坡的稳定，断层可能作为滑面的一部分，因此，研究区内边坡可能存在的滑坡模式为
(1)受断层Fx4影响，且断层与煤层顶、底板弱层相交时，断层有可能作为滑面的一部分，加之受于弱层的控制，其潜在破坏模式为“断层+圆弧+弱层”共同形成的组合滑动；
(2)不受断层影响部分的岩体受6煤层顶、底板弱层的控制，其潜在破坏模式为“圆弧+弱层”组合滑动；
(3)在弱层保持其强度或者未受外在因素影响而降低时，其潜在破坏模式为圆弧滑动。
相邻端帮到界边坡潜在的滑坡模式示意如图7所示(为方便标注，鉴于锗煤露天矿6–1煤与西二露天矿6煤实则为同一层煤，以下剖面中将它们统一标注为6煤)。
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图 7 相邻端帮到界边坡潜在滑坡模式示意Figure 7. Schematic diagram of potential landslide mode from adjacent end slope to boundary slope3.2 相邻端帮断层带地质灾害隐患体治理方式的选取分析与确定
3.2.1 相邻端帮到界边坡典型计算剖面的选取
为研究西二、锗煤露天矿相邻端帮到界边坡的稳定性，综合考虑工程地质条件的变化情况、地质信息的掌握程度，垂直边坡走向方向等因素共选取8个典型剖面，各剖面选取位置与剖面形态如图8所示。
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图 8 各工程地质剖面位置及剖面形态Figure 8. Location and profile shape of each engineering geological profile由于相邻端帮到界边坡台体内部断层发育，加之断层破碎带及6煤顶、底板弱层的存在，极不利于边坡体的稳定，在这种断层与弱层共同作用条件下，断层可能作为滑面的一部分[16–18]。可利用极限平衡法通过以下步骤确定“断层+圆弧+弱层”组合滑动模式下的最危险滑面：① 在不考虑坡体内部断层存在的情况下，在平盘给定后缘出露位置处搜索滑面并计算其稳定系数；② 当搜索出的滑面与断层不相交时重复步骤①；③ 当搜索出的滑面与断层相交时，计算“断层+圆弧+弱层”组合时形成滑面的稳定系数；④ 分别在不同平盘给出不同后缘出露位置，重复步骤①②③，稳定系数最小的滑面为最危险滑面。
按照上述方法计算所选取剖面中“断层+圆弧+弱层”组合滑动模式下的边坡稳定系数，同时考虑到断层并不作为滑面的一部分时，计算“圆弧+弱层”组合滑动和圆弧滑动模式下的边坡稳定系数。
3.2.2 地质灾害隐患体的确定
所选取各边坡剖面在圆弧滑动、“圆弧+弱层”组合滑动、“断层+圆弧+弱层”组合滑动3种潜在滑坡模式情况下，其计算结果汇总如图9所示。结果表明，随着西二、锗煤露天矿剥采工程向北发展及对相邻端帮进行靠帮作业，相邻端帮到界边坡所形成台体的东侧和西侧剖面稳定性计算结果均不满足安全储备系数1.2，尤其是处于相邻端帮断层带的锗煤露天矿东帮到界边坡，其稳定性更差。由于相邻端帮到界边坡台体的存在，易使两矿在正常剥采作业中在相邻端帮处发生灾害性滑坡，此相邻端帮到界边坡台体属于地质灾害隐患体，其示意如图10所示。
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图 9 相邻端帮到界边坡台体典型剖面稳定性计算结果汇总Figure 9. Summary of stability calculation results for typical sections of the platform formed by adjacent to the boundary slope4. 地质灾害隐患体治理方案研究
基于相邻端帮到界边坡台体的稳定性分析结果可知：台体东西两侧边坡稳定系数均不满足安全储备系数要求，存在较大滑坡风险，该台体属于地质灾害隐患体，尤其是受断层破碎带影响的锗煤露天矿东帮到界边坡，其稳定性更差。为避免两矿相邻端帮到界边坡发生滑坡灾害，保障端帮下作业人员及设备安全，亟须对地质灾害隐患体采取行之有效的治理方案，以消除地质灾害隐患，确保两矿生产安全。
4.1 “整体挖除回填”治理方案整体设计
为彻底消除相邻端帮断层带区域的地质灾害隐患，以尽可能清除相邻端帮存在地质灾害隐患的边坡体、降低灾害治理的费用和施工难度为此次治理的目标，同时考虑到西二、锗煤露天矿同属于蒙东能源控股有限制责任公司，两矿工作线均是东西向布置、由南向北推进，目前两矿均在相邻端帮进行靠帮作业、内排紧张，且两矿均已实现完全内排、无外排土场、无法通过增高内排土场进行扩容。结合上述情况提出一种适用于西二、锗煤露天矿相邻端帮断层带区域的地质灾害隐患体治理方案—地质灾害隐患体“整体挖除回填”治理方案，即在地质灾害隐患体形成之前，以两矿目前开采现状为基础，圈定出治理范围，将存在地质灾害隐患的边坡体及其周围岩土尽可能清理，清理的岩土体回填至两矿内排土场，从而彻底消除地质灾害隐患。
