張艷博，李占，康志強(qiáng)

(1.河北聯(lián)合大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

隨著我國(guó)露天采場(chǎng)逐年加深，邊坡暴露的高度、面積以及維持的時(shí)間也在不斷增加，導(dǎo)致露天采礦邊坡滑坡失穩(wěn)事故頻發(fā)，不僅擾亂了礦山的正常生產(chǎn)秩序，致使國(guó)家的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)蒙受巨大損失，而且對(duì)作業(yè)人員的生命安全也構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，如何有效地分析露天煤礦邊坡工程的穩(wěn)定性，做出科學(xué)的預(yù)測(cè)，采取有效的防治措施，是日益突出和亟待解決的重要技術(shù)難題。

1 勝利露天礦邊坡滑坡的嚴(yán)重性

勝利一號(hào)露天煤礦位于勝利煤田中西部，是勝利煤田的主要采煤區(qū)。礦山經(jīng)過(guò)多年露天開(kāi)采，截止到2006年底，己形成南北長(zhǎng)約1.8 km，東西寬約0.9 km的采坑，邊坡高 50～60m。自2005年以來(lái)，勝利露天煤礦一采區(qū)采場(chǎng)東部非工作幫和北部端幫，已多次發(fā)生不同規(guī)模的滑落、坍塌，給生產(chǎn)組織造成極大影響。

(1)東部非工作幫2005年3月形成，邊坡高度近50m。2005年5月，非工作幫中部坡面松散巖體發(fā)生大面積的滑落，造成東部排水溝被埋后被迫改道，地表疏干系統(tǒng)也受到嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致部分疏干井報(bào)廢?；潞笤撨吰缕碌紫蛭骰瑒?dòng)位移51 m，坡頂滑落31 m，滑動(dòng)面積2.51×104m2，最大落差達(dá)13 m，滑體方量為3.35×105m3。

(2)北端幫形成于2005年9月底，邊坡高度37 m。2006年2月發(fā)現(xiàn)平行端幫的裂縫，至6月初，裂縫延伸長(zhǎng)度達(dá)150 m，裂縫寬0.10～0.23 m，8月北部端幫突發(fā)較大范圍的滑坡，北端幫出入溝道路全部毀壞，NB2、NB3、NB4三口疏干井報(bào)廢，同時(shí)其他疏干井、6 kV的高壓線路及YB-2變電站受到威脅。

隨著勝利露天煤礦進(jìn)一步的開(kāi)拓和延伸，邊坡的問(wèn)題將更為突出，它已經(jīng)成為制約露天煤礦安全與生產(chǎn)的重要因素。根據(jù)開(kāi)采計(jì)劃，露天煤礦6煤層出露，向深部開(kāi)挖90 m，形成的邊坡高度將達(dá)到150 m。如不及時(shí)對(duì)現(xiàn)有邊坡進(jìn)行治理，進(jìn)行試驗(yàn)段的全面、系統(tǒng)研究，提出必要的、切實(shí)可行的防治對(duì)策，露天煤礦的生產(chǎn)將難以順利進(jìn)行，生產(chǎn)安全難以保障。

2 勝利露天礦邊坡滑坡類型

自2005年以來(lái)，勝利露天煤礦采場(chǎng)東部非工作幫、北部端幫、南部出入溝道路，已多次發(fā)生不同規(guī)模的滑落、坍塌。其中規(guī)模較大、對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響的滑坡有五處，分別為非工作幫DH1、DH2、DH3、DH4和北幫BH1，滑坡平面分布分別見(jiàn)圖1～圖2，歸納滑坡類型主要有以下幾種：

圖1 非工作幫滑坡平面分布圖

圖2 北端幫滑坡平面分布圖

(1)松散層滑坡。由于礦區(qū)巨厚的剝離層土性差異，存在軟弱夾層，邊坡開(kāi)挖，應(yīng)力重新分布，同時(shí)，在地下水的作用下而造成的依附軟弱夾層的邊坡整體滑動(dòng)?；w基本為第四系松散覆蓋層，灰白、淺黃色粉砂細(xì)砂為主，底部夾薄層黏土或砂礫層?；鏋榈谒南档捉缑妫茍A弧形滑面。主要表現(xiàn)為巖體沿層間軟弱夾層發(fā)生整體性滑移破壞，勝利露天煤礦的DH1滑坡屬此類滑坡。

