某露天礦內(nèi)排土場邊坡治理措施研究

呂擁軍 許 敏 馬明康

（1.山西煤炭運銷集團貓兒溝煤業(yè)有限公司；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室）

近年來，隨著露天礦的不斷發(fā)展，采剝工作的連續(xù)性變得尤為重要，尤其是排土工作，露天礦內(nèi)排土場由于其基底多為泥巖或其他弱層，其邊坡穩(wěn)定性較差，在治理過程中往往需要考慮諸多影響因素。王立超等［1］基于強度折減法，運用ABAQUS對邊坡穩(wěn)定性以及抗滑樁的加強作用進(jìn)行了研究；曾錦秀［2］基于上限法、平面剛架理論與彈性地基梁理論，對雙排樁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行解析；陳春梅［3］研究了樁徑和嵌固深度對彎矩和剪力的影響。

某露天礦內(nèi)排土場南側(cè)有行政福利區(qū)、工業(yè)廣場，行政福利區(qū)距內(nèi)排土場底部最小直線距離為43 m，工業(yè)廣場距內(nèi)排土場底部最小直線距離為20 m，該位置排土場邊坡高度為65 m，應(yīng)留設(shè)1.5倍邊坡高度的安全距離（97.5 m），因此，安全距離不滿足要求。為解決某露天礦內(nèi)排土場邊坡對周邊構(gòu)筑物的影響，制定抗滑樁、錨索加固方案，保證安全生產(chǎn)。

1 工程技術(shù)條件

礦田總體為單斜構(gòu)造，地層走向為NNE～NE，傾向為NW，地層產(chǎn)狀平緩，傾角為1°～2°，礦田上覆巖土層厚度為40～190 m，主采煤層為8#、9#、11#、12#、13#，受小窯開采影響，8#煤層有較大范圍的火區(qū)。露天礦巖層的巖性主要為太原組2層灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、泥巖等，巖性比較單一，屬半堅硬巖石類，構(gòu)造簡單，含水層屬弱含水層，易于疏干，軟弱夾層不甚發(fā)育，屬于二類一型勘查類型。

內(nèi)排土場臺階高度為10 m，平盤寬度為30 m，內(nèi)排土場邊坡整體坡角為16°，露天礦內(nèi)排土場基底為泥巖層，物理力學(xué)性質(zhì)較差，且受降雨及地下水影響，泥巖抗剪強度降低，內(nèi)排土場整體穩(wěn)定性降低，需重重新驗算排土場邊坡穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的邊坡治理措施。

首先歸納以往地質(zhì)資料的巖土試驗研究成果，再對露天礦內(nèi)排土場進(jìn)行工程地質(zhì)補充勘探，得到各層位巖石物理力學(xué)參數(shù)。采用與同類巖土類比及滑坡反分析法，確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

如圖1所示，本次治理方案所采用的計算剖面為NP1，NP1經(jīng)過生活區(qū)和行政福利區(qū)。對現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算（圖2），內(nèi)排土場安全系數(shù)為1.310，不滿足邊坡安全儲備系數(shù)的要求（根據(jù)相關(guān)規(guī)范，此類邊坡穩(wěn)定性系數(shù)須達(dá)到1.50以上）。

2 內(nèi)排土場邊坡治理措施

2.1 內(nèi)排土場邊坡治理措施適應(yīng)性評價

（1）削坡壓腳。結(jié)合內(nèi)排土場邊坡特征及露天礦現(xiàn)場生產(chǎn)情況，排土場最下部臺階距離行政福利區(qū)等構(gòu)筑物的距離較近，不適宜進(jìn)行壓腳，因此內(nèi)排土場不具備削坡壓腳的條件。

