肖 平，馮 萍，王雪峰，張千宇，薛喜坤

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113001）

為推動(dòng)撫順西露天礦綜合治理和整合利用，國(guó)家發(fā)改委指導(dǎo)中咨公司配合遼寧省和撫順市，從東北振興的全局、遼寧振興和撫順轉(zhuǎn)型的大局出發(fā)，開展撫順西露天礦綜合治理和整合利用方案研究。形成了《撫順西露天礦綜合治理和整合利用總體思路》，提出了采用“回填壓腳、覆蓋滅火、疏截蓄用”與“生態(tài)修復(fù)”相結(jié)合的多災(zāi)并治方式對(duì)礦坑進(jìn)行綜合治理。

1 礦區(qū)概況

1）自然條件。撫順西露天礦坑位于渾河河床南面與丘陵山地北面所夾的狹長(zhǎng)平原上，地形較緩，地勢(shì)較低，地面標(biāo)高在+70～+80 m，總趨勢(shì)是東北高，西南略低，地形坡度為2‰左右。屬北中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，受西伯利亞及蒙古高原寒冷氣流和黃海暖濕氣流的影響，夏季炎熱多雨，冬季漫長(zhǎng)寒冷[1]。全年平均降雨量為808.1 mm，多集中在7、8 月份。煤田北側(cè)的渾河為撫順市的主要水系干流；東部有海新河；西部有古城子河；南側(cè)千臺(tái)山坡下為人工河-楊柏河，存在河卵石層，滲透性良好[2]。

2）工程地質(zhì)條件。礦坑北幫由上至下共有3 個(gè)巖層單元，依次為為第四系松散層組合單元、綠色泥巖與褐色頁(yè)巖互層組合單元和硬巖巖組單元。北幫褶曲構(gòu)造分為煤田牽引向斜和復(fù)式褶曲共2 級(jí)。南幫區(qū)內(nèi)有2 個(gè)巖土工程地質(zhì)單元，上部為第四系松散層工程地質(zhì)單元，下伏基巖層工程地質(zhì)單元。對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的較大斷裂構(gòu)造主要有F1A、F1、F2、和F5斷層[3]。

2 礦坑地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理

經(jīng)過(guò)百余年的生產(chǎn)，撫順西露天礦因其特殊的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)環(huán)境、邊坡幾何參數(shù)和形態(tài)及下部井工生產(chǎn)影響等因素，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。退煤閉坑后，如不進(jìn)行治理，其地質(zhì)災(zāi)害和安全隱患仍會(huì)長(zhǎng)期存在，其中滑坡災(zāi)害和自然發(fā)火是西露天礦主要的災(zāi)害類型。

2.1 礦坑邊坡破壞機(jī)理

通過(guò)選取典型剖面對(duì)礦坑邊坡的數(shù)值模擬，結(jié)合前期的工程地質(zhì)調(diào)查成果，將北幫研究區(qū)域劃分成3 個(gè)工程地質(zhì)區(qū)域，每一區(qū)域的潛在滑坡模式及控制因素如下：

1）單斜構(gòu)造-斷層發(fā)育區(qū)。通過(guò)對(duì)E1100 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域巖體為逆傾單斜構(gòu)造、斜切坡面的小斷層發(fā)育程度較高、坡面滲水明顯、局部邊坡的臺(tái)階高度較高、臺(tái)階坡面角較大、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜巖體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，當(dāng)節(jié)理裂隙與斷層在傾向上相交構(gòu)成楔體的2 個(gè)底滑面，且滑面上的剪力均平行于底滑面的交線，滑面上的剪力大于其最小抵抗力時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)楔體破壞的現(xiàn)象，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為受節(jié)理面和斷層面共同影響的“楔體破壞”式。主要控制因素為地下水和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

2）復(fù)式褶曲區(qū)。通過(guò)對(duì)E1800 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域上部臺(tái)階出露褶曲構(gòu)造，受其影響局部巖層順傾，巖層的傾角達(dá)到37°。由于綠泥巖巖組中存在褐色頁(yè)巖泥化夾層，該夾層遇水極易泥化力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)降低，形成滑動(dòng)面，易在坡角處形成剪出，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為后緣坐落，前緣沿泥化夾層剪出的“坐落滑移破壞”。主要控制因素為地下水和不利的邊坡巖體產(chǎn)狀。

3）單斜構(gòu)造-斷層不發(fā)育區(qū)。通過(guò)對(duì)E3400 剖面數(shù)值模擬分析可知：研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，巖體主要為逆傾，局部邊坡的臺(tái)階高度較高、臺(tái)階坡面角較大，綠泥巖巖組中存在褐色頁(yè)巖泥化夾層，受長(zhǎng)期風(fēng)化作用的影響，巖石力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)降低，將出現(xiàn)局部的片幫、垮落現(xiàn)象，受地下水的長(zhǎng)期浸泡的影響，褐色頁(yè)巖泥化夾層力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)急劇下滑，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的陡傾角逆傾邊坡出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，即該區(qū)域邊坡的破壞模式主要為“傾倒破壞”式。主要控制因素為地下水和坡面巖性。