(2)基巖接觸面滑坡。由于礦區(qū)基巖系白堊系砂泥巖互層，具有隔水性質(zhì)，基巖頂面富水，軟化巖土體，降低抗剪強(qiáng)度，依附基巖頂面產(chǎn)生滑動(dòng)。勝利露天煤礦的DH2、DH3、DH4、BH1滑坡屬此種類型。

(3)順層基巖滑坡。隨著礦區(qū)開(kāi)采深度的增加，邊坡高度加大，自重應(yīng)力增大，而產(chǎn)生依附基巖內(nèi)軟弱夾層的滑動(dòng)。目前未見(jiàn)此類滑坡，但隨著邊坡高度的增加，有可能出現(xiàn)此類滑坡。

3 影響滑坡的主要因素

(1)地質(zhì)構(gòu)造。北端幫的地質(zhì)構(gòu)造是造成滑坡的根本因素。受“棋盤格局”地質(zhì)構(gòu)造控制(北端幫密集發(fā)育一組等間距的高角度階梯式正斷層，斷距0.2～1.2 m；同時(shí)在西工作幫出露一組逆沖斷層，走向東西，傾角45～50°；這兩組近乎正交的斷層所形成的“棋盤格局”構(gòu)造)。

(2)地層巖性。上部第四系砂土層，松散；中部泥巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低；下部5煤層，節(jié)理、裂隙發(fā)育，質(zhì)輕、易脆；煤層中發(fā)育了一薄層煤矸石，此煤矸石主要由炭質(zhì)泥巖組成，在煤系承壓水的軟化作用下，強(qiáng)度極低，為北端幫滑坡的發(fā)生提供了軟弱滑動(dòng)面。

(3)工程荷載。北端幫頂部通道運(yùn)輸設(shè)備的振動(dòng)影響，致使邊坡失穩(wěn)而導(dǎo)致滑坡形成。

(4)水的作用。地表水通過(guò)坡頂和坡體兩側(cè)發(fā)育的裂縫流入坡體內(nèi)，使得裂紋發(fā)育處巖體強(qiáng)度急劇降低，為滑坡的發(fā)生提供了軟弱滑動(dòng)帶。北端幫第四系底部砂礫石層大部分與下部白堊系泥砂巖直接接觸，當(dāng)有大氣降水時(shí)，就會(huì)透過(guò)第四系滲入結(jié)構(gòu)面，使其力學(xué)強(qiáng)度降低而形成滑面。

(5)采礦活動(dòng)影響。采礦活動(dòng)是北端幫滑坡的激發(fā)因素。隨著開(kāi)采的深入，邊坡變高、變陡，邊坡底部剪應(yīng)力越來(lái)越大。采坑向深部開(kāi)采為邊坡變形破壞提供了臨空面。

4 滑坡機(jī)理分析

東部非工作幫南區(qū)DH1上部第四系松散體，在水(地表水下滲、錫林河滲流、坡腳水倉(cāng)毛細(xì)水上升)的作用下后緣錯(cuò)落，先是沿第四系底界面向前滑移，中部和前緣在主滑段推力作用下，從坡腳強(qiáng)風(fēng)化泥礫巖處剪出破壞(圖3)。

東部非工作幫中區(qū)(DH2)、和北區(qū)滑坡(DH3、DH4)，主要受巖性組合和水(降水入滲、錫林河滲流)的影響，采坑坡頂疏干井未完全疏干，使得大量的第四系水向坑內(nèi)滲流，降低了不整合面泥巖的強(qiáng)度。在第四系水的軟化作用和滲流作用下，邊坡沿第四系砂層與白堊系泥巖沉積界面發(fā)生滑動(dòng)，使得邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)(圖4)，破壞了前緣運(yùn)輸便道。此類滑坡的演化模式是：切坡使坡腳應(yīng)力重新分配，邊坡首先沿白堊系泥巖沉積界面發(fā)生滑動(dòng)導(dǎo)致坡頂拉裂，坡內(nèi)剪切面逐步形成，在誘發(fā)因素(暴雨、長(zhǎng)歷時(shí)降雨等)作用下，滑動(dòng)面貫通而劇滑致災(zāi)。

