石光耀,趙登娟
(中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司東露天礦,山西朔州036006)
平朔東露天礦東北幫滑坡區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析與治理
石光耀,趙登娟
(中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司東露天礦,山西朔州036006)
露天礦首采區(qū)東北幫已發(fā)生3次滑坡,針對滑坡的治理,對東北幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,為首采區(qū)端幫邊坡災(zāi)害治理提出生產(chǎn)和工程措施建議,保證邊坡的穩(wěn)定性及礦坑的安全生產(chǎn)。
露天礦;穩(wěn)定性;邊坡;經(jīng)濟(jì)
為了降低開采成本、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益與煤炭回收率,露天礦形成了高陡邊坡,如果邊坡變形失穩(wěn),將會直接威脅人員、設(shè)備和周邊建筑的安全,嚴(yán)重影響露天礦山的安全生產(chǎn)[1-4]。東露天礦首采區(qū)東北幫已發(fā)生3次滑坡,第3次滑坡規(guī)模較大,滑坡體平面形似扇形,橫寬236 m,縱長206 m?;驴傮w坡度26°~28°,總滑坡體體積約78萬m3。
滑坡事故嚴(yán)重影響到了東露天礦的安全生產(chǎn),特別是對東露天礦的前期剝離成本和今后的煤炭開采安全將產(chǎn)生重大影響。
為了更好的治理東北幫滑坡,以確保東露天礦的安全生產(chǎn),根據(jù)當(dāng)時東北幫滑坡現(xiàn)狀,制定了3種治理方案。
1.1 方案1:清塌緩坡+預(yù)留寬平臺
1)在東露天礦現(xiàn)有回填滑坡區(qū)的基礎(chǔ)上,對1305—1340區(qū)間滑坡體進(jìn)行整平,清除坡面及平臺上散體;
2)在清塌緩坡基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)開挖,開挖后滑坡區(qū)域保持現(xiàn)有1290平臺寬度不變(自北向南平臺寬10~50 m),調(diào)整1275平臺寬度以保證1275平臺及1290平臺寬度總和為76 m,1275平臺以下同原設(shè)計方案。
方案1清塌緩坡示意圖如圖1所示。
圖1 方案1清塌緩坡示意圖
1.2 方案2:清塌緩坡+反壓坡腳
1)按照方案1的方法進(jìn)行邊坡修復(fù);
2)在1290平臺至1 320 m進(jìn)行堆載壓坡,1290平臺向坑內(nèi)方向反壓22 m碎石,反壓高度30 m,反壓坡腳30°;
3)堆載壓坡后,1290平臺寬度及1290平臺以下同原設(shè)計方案。
方案2清塌緩坡反壓示意圖如圖2所示。
圖2 方案2清塌緩坡反壓示意圖
1.3 方案3:清塌緩坡+注漿、錨索加固
1)按照方案1的方法進(jìn)行清塌緩坡;
2)對滑坡體下部,1305平臺采用二次中高壓注漿進(jìn)行巖土改性。注漿孔按3 m×3 m布設(shè),孔深10 m,孔口以下3 m開始布置出漿孔;
3)1340—1305坡面上1323—1330布置3排錨索,錨索長度分別為50、45、45 m,錨索沿水平間距6 m,坡面上間距6 m,同時利用錨索孔進(jìn)行二次中高壓注漿實現(xiàn)巖土改性;
4)錨索間采用格構(gòu)梁進(jìn)行連接;
5)1340—1305坡面上錨索加固區(qū)下部1323—1305區(qū)間布置注漿孔,采用二次中高壓注漿進(jìn)行巖土改性。注漿孔密度3 m×3 m,注漿孔深10~25 m不等,注漿孔應(yīng)穿過破碎風(fēng)化層;
6)處治后下部開挖過程中,1290平臺寬度及1290平臺以下同原設(shè)計方案。
方案3清塌緩坡注漿錨索加固示意圖如圖3所示。
圖3 方案3清塌緩坡注漿錨索加固示意圖
根據(jù)東露天礦東北幫平面分布及其空間地形位置,利用Slide軟件對第3次滑坡區(qū)域剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,剖面地層關(guān)系如圖4所示。
圖4 東北幫滑坡區(qū)域剖面地層分布關(guān)系
2.1 巖土力學(xué)參數(shù)選取