（2）疏干排水。內(nèi)排土場受自然氣候影響，地下水對排土場邊坡產(chǎn)生的影響有限，因此疏干排水不作為重點治理措施。

（3）支擋結(jié)構(gòu)。在削坡減載以及疏干排水方法無法增加坡體穩(wěn)定性的情況下，可通過加固結(jié)構(gòu)物如邊坡?lián)跬翂?、加固抗滑樁、混凝土連續(xù)墻、坡面柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨索及錨網(wǎng)等支護(hù)結(jié)構(gòu)，或通過生態(tài)手段，對坡體進(jìn)行綠化等措施，是滑坡治理中較常用的手段［3-5］。因此，針對內(nèi)排土場目前變形及破壞情況，需要研究支擋結(jié)構(gòu)對其穩(wěn)定性提升的效果。

2.2 抗滑樁加固方案設(shè)計

對內(nèi)排土場進(jìn)行抗滑樁加固，首先應(yīng)考慮的是滑弧所在的具體位置以及基底堅硬巖層的深度，從而確定抗滑樁加固的深度、位置以及加固效果。

在內(nèi)排土場坡體上施加抗滑樁后，松弛區(qū)的坡體會傾斜向下滑動而導(dǎo)致樁體受到擠壓，坡體位移將受到抗滑樁的抗滑力作用，抗滑樁產(chǎn)生形變，導(dǎo)致抗滑樁與巖土體之間產(chǎn)生向坡外位移的趨勢，隨著排土場及排土工作的發(fā)展，這種情況會更加明顯［6］。坡體作用在柱上的壓力荷載由坡體的合推力以及次要土拱效應(yīng)的摩阻力構(gòu)成，同時，樁身會產(chǎn)生對坡體的反作用力，從而使支擋坡體達(dá)到并保持其穩(wěn)定的效果。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算并結(jié)合現(xiàn)場實際，抗滑樁的施工主要分為3個步驟：

首先是抗滑樁施工前的準(zhǔn)備。在內(nèi)排土場需要提前通過TRK儀器確定抗滑樁加固的位置，平整排土場地以便于安裝井架及鋪設(shè)出碴便道，抗滑樁區(qū)域必須做好排水及其他保護(hù)措施，確保正常施工［7-9］。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性計算確定好邊坡的抗滑樁施工設(shè)計，根據(jù)抗滑樁孔位十字線進(jìn)行施工放點，同時需要考慮抗滑樁加固時存在的誤差，四周分別增加5 cm。

第二步是抗滑樁樁身部位的施工。樁井施工時先打通中部部位，然后打通井壁周圍部分，施工過程中需要時刻記錄現(xiàn)場施工地質(zhì)情況，尤其是排棄物料的賦存狀態(tài)，為保證樁井開挖安全和護(hù)壁質(zhì)量，樁井通過邊挖邊護(hù)壁的方法加固，護(hù)壁長度按每節(jié)1.5 m設(shè)置，在滑動面處需保持其連續(xù)性，在灌注護(hù)壁混凝土前，清理井壁周圍多余的土體，保證護(hù)壁硅與圍巖緊密貼合，在內(nèi)排土場坡體滑動面處應(yīng)增加護(hù)壁鋼筋，澆筑混凝土?xí)r要做到對稱和四周均勻搗固，防止模板偏移，井內(nèi)開挖必須在上節(jié)護(hù)壁混凝土終凝后進(jìn)行［10］。

第三步是樁身混凝土灌注。進(jìn)行鋪底與鋪軌工作，保持內(nèi)排土場邊坡上的抗滑樁井內(nèi)清潔，防治生銹腐蝕，延長其使用壽命。

抗滑樁布設(shè)在900 m平盤，按5 m間距，共布設(shè)3排，每排抗滑樁數(shù)量為40，每列抗滑樁間距為10～20 m，具體布設(shè)可根據(jù)現(xiàn)場地形進(jìn)行微調(diào)（圖3）。經(jīng)抗滑樁加固后的內(nèi)排土場邊坡安全系數(shù)為1.512，滿足安全儲備系數(shù)要求（圖4）。