5 勝利露天煤礦滑坡災(zāi)變演化數(shù)值模擬分析

(1)干燥條件邊坡

非線性大變形有限差分軟件FLAC計(jì)算結(jié)果，如圖5和圖6可知，第四系松散體邊坡呈現(xiàn)為坐落式沉陷弧形破壞滑動(dòng)，在滑動(dòng)邊坡頂部出現(xiàn)明顯的張拉裂縫，待滑動(dòng)面上鎖固段臨界值被剪斷后，表現(xiàn)為沿坡腳剪出破壞形式。該類型邊坡滑坡表現(xiàn)為上緣拉裂、中部鎖固和下緣滑移剪出的三段式災(zāi)變演化模式。

圖3 DH1滑坡工程地質(zhì)剖面圖

圖4 滑坡工程地質(zhì)剖面圖

圖5 第四系松散體滑坡水平位移場(chǎng)圖

圖6 第四系松散體滑坡破壞場(chǎng)圖

圖7 飽水邊坡雨水滲流場(chǎng)圖

圖8 飽水邊坡滑坡水平位移場(chǎng)圖

(2)雨水作用下的邊坡

由模擬圖7和圖8可知，在雨水入滲條件下，第四系松散體飽水邊坡較干燥邊坡，沉陷弧形破壞的范圍和位移量大大增加，說(shuō)明在雨水入滲軟化作用下，將進(jìn)一步加劇邊坡滑動(dòng)破壞的程度。

6 滑坡加固方案穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

6.1 加固方案

根據(jù)對(duì)勝利露天煤礦滑坡的機(jī)理分析，確定使用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁控制技術(shù)，同時(shí)結(jié)合高壓劈裂注漿技術(shù)，即采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術(shù)來(lái)綜合加固邊坡，具體布置見(jiàn)圖9。采用這一技術(shù)，既充分發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又通過(guò)高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠?qū)嵤┹^高的張拉力。充分發(fā)揮張拉作用對(duì)巖土體的擠壓作用，可增加邊坡的抗滑能力，提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)維護(hù)邊坡穩(wěn)定起到較好的加固效果。

6.2 效果模擬

為了達(dá)到最好的加固效果，采用數(shù)值分析方法模擬了三種邊坡加固方案進(jìn)行對(duì)比分析：①干燥狀態(tài)；②采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固技術(shù)；③預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固技術(shù)。

從三種方案的位移分布圖10來(lái)看，邊坡在無(wú)加固狀態(tài)下水平位移最大。采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁，雖然也可以控制邊坡穩(wěn)定，但水平位移場(chǎng)分布則向滑面附近運(yùn)移。而采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿下邊坡的水平位移最小，控制效果較好。另外，根據(jù)剪位移分布，在不加固狀態(tài)下，邊坡沿坡前端的滑面發(fā)生明顯的剪切滑移，而采用高壓劈裂注漿下滑動(dòng)面的剪切應(yīng)力最小，而且分布范圍明顯減小，由此作用下產(chǎn)生的剪切位移值也是最小的，控制滑坡效果顯著。

由圖11可以看出，不加固狀態(tài)下邊坡的破壞區(qū)域很大，在前段出現(xiàn)拉破壞集中區(qū)，為滑坡體，中間段也出現(xiàn)拉破壞，會(huì)出現(xiàn)拉裂縫，后緣則出現(xiàn)拉裂破壞，這與現(xiàn)場(chǎng)的變形破壞規(guī)律是一致的。采用高壓劈裂注漿下的邊坡塑性破壞范圍明顯減小，這主要是因?yàn)樽{增加錨固體周圍圍巖巖體強(qiáng)度，提高圍巖因錨索張拉而產(chǎn)生的拉破壞和剪切破壞。