4.1.1 清理作业方式的提出及治理工艺的确定
(1)清理作业方式的提出及确定。鉴于地质灾害隐患体位于两矿相邻端帮之间，在对其清理时需遵循尽快完成对地质灾害隐患体清理工作、保障人员与作业设备安全的原则。在综合分析清理周期、清理费用、作业设备调度等影响因素后，本研究提出了一种“联治联排”的清理作业方式。
“联治联排”清理作业主要原则为两矿共同委派工程队施工，清理费用按矿权界划分。以清理地质灾害隐患体所释放的内排空间为主要清理岩土体回填空间，由于锗煤露天矿施工初期内排空间紧张，需先行借用西二露天矿内排土场进行回填作业，后期锗煤露天矿释放出内排空间后归还先行借用的排土空间。“联治联排”作业方式可实现两矿清理与排土工作面无缝衔接，施工衔接方便，不受各矿推进度不同的制约，同时方便施工管理，可尽快完成清理工作。
(2)治理工艺的选择。根据两矿的开采现状，在地质灾害隐患体治理初期，由于治理区内可供设备作业空间相对狭小，不利于大型设备效率的发挥。此外，大型设备作业产生的扰动也不利于清理工作的安全进行。因此，治理区内选择两矿现有的作业设备(以小型设备作业为主)，采用单斗挖掘机—卡车间断工艺进行清理作业，充分发挥其机动灵活、适应性强的特点。
4.1.2 治理范围的确定
为缩短治理工期，采用“联治联排”的作业方式，即在治理范围内统一清理工作面参数、统一协调排土空间，根据两矿现有设备对现场作业规格及开采参数要求从而确定治理作业参数，详见表1。
表 1 治理作业参数Table 1. Construction parameters for governance work项目 台阶高度/m 平盘宽度/m 坡面角/(°) 清理 12 45 65 西二内排 12 30/70组合平盘 35 锗煤内排 10 25 33 基于所设计治理作业参数，为将相邻端帮断层带区域的地质灾害隐患体整体挖除，对该治理区域进行模拟治理作业，从而反推出治理的现状(地表)范围，同时考虑到治理后治理区周围岩土体形态对两矿矿山工程发展，对局部范围进行调整，最终确定出治理范围。由于地质灾害隐患体位于两矿相邻端帮之间，只在工作帮有少部分出露，其余大部分均未被揭露，使得清理工程不能单独进行。欲使清理工程顺利实施，必须先将地质灾害隐患体周边的岩土体挖除掉，产生附加的岩土体清理工程，称为附带清理工程。治理范围由灾害治理范围与附带清理范围组成，如图11所示，其面积共计为136.25 hm2。
4.1.3 治理完成后边坡稳定性评价
两矿联合对地质灾害隐患体进行治理，清理岩土体回填位置主要为清理地质灾害隐患体两矿所释放的内排空间。但在治理过程中，由于清理工程与回填工程存在时空制约，致使清理工程所释放的内排空间不足以满足回填工程接续，因此设计了两矿在治理结束时内排土场的形态。由于锗煤露天矿在治理前期没有足够回填空间，最高只能回填至内排土场1 058 m水平，故将西二露天矿内排土场南部1 072 m水平之上，也作为清理岩土体的回填空间，最高回填至1 144 m水平。两矿地质灾害隐患体治理完成时的清理工作帮、内排土场工程位置如图12所示。
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图 12 两矿治理完成时清理工作帮、排土场边坡形态及选取的典型剖面位置Figure 12. Shape of the cleaning work and the dump slope and the typical profile location selected when the two mines were completed为确保地质灾害隐患体清理完成时治理区内清理工作帮的安全稳定，对清理工作完成时的清理工作帮边坡进行稳定性分析。鉴于治理工程实施后6煤顶、底板弱层已被揭露，在同时考虑以圆弧为侧界面、以煤层顶底板弱层为底界面而形成组合滑动的情况下，选取典型剖面9—9’对清理工作帮边坡进行稳定性计算；考虑到清理作业结束后，治理区内弱层已被全部清理，因而判定该处内排土场的潜在滑坡模式为圆弧滑动或以圆弧为侧界面、以6煤底板为底界面的组合滑动，对治理完毕时所设计的排土场边坡形态选取剖面10—10’、剖面11—11’、剖面12—12’、剖面13—13’、剖面14—14’共5个剖面进行稳定性计算，所得结果如图13所示。