2.3 錨索加固方案設(shè)計

將錨桿或錨索固定到邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定巖體中，運用其錨固作用將不穩(wěn)定的滑坡體與內(nèi)部穩(wěn)定巖土形成一個整體，通過改變邊坡的受力狀態(tài)來增強滑坡體的抗滑力，提高邊坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，內(nèi)排土場錨索的布置方式通過極限平衡計算方法及實際情況確定，錨索間距需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行設(shè)計，首先預(yù)應(yīng)力錨索是群錨機制，錨索間距過大或過小，受力均無法達(dá)到均衡，承受的下滑力就會偏低，抗滑力也將降低，且經(jīng)濟性也不合理。

根據(jù)以往研究成果，當(dāng)錨索間距過小時，錨孔間距較近，應(yīng)力過于集中會使得錨孔周圍的巖體承受較大的載荷，造成松弛區(qū)的塌陷，影響錨固效果。根據(jù)以上因素綜合考慮，最佳的錨索間距取值范圍為3～6 m，且最小間距不應(yīng)小于1.5 m。綜合以上因素，并結(jié)合邊坡實際情況，確定本工程錨索間距為6 m，排距為4.5 m（圖5）。

錨索自由段長度受內(nèi)排土場坡體滑動面下堅固巖體埋深的控制，根據(jù)行業(yè)設(shè)計規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)應(yīng)力錨索自由段應(yīng)超過滑動面的長度不小于1.5 m。通過穩(wěn)定性分析確定了潛在滑移面的埋深，經(jīng)錨索加固后的內(nèi)排土場邊坡安全系數(shù)為1.525，滿足安全儲備系數(shù)要求（圖6）。

以上2種加固方法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均滿足安全儲備系數(shù)1.50的要求，但通過經(jīng)濟對比可知，抗滑樁加固成本遠(yuǎn)大于錨索施工加固，因此，最終確定采用錨索加固方案，且錨索加固施工不易受地形等限制，在治理過程中需注意凍融期及汛期施工問題，避免混凝土澆筑不充分而導(dǎo)致加固效果降低。要驗證加固效果，還需對治理后的邊坡進(jìn)行實時監(jiān)測，并分析監(jiān)測成果。

3 內(nèi)排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)完善

內(nèi)排土場緊鄰行政區(qū)和生活區(qū)，其邊坡穩(wěn)定性尤為重要，結(jié)合貓兒溝露天礦生產(chǎn)實際及監(jiān)測點布設(shè)情況，內(nèi)排土場目前監(jiān)測點均為人工監(jiān)測點，測量周期長，且存在一定的誤差性，不能實時監(jiān)測內(nèi)排土場邊坡變化情況，因此需增加GNSS自動監(jiān)測點，對內(nèi)排土場邊坡進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測點布設(shè)見圖7。

共布設(shè)9條監(jiān)測線，其中JCX1、JCX2主要用于監(jiān)測沙萬新村上方內(nèi)排土場區(qū)域邊坡，JCX3～JCX7用于監(jiān)測行政福利區(qū)上方內(nèi)排土場區(qū)域邊坡，JCX8與JCX9用于監(jiān)測韓河公路上方邊坡，各監(jiān)測線上各布設(shè)3個監(jiān)測點，共計27個，為保證實時掌握治理后邊坡變形情況，需每日對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并對異常數(shù)據(jù)現(xiàn)場核實，派專人進(jìn)行現(xiàn)場核查與巡視。

4 結(jié) 論

內(nèi)排土場邊坡上部已進(jìn)行部分綠化復(fù)墾工作，因此不具備削坡條件，下部距行政福利區(qū)距離較近，也不具備壓腳條件，因此只考慮加固的方案措施。加固后邊坡穩(wěn)定系數(shù)可提升至1.5以上，通過抗滑樁及錨索加固設(shè)計，可有效提升邊坡抗滑力，提升整體穩(wěn)定性。