綜合以上數(shù)值模擬分析結(jié)果，采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固措施下的邊坡力學(xué)性態(tài)最好，可以有效控制邊坡的變形破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)體的有效控制。

7 工程應(yīng)用

為有效控制邊坡，進(jìn)一步防止滑坡災(zāi)變的發(fā)生，在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)勝利露天礦潛在滑坡區(qū)(已出現(xiàn)一定數(shù)量的張裂縫)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，具體方案為：

(1)疏水

由于水是導(dǎo)致東部非工作幫導(dǎo)致滑坡的主要因素，故對(duì)非工作幫潛在滑坡區(qū)加強(qiáng)疏排降水措施，在距離非工作幫坡口一定距離(20～50m)，修建地表排水溝；地下標(biāo)高950～960 m位置，修建排水廊道，將地下水位降低到危險(xiǎn)面或滑動(dòng)面以下。涵洞尺寸2m×2 m，涵洞頂部做成拱形，拱高0.5 m利于受力，涵洞頂部設(shè)置放射狀泄水孔，將坡體內(nèi)地下水匯入涵洞底部排水溝，然后排入礦山基坑，再通過(guò)水泵排出坑外。

(2)坡面處理

對(duì)滑坡體表面及后部坡面上的滑坡裂縫進(jìn)行夯填處理。

(3)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固

在滑坡前緣斜坡上，布置了三排錨索，錨索長(zhǎng)度15～25 m，排距10 m，間距8 m，錨墩2m×2 m，用框架梁連接形成整體。在錨固段進(jìn)行了多次加壓劈裂注漿，增強(qiáng)了錨索的錨固效果。

(4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

加固方案在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，在邊坡關(guān)鍵部位，有針對(duì)性地布置了多個(gè)智能監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行了監(jiān)控。監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖12。

圖9 滑坡防治工程方案設(shè)計(jì)剖面圖

圖10 三種加固狀態(tài)下水平位移分布圖

圖11 三種加固狀態(tài)下破壞場(chǎng)分布圖

根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)(位于已夯實(shí)的張裂縫附近)的監(jiān)控曲線，施工初期邊坡在錨索預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生一定的位移，20d后邊坡受力趨于平衡，變形曲線趨于平緩，沒(méi)有持續(xù)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固后，邊坡巖體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果較好。

8 結(jié)論

本文以勝利露天煤礦邊坡為研究背景，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要得出如下結(jié)論：

(1)在現(xiàn)場(chǎng)勘查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用巖體力學(xué)理論和工程力學(xué)等理論，分析了勝利露天礦邊坡滑坡的主要影響因素，并通過(guò)數(shù)值模擬等手段模擬了滑坡災(zāi)變機(jī)理。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移隨時(shí)間變化曲線

(2)針對(duì)勝利露天煤礦滑坡的治理工程問(wèn)題，提出了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁這一行之有效的控制技術(shù)，同時(shí)創(chuàng)造性地將其與高壓劈裂注漿技術(shù)相結(jié)合，形成新的滑坡防治技術(shù)，即預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術(shù)。該技術(shù)既充分發(fā)揮了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又通過(guò)高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠?qū)嵤┹^高的張拉力，充分發(fā)揮張拉作用對(duì)巖土體的擠壓作用，增加邊坡的抗滑能力，對(duì)維護(hù)邊坡穩(wěn)定起到了較好的加固效果。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固邊坡新技術(shù)，控制效果顯著，方案可行、合理。

[1] 何滿潮,著. 露天礦高邊坡工程[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社,1991.

[2] 黃昌乾,丁恩保. 邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J]. 水電站設(shè)計(jì),1999,15(1): 53-58.

[3] 夏元友,李梅,謝全敏. 基于實(shí)例類比推理的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[J]. 巖土力學(xué),2003,24(10): 300-303.

[4] 張金山,袁紹國(guó). 露天礦邊坡穩(wěn)定性分析專家系統(tǒng)[J]. 中國(guó)礦業(yè),1995,4(3): 57-62.

[5] 何滿潮,蘇永華,景海河.塊狀巖體的穩(wěn)定可靠性分析模型及其應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(3)：343-348.