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图 13 治理完成后清理工作帮、排土场典型剖面边坡稳定系数计算结果汇总Figure 13. Summary of calculation results of slope stability factors of typical profiles of cleaning work and waste dump after governance基于所选取剖面的稳定性计算结果可知：清理工作帮、排土场的典型剖面边坡稳定系数均可满足安全储备系数1.2的要求，验证了地质灾害隐患体“整体挖除回填”治理方案实施后两矿的清理工作帮、内排土场边坡形态设计的可行性。
4.1.4 “整体挖除回填”治理方案效果分析
经计算，地质灾害隐患体“整体挖除回填”治理方案的治理作业范围内需清理煤岩体量共计5 319.84万m3，回填量达4 518.34万m3，具体的工程量见表2。
表 2 治理作业参数Table 2. Construction parameters for governance work项目 清理岩土量/
万m3清理煤量/
万t回填量/
万m3释放内排空间/
万m3西二露天矿 2 581.96 763.80 2 969.26 931.83 锗煤露天矿 1 347.03 627.05 1 549.08 764.69 合计 3 928.99 1 390.85 4 518.34 1 696.52 “整体挖除回填”治理方案运用常规机械设备、工艺及技术措施，操作简单、可靠性高，矿方可自行组织挖除与回填。该方案的实施，可彻底消除相邻端帮断层带区域的地质灾害隐患、杜绝次生灾害隐患的遗留，同时消除了因残煤自燃而导致矿山环境污染的物质根源，并且释放大量内排空间(其中，西二露天矿释放内排空间931.83万m3，锗煤露天矿释放内排空间764.69万m3)，两矿可继续实现完全内排，避免外排额外征地，减少对矿山环境的扰动影响。
4.2 清理阶段划分
鉴于两矿间的现状台体稳定性差，加之地质灾害隐患体治理初期作业空间狭小，因此在本次治理工程中提出“逐层清理式”和“多台阶并行清理式”两阶段的清理方式。第1阶段以逐层进行清理的方式提高治理区的边坡稳定性，当治理区下部台阶满足多设备同时布置作业条件，第1阶段清理结束。然后进行第2阶段清理作业，即采用多台阶同时清理的方式加快作业进度，从而安全、高效地完成此次地质灾害隐患体清理工作，两阶段清理方式示意如图14所示。
4.2.1 “逐层清理式”清理阶段
在治理初期采用自上而下的“逐层清理式”清理作业方式，即从最上一个台阶按标准标高开始逐层清理，以减轻治理区滑体的上覆质量，为后续清理工作提供更好的安全作业条件，同时在“逐层清理”作业过程中，由于作业空间有限，布置设备数量相对较少，现场管理较为灵敏。此清理阶段将清理的第四系和新近系的松散土、腐植土用于西二露天矿内排土场顶部复垦，当清理至1 084 m水平后，治理区内上覆的松散体已经全部清除完毕。通过选取剖面对治理区南部较陡的边坡进行稳定性分析，经过刚体极限平衡法的计算，剖面的边坡稳定系数均满足安全储备系数1.2的要求，此时该处边坡处于稳定状态。
4.2.2 “多台阶并行清理式”清理阶段
当1 084 m水平之上的岩土体清理工作结束后，治理区南部的边坡处于稳定状态，此时下部台阶作业空间已满足多台阶同时布置设备作业条件，因而可采用“多台阶并行清理式”清理作业方式，多台阶同时作业，加快清理进度，清理工作线东西向布置，向南向北推进，直至地质灾害隐患体全部清理完毕。
考虑到运距因素，治理区1 084 m水平以下清理的岩土体最优回填方案则是就近回填至治理区南部的西二、锗煤内排土场底部，在治理初期运距是经济的、合理的。但从长远来看，地质灾害隐患体南部内排空间无法释放，且随着清理工作帮向北推进，排土场实现追踪内排。由于煤层顶、底板弱层的存在，导致在内排土场中形成潜在的滑移面，易使内排土场在后期的发展中，发生以圆弧为侧界面，以煤层顶、底板弱层为底界面的切层–顺层组合滑动。弱层的存在，给内排土场的稳定性留下严重的安全隐患，也直接威胁着两矿的采场安全。
因此在本次治理工程中，经上述分析决定，当施工区内1 084 m水平以上松散土体全部清理完毕后，如能在确保治理区边坡绝对稳定的前提下，则先将地质灾害隐患体南部的煤层顶底板弱层进行清理，消除内排土场发展的不稳定因素，并释放内排空间。然后再进行“多台阶并行清理式”清理作业，多台阶同时进行清理施工。
基于所选取剖面的稳定系数计算结果表明：当1 084 m水平以上岩土体清理完毕后，此时再对地质灾害隐患体南部的弱层进行清理，治理区清理工作帮边坡的稳定系数依旧能满足安全储备系数的要求，验证了此作业顺序的可行性。