2.2 礦坑煤層自然發(fā)火機(jī)理

煤的氧化自燃過(guò)程分3 個(gè)階段，即潛伏階段、自熱階段、燃燒階段。煤體要發(fā)生自燃必須具備以下4個(gè)條件：①具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤以破碎狀態(tài)存在；②有大于12%氧含量的空氣通過(guò)這些碎煤；③空氣流動(dòng)速度適中，使破裂煤體有積聚氧化熱的環(huán)境；④在上述3 個(gè)條件同時(shí)具備的狀態(tài)下，持續(xù)一定的時(shí)間，使煤體達(dá)到著火溫度[4]。

西露天礦煤層吸氧量在0.71～1.3 cm3/g，平均值為0.989 cm3/g，為Ⅰ級(jí)容易自然發(fā)火。煤的自然發(fā)火期為3～6 個(gè)月，屬于自燃發(fā)火危險(xiǎn)的礦井。原生煤體暴露在空氣中，雖有足夠的氧氣接觸，但不具備聚熱條件，因此，煤層本身不易產(chǎn)生自然發(fā)火。

2.3 油頁(yè)巖層自然發(fā)火機(jī)理

油頁(yè)巖自燃主要分3 個(gè)階段，即潛伏階段、蒸餾階段、自燃階段[5]。油頁(yè)巖自燃有3 個(gè)特點(diǎn)：①油頁(yè)巖含有大量活性物質(zhì)，氧化性強(qiáng)，常溫下自燃傾向性較嚴(yán)重。油頁(yè)巖體含水量大，排棄堆積過(guò)程中油頁(yè)巖體大面積暴露，巖體內(nèi)的大量固有水分迅速蒸發(fā)脫離，巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸附氧氣的能力增強(qiáng)，為自燃發(fā)火創(chuàng)造了條件；②油頁(yè)巖排棄物松散系數(shù)大于1.3，孔隙率大，油頁(yè)巖與氧氣充分接觸，因此氧化發(fā)熱速度快，自燃發(fā)火突發(fā)性強(qiáng)；③當(dāng)外界空氣流速較大時(shí)，能為油頁(yè)巖提供充分的氧氣條件。所以油頁(yè)巖自燃發(fā)火有明顯的季節(jié)性，主要發(fā)生在秋、冬2 個(gè)季節(jié)[6]。

油頁(yè)巖的主要成分包括油母、水分和礦物質(zhì)，其本身的長(zhǎng)期低溫氧化即導(dǎo)致自然發(fā)火，自然發(fā)火過(guò)程受其產(chǎn)生的氧化熱與傳導(dǎo)熱和對(duì)流形成的熱擴(kuò)散之間平衡狀況的制約。因此油頁(yè)巖的含油率、破碎程度以及周圍的空氣流通程度、溫度、濕度等都對(duì)油頁(yè)巖自然發(fā)火有著很大的影響。

2.4 滑坡-火災(zāi)鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化關(guān)系及礦坑災(zāi)害分區(qū)

1）滑坡-火災(zāi)鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化關(guān)系。單一災(zāi)害的產(chǎn)生、發(fā)展并不是孤立的，各災(zāi)種之間往往存在鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化關(guān)系。礦坑火災(zāi)造成邊坡下部空化和巖體力學(xué)性質(zhì)的改變；滑坡又為自然發(fā)火提供了供氧通道和較為封閉的蓄熱環(huán)境。

2）礦坑災(zāi)害分區(qū)。撫順西露天礦北幫雖為采掘場(chǎng)最終邊坡，但是閉坑后即將進(jìn)行綜合治理，現(xiàn)存邊坡暴露時(shí)間較短，根據(jù)GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范綜合考慮，短期內(nèi)安全儲(chǔ)備系數(shù)選定為1.20，待國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃的綜合治理方案實(shí)施后，邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)須達(dá)1.50 以上。通過(guò)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，E1200 剖面整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.22，E1700為 1.29，E1800 為 1.22，E2300 為 1.21，E2600 為1.26，E2700 為1.25，所有剖面穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.20，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。對(duì)于下部局部高段邊坡，E1200 剖面局部邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.20，E1700 為1.27，E1800 為1.22，E2300 為1.13，E2600 為1.14，E2700 為1.16。E1200 至E1800 剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于1.20，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求；E2300 至E2700 剖面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.20，安全儲(chǔ)備系數(shù)不足。

通過(guò)分析西露天礦邊坡變形機(jī)理、煤層、油頁(yè)巖層自然發(fā)火的影響，滑坡-火災(zāi)鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)化關(guān)系，以不同控制因素下邊坡采取的治理措施不同，將礦區(qū)分為自然發(fā)火區(qū)和邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)。