4.3 内排土桥搭建参数确定
地质灾害隐患体南部的现状降深至煤层底板后，清理了该区域赋存的弱层，同时两矿释放了一定的内排空间，随着清理工作帮向北推进而实现追踪内排。而西二露天矿的原排土桥随着该矿正常剥采作业的发展目前已被挖断，如图15所示，西二露天矿的采场、内排土场之间的运输道路仅剩下两矿相邻处的2号运输连接桥(西二露天矿东帮与其内排土场之间有留沟，无法将清理的岩土体经东帮运输至西二露天矿内排土场)，因而在治理期间的运距显著增加，致使清理岩土体的运费陡增。同时考虑到在治理前期，锗煤露天矿所释放内排空间不足以满足清理岩土体回填的空间需求，需借助西二露天矿的内排土场进行回填，届时两矿将共用西二露天矿的内排土场，同样需利用2号运输连接桥将清理岩土体运输至西二露天矿的内排土场。为缓解两矿相邻处的2号运输桥道路运输通过能力不足的问题、缩短灾害治理期间西二露天矿运距，因而选择在西二露天矿境界内搭建临时排土桥。
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图 15 西二露天矿原排土桥位置Figure 15. Original location of the waste dump bridge in the West 2 open-pit mine搭建临时排土桥解决了清理岩土体由清理工作帮运输至内排土场运距过大的问题，很大程度缓解了2号运输桥的运输压力，并实现治理期间的双环运输。而搭桥的高度直接决定着经济效益，搭桥高度越高，后期的二次剥离量越高，产生费用越高，合理的搭桥高度服务多个运输平盘，可有效缩短运距，减少灾害治理费用，因此需要确定西二露天矿地质灾害隐患体治理期间搭建排土桥的关键参数，包括桥面宽度、搭建位置、搭桥高度。
4.3.1 桥面宽度
满足运输要求，并缓解道路运输压力，临时搭建排土桥应采用双车道设计，对应的桥面宽度应满足双车道卡车运输所需要的宽度[19]。根据露天矿运输道路设计要求，桥面的宽度示意如图16所示，桥面宽度的计算可由式(1)求得。
$$ B^{\prime}=2 A+2 Y+2 P+X $$ (1) 式中：$ B' $为桥面宽度，m；$ A $为卡车宽度，m；$ Y $为后轮外缘距路面边缘的距离，一般取0.4～1.0 m；$ P $为安全挡墙的宽度，一般采用1.5～2.0 m；$ X $为两车会车时需保持的安全距离，一般取0.7～1.7 m。
按照西二露天矿目前使用的卡车型号主要为TTM100A–C和SF31904(C)两种卡车型号，其尺寸分别为$ 10.84 \times 6.22 \times 5.18 $和$ 10.88 \times 6.27 \times 5.50 $，根据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》规定：行驶68 t以上的大型卡车双车道路面宽度，应包括养路设备作业宽度，可按3～4车体宽度设计。桥面宽度可通过式（2）计算：
$$ B' = 2 \times {\text{6}}{\text{.27}} + 2 \times {\text{1}} + 2 \times {\text{2}} + {\text{1}}{\text{.7}} + {\text{4}} \times {\text{6}}{\text{.27 = 45}}{\text{.32}} $$ (2) 经计算，设计桥面的宽度取46 m。
4.3.2 搭建位置
根据两矿现有运输系统、治理工程方案计划以及西二露天矿生产计划，提出搭建临时排土桥方案，以此重建运输系统、缩短运输距离、降低地质灾害隐患体治理费用，同时考虑搭桥位置尽量不影响治理期间的清理作业，避免治理期间的二次剥离，最后确定西二露天矿搭建临时排土桥的位置如图17所示。
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图 17 西二露天矿临时排土桥搭建位置示意Figure 17. Schematic diagram of the temporary dumping bridge location at the West 2 open-pit mine4.3.3 桥面高度
内排土桥搭建高度直接影响到桥体的服务范围和二次剥离量[20]。搭桥高度越高，桥体的服务范围越大，桥顶面水平以下的内排剥离物可以实现同水平运输，同时减少桥顶面上部的剥离平盘数量和反向运输，从而降低运费。然而，这将会产生更多的二次剥离量，增加剥离成本；相反，降低搭桥高度将减少二次剥离费用，但会导致排土桥顶面上部的剥离平盘数量增多，增加反向运输，并提高运输费用。
通过上述分析可知：二次剥离量随搭桥高度的增加而增加，致使二次剥离费用增加，同时反向运输随搭桥高度的增加而减少，导致运输费用降低。在这2个相互矛盾的因素共同作用下，从理论上可确定出一个最优搭桥高度，使得二次剥离费用与运输费用之和达到最小[21]。换言之，当桥顶面的高度超过此标高，总费用会因二次剥离量增加而增加；相反，低于此标高时，总费用则会因反向运输增加而增加。
(1) 二次剥离费用计算模型。
排土桥的桥面长度是由搭桥高度、沟底宽度共同决定的，临时排土桥剖面参数示意如图18所示。
搭桥长度${L_0}$为
$$ {L_0} = {H_{\text{q}}}\left( {\cot\; {\alpha _1} + \cot\; {\beta _1}} \right) + {L_{\rm{g}}} $$ (3) 式中：$ {H_{\text{q}}} $为搭桥高度，m；${L_0}$为搭桥长度，m；${\alpha _1}$为采场工作帮坡角，（°）；${\beta _1}$为排土场稳定帮坡角，（°）；$ {L_{\rm{g}}} $为沟底宽度，m。
根据排土桥的几何形状，可以分解为几个部分求解其体积后进行求和，如图19所示。
排土桥的体积计算可由式(4)进行计算：
$$ {V_{\rm{q}}} = {V_1} + 2{V_2} + {V_3} + 2{V_4} + 2{V_5} + {V_6} $$ (4) 分别计算出各部分体积后，整理得出临时排土桥的体积计算公式$ {V_{\rm{q}}} $为
$$ \begin{gathered} {V_{\rm{q}}} = \frac{1}{2}B'{H^2_{\rm{q}}}\left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + \frac{1}{3}{H^3_{\rm{q}}}\cot\; \theta\times \\ \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + {L_{\rm{g}}}{H_{\rm{q}}}\left( {B' + {H_{\rm{q}}}\cot\; \theta } \right) \\ \end{gathered} $$ (5) 式中：${V_{\rm{q}}} $为排土桥体积，m3；$\theta $为排土桥坡面角，（°）。
地质灾害隐患体治理期间所搭建的临时排土桥以连接西二采场和排土场的运输通道，缩短清理岩土体运输的运距，且随治理工作的结束而整体拆除，因此临时排土桥拆除过程中产生的二次剥离费用为
$$ {Q_{\rm{q}}} = {V_{\text{q}}}{C_1} $$ (6) 式中：$ {Q_{\rm{q}}} $为二次剥离费用，元；C1为单位二次剥离费用，元/m3。
(2)剥离物反向运输费用计算模型。
设通过新搭建排土桥进入内排土场的回填量为${V_{\rm{p}}} $(m3)，地表至煤层底板高度为${H_{\rm{b}}} $(m)，则剥离物反向运输的工程量${V_{\rm{F}}} $为
$$ {V_{\rm{F}}} = \frac{{{V_{\rm{p}}}\left( {{H_{\rm{b}}} - {H_{\rm{g}}}} \right)}}{{{H_{\rm{b}}}}} $$ (7) 式中：$ 0 < {H_{\rm{g}}} < {H_{\rm{b}}} $。
假定每立方米剥离物提升1 m费用为C2(元/m3·m)，那么剥离物反向运输产生的费用QF为
$$ {Q_{\rm{F}}} = \frac{{{C_2}{V_{\rm{P}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}{\left( {{H_{\rm{b}}} - {H_{\rm{g}}}} \right)^2} $$ (8) (3)最优搭桥高度确定计算模型。
排土桥搭桥高度为最优时，即二次剥离费用和反向运输费用之和最小，即：总费用$ {Q_{\rm{Z}}} = \min \left( {{Q_{\rm{q}}} + {Q_{\rm{F}}}} \right) $，对其整理得：