3 綜合治理整合利用方案

通過(guò)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)資料的收集和整理，研究了邊坡的變形機(jī)理、自然發(fā)火機(jī)理和主要控制因素，并對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火區(qū)溫度監(jiān)測(cè)和邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，綜合確定自然發(fā)火區(qū)域和邊坡潛在不穩(wěn)定區(qū)域范圍，提出相應(yīng)的治理方案，并結(jié)合地下水疏干、生態(tài)修復(fù)及礦坑監(jiān)測(cè)保障等措施，提升礦坑綜合治理安全質(zhì)量和綠色生態(tài)水平。

3.1 潛在不穩(wěn)定區(qū)治理方案

針對(duì)局部邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)不足的情況，在保證整體邊坡穩(wěn)定性滿足安全儲(chǔ)備要求的前提下，采取削坡減載的方式對(duì)局部高陡邊坡進(jìn)行治理，降低局部臺(tái)階高度，提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，使得治理后的局部邊坡、整體邊坡均滿足安全儲(chǔ)備要求[7]。

3.2 自然發(fā)火區(qū)治理方案

1）清除火根方案。用清除火根法對(duì)火根位置相對(duì)明確及火根埋藏相對(duì)較淺的火區(qū)采用工程設(shè)備對(duì)該區(qū)域進(jìn)行挖掘，將可燃物和火根一并清除，根治自燃發(fā)火；淺層火區(qū)主要為到界端幫煤層表層一定影響范圍，厚度約為20～30 m。火根清除后，采取回填物料掩埋壓腳方式提升邊坡穩(wěn)定性[8]。

2）注漿灌漿方案。注漿灌漿法主要針對(duì)地下火根面積大、數(shù)量多、火根清除困難的火區(qū)進(jìn)行打孔注漿，使?jié){液充填到可燃物堆積體內(nèi)的空隙中，并使之駐留在空隙內(nèi)，從而使可燃物與空氣隔絕，則可以切實(shí)達(dá)到防治其自燃的目的。注漿消火法主要對(duì)到界端幫煤層50～100 m 范圍內(nèi)自燃災(zāi)害治理[9]。

3.3 地下水疏干方案

綠色泥巖與褐色頁(yè)巖互層結(jié)構(gòu)的北幫巖體，形成分層含水體，初步估計(jì)含水層達(dá)30 多層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用布設(shè)疏干孔得方式，由上至下布設(shè)3 排水平疏干孔，分別為-52 m 水平、-85 m 水平、-114 m水平。為使鉆孔內(nèi)的水外流方便，鉆孔應(yīng)有3°～8°向外傾斜的坡度，這樣還可以自清孔中的泥沙，鉆孔直徑一般為120～200 mm，孔深超過(guò)潛在滑面20 m。

3.4 生態(tài)修復(fù)方案

通過(guò)東露天礦至西露天礦坑電鐵排土線路對(duì)位于礦坑西端幫28-5 電鐵排土線W1500-W1300，+70水平進(jìn)行回填儲(chǔ)備，規(guī)劃生態(tài)修復(fù)面積計(jì)劃10 萬(wàn)m3；主要修復(fù)工程：場(chǎng)地回填整形、客土覆土0.5 m、栽植喬木、灌木等樹種，建設(shè)噴灌系統(tǒng)及日常管護(hù)，建設(shè)土壤修復(fù)試驗(yàn)區(qū)和示范區(qū)。

3.5 礦坑監(jiān)測(cè)保障方案

1）邊坡監(jiān)測(cè)方案。在礦坑南幫設(shè)置雷達(dá)對(duì)北幫邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置GPS 監(jiān)測(cè)線和巖移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成覆蓋全礦坑的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)成果及GPS 監(jiān)測(cè)成果，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定狀況分析，并對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)成果實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警，根據(jù)預(yù)警信息，提前將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和作業(yè)設(shè)備撤出邊坡危險(xiǎn)區(qū)域，避免整個(gè)治理過(guò)程中發(fā)生安全事故，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和作業(yè)設(shè)備的安全。

2）水災(zāi)監(jiān)控方案。在治理工程期間，將勘查孔作為觀測(cè)孔對(duì)水位進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)掌握水位變化，及時(shí)預(yù)警，保障作業(yè)安全。

3）火災(zāi)監(jiān)控方案。采用二維陣列紅外熱成像探測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)溫度異常區(qū)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有記錄、儲(chǔ)存、閾值報(bào)警、無(wú)線上傳等功能，能實(shí)現(xiàn)溫度異常區(qū)精準(zhǔn)定位，分析結(jié)果實(shí)時(shí)上傳。

4 結(jié)語(yǔ)

西露天礦礦坑綜合治理投資額度大、治理周期長(zhǎng)、工程措施復(fù)雜，是一個(gè)世界性難題，沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以復(fù)制，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，既刻不容緩，又要穩(wěn)扎穩(wěn)打?，F(xiàn)階段必須統(tǒng)籌考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)和近期治理階段任務(wù)，既要做好頂層設(shè)計(jì)、科學(xué)規(guī)劃，又要做好近期的治理工作。根據(jù)礦坑災(zāi)害的調(diào)查與機(jī)理分析，有針對(duì)性地確定各區(qū)域的治理方案，保障礦坑生態(tài)環(huán)保安全，為下一步整體方案的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。