$$ \begin{array}{c} {Q_{\rm{Z}}} = {C_1}\left[ \begin{gathered} \frac{1}{2}B'{H^2_{\rm{q}}}\left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + \frac{1}{3}{H^3_{\rm{q}}}\cot\; \theta \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + {L_{\rm{g}}}{H_{\rm{q}}}\left( {B' + {H_{\rm{q}}}\cot\; \theta } \right) \\ \end{gathered} \right] + \dfrac{{{C_2}{V_{\rm{P}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}{\left( {{H_{\rm{b}}} - {H_{\rm{g}}}} \right)^2} \end{array} $$ (9) 总费用$ {Q_{\rm{Z}}} $与搭桥高度$ {H_{\text{q}}} $呈一元三次函数问题，则针对此函数的极值问题可转化为其导函数的零点问题。
对搭桥高度$ {H_{\text{q}}} $求导，整理后得：
$$\begin{array}{c} \dfrac{{{\mathrm{d}}{Q_{\rm{Z}}}}}{{{\text{d}}{H_{\text{g}}}}} = {C_1}\cot\; \theta \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right){H^2_{\text{g}}} + \left[ {{C_1}B'\left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + 2{C_1}{L_{\rm{g}}}\cot\; \theta + \dfrac{{2{C_2}{V_{\rm{p}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}} \right]{H_{\text{g}}} - 2{C_2}{V_{\rm{p}}} \end{array} $$ (10) 根据导函数的$\varDelta $可判断总费用$ {Q_{\rm{Z}}} $极值点情况，$\varDelta $的表达式计算整理如下：
$$ \begin{array}{c} \varDelta = {\left[ {{C_1}B'\left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + 2{C_1}{L_{\rm{g}}}\cot\; \theta + \dfrac{{2{C_2}{V_{\rm{p}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}} \right]^2} + 8{C_1}{C_2}\cot\; \theta {V_{\rm{p}}}\left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right)\end{array} $$ (11) 由$ \varDelta > 0 $可知，$ {Q_{\rm{Z}}} $必有极值点，结合二次剥离费用$ {Q_{\rm{q}}} $和反向运输费$ {Q_{\rm{F}}} $与搭桥高度$ {H_{\text{q}}} $的函数关系，$ {Q_{\rm{Z}}} $必有极小值。
对应$ {\left( {{Q_{\rm{Z}}}} \right)_{\min }} $的搭桥高度$ {H_{\text{q}}} $为
$$ \begin{gathered}\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad {H_{\text{q}}} = \\ \frac{{ - \left[ {{C_1}B' \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + 2{C_1}{L_{\rm{g}}}\cot\; \theta + \dfrac{{2{C_2}{V_{\rm{p}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}} \right]}}{{3{C_1}\cot\; \theta \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right)}} + \frac{{{{ \left\{ \begin{gathered} { \left[ {{C_1}B' \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) + 2{C_1}{L_{\rm{g}}}\cot\; \theta + \frac{{2{C_2}{V_{\rm{p}}}}}{{{H_{\rm{b}}}}}} \right]^2} + 6{C_1}{C_2}{V_{\rm{p}}}\cot\; \theta \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right) \\ \end{gathered} \right\}}^{\tfrac{1}{2}}}}}{{3{C_1}\cot\; \theta \left( {\cot\; {\beta _1} + \cot\; {\alpha _1}} \right)}} \\ \end{gathered} $$ (12) 根据西二露天矿生产实际以及对“整体挖除回填”治理方案的回填规划设计，经计算，最优搭桥高度为
$$ {H_{\text{q}}} = {\text{18}}{\text{.68}}\;{\mathrm{m}} $$ (13) 鉴于搭桥区域煤层底板较为平缓，平均标高为939 m，结合西二露天矿采场台阶的标准标高以及考虑桥面与排土场现状相连接，最终确定搭建临时排土桥的桥顶面标高为976 m，以清理的岩土体作为搭建运输桥的材料，所需体积为122.24万m3。西二露天矿临时排土桥搭建前后平面如图20所示，排土桥剖面示意如图21所示。
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图 20 西二露天矿搭建临时排土桥前后平面图Figure 20. Plan before and after the construction of temporary dumping bridge in the West 2 open-pit mine5. 结 论
1)通过刚体极限平衡法分析计算相邻端帮到界边坡台体不同位置剖面的稳定系数，判定滑坡风险区，明确地质灾害隐患体赋存位置及形态。6煤顶、底板弱层及贯穿台体的断层Fx4为影响台体边坡稳定性的主控因素，其边坡潜在的滑坡模式是以剪切圆弧为侧界面、以6煤顶底板弱层为底界面的切层−顺层组合滑动，台体东西侧选取所有剖面的稳定系数Fs<1.2，该台体处于不稳定状态。
2)提出地质灾害隐患体“整体挖除回填”治理方式，并据此完成两矿治理方案的整体设计。确定“整体挖除回填”治理方案作业范围是136.25 hm2，设计了治理完成时清理工作帮及内排土场边坡形态，清理工程量达5 319.84万m3，回填量4 518.34万m³，可彻底消除地质灾害隐患，并且西二露天矿释放内排空间931.83万m3，锗煤露天矿释放内排空间764.69万m3，两矿可继续实现完全内排。
3)完成“整体挖除回填”治理方案的详细研究。提出“逐层清理式”和“多台阶并行清理式”两阶段的清理方式，增强了治理区边坡稳定性，同时加快清理作业速度；在西二露天矿原排土桥位置处搭建临时排土桥用以连接采场和内排土场，桥面最高标高976 m，宽度46 m。
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图 3 西二、锗煤露天矿相邻端帮间梯形台体现状
Figure 3. Current situation of the trapezoidal terraces between the adjacent slopes of the West 2 and Zhemei open-pit mines
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图 4 西二、锗煤露天矿地表开采境界调整
Figure 4. Surface mining boundary adjustment of the West 2 and Zhemei open-pit mines
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图 5 相邻端帮到界边坡台体几何形态
Figure 5. Geometric shape of the terrace formed by the adjacent boundary slope
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图 6 相邻端帮到界边坡台体几何形态
Figure 6. Occurrence location of the terrace formed by the adjacent boundary slope
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图 7 相邻端帮到界边坡潜在滑坡模式示意
Figure 7. Schematic diagram of potential landslide mode from adjacent end slope to boundary slope
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图 8 各工程地质剖面位置及剖面形态
Figure 8. Location and profile shape of each engineering geological profile
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图 9 相邻端帮到界边坡台体典型剖面稳定性计算结果汇总
Figure 9. Summary of stability calculation results for typical sections of the platform formed by adjacent to the boundary slope
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图 12 两矿治理完成时清理工作帮、排土场边坡形态及选取的典型剖面位置
Figure 12. Shape of the cleaning work and the dump slope and the typical profile location selected when the two mines were completed
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图 13 治理完成后清理工作帮、排土场典型剖面边坡稳定系数计算结果汇总
Figure 13. Summary of calculation results of slope stability factors of typical profiles of cleaning work and waste dump after governance
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图 15 西二露天矿原排土桥位置
Figure 15. Original location of the waste dump bridge in the West 2 open-pit mine
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图 17 西二露天矿临时排土桥搭建位置示意
Figure 17. Schematic diagram of the temporary dumping bridge location at the West 2 open-pit mine
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图 20 西二露天矿搭建临时排土桥前后平面图
Figure 20. Plan before and after the construction of temporary dumping bridge in the West 2 open-pit mine
表 1 治理作业参数
Table 1 Construction parameters for governance work
项目 台阶高度/m 平盘宽度/m 坡面角/(°) 清理 12 45 65 西二内排 12 30/70组合平盘 35 锗煤内排 10 25 33 
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表 2 治理作业参数
Table 2 Construction parameters for governance work
项目 清理岩土量/
万m3清理煤量/
万t回填量/
万m3释放内排空间/
万m3西二露天矿 2 581.96 763.80 2 969.26 931.83 锗煤露天矿 1 347.03 627.05 1 549.08 764.69 合计 3 928.99 1 390.85 4 518.34 1 696.52
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1. 刘干. 预应力锚索加固技术在新岭露天煤矿的应用. 露天采矿技术. 2025(02): 27-30 . 
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