巖土力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)場區(qū)巖體基本質(zhì)量級別及巖土試樣的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等因素綜合確定[5-6],各巖土參數(shù)具體取值見表1。
表1 邊坡巖土體參數(shù)數(shù)值計算取值
2.2 極限平衡分析方法
計算時,滑面形式選擇折線形滑面,采用簡化Bishop極限平衡分析法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
2.3 安全系數(shù)選取及穩(wěn)定性判斷
根據(jù)GB50197—2005煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范第6章關(guān)于露天煤礦邊坡安全系數(shù)的規(guī)定,以簡化Bishop法安全系數(shù)為基礎(chǔ),邊坡穩(wěn)定性初步判別標(biāo)準(zhǔn)為:
1)邊坡安全系數(shù)大于1.20,邊坡穩(wěn)定;
2)邊坡安全系數(shù)1.10~1.20,邊坡基本穩(wěn)定;
3)邊坡安全系數(shù)小于1.10,邊坡不穩(wěn)定。
在初步判別的基礎(chǔ)上,綜合考慮折線型滑面,邊坡巖土層分布、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,平朔地區(qū)類似工程經(jīng)驗等,確定邊坡的穩(wěn)定性[7-8]。
2.4 技術(shù)方案
為治理東北幫滑坡及確保以后露天礦安全開產(chǎn)的可靠程度,根據(jù)當(dāng)前東北幫滑坡現(xiàn)狀,制定的分析技術(shù)方案如下:
1)對剖面原開挖模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析,判斷邊坡的穩(wěn)定情況;
2)對不穩(wěn)定邊坡進(jìn)行治理,并對治理后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
3)邊坡治理后,對后續(xù)開采進(jìn)行穩(wěn)定性分析,為礦山安全生產(chǎn)提供依據(jù)。
2.5 邊坡穩(wěn)定性分析
2.5.1 滑坡前穩(wěn)定性分析
根據(jù)邊坡CAD圖形,在Slide中建立東露天礦東北幫滑坡前剖面的極限平衡計算模型,通過對剖面現(xiàn)狀計算結(jié)果表明,在邊坡原開挖情況下,邊坡最小安全系數(shù)計算結(jié)果為1.008,不滿足規(guī)范要求,在外部因素影響的條件下極易發(fā)生滑動,這與現(xiàn)場情況一致。
2.5.2 方案1穩(wěn)定性分析
1)處治現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析。方案1回填碎石內(nèi)摩擦角取32°,粘聚力取0 kPa,重度取22 kN/m3;下部垮塌的砂巖散體內(nèi)摩擦角取20°,粘聚力取40 kPa,重度取20 kN/m3,建立剖面清塌緩坡后的Slide模型,通過對剖面清塌緩坡后極限平衡計算分析,清塌緩坡后,邊坡單臺階坡度以及總坡度都有所降低,邊坡穩(wěn)定性有所提高,最小安全系數(shù)由1.008提高到1.056。
2)下部開挖穩(wěn)定性分析。根據(jù)方案1下部繼續(xù)開挖,建立剖面清塌緩坡后繼續(xù)開挖的Slide模型,根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析,邊坡最小安全系數(shù)與下部未開挖的計算結(jié)果基本一致,說明下部開挖整體上對邊坡穩(wěn)定性影響不大。方案1下部開挖計算結(jié)果如圖5。
2.5.3 方案2穩(wěn)定性分析
1)邊坡現(xiàn)狀并坡腳反壓穩(wěn)定性分析。方案2,反壓后1290平臺寬度為10 m,根據(jù)剖面建立反壓后的Slide模型,方案2處治后,邊坡最小安全系數(shù)為1.201,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
可見,當(dāng)巖體裂隙面傾角α=0時,即為水平平板裂隙情況,退化后的公式(18)—公式(20) 與文獻(xiàn)[8]的推導(dǎo)結(jié)果一致,表明本文的構(gòu)建的注漿擴(kuò)散理論模型更具有一般性,可以求解任意空間產(chǎn)狀裂隙的注漿時空擴(kuò)散分布特征,而以往的水平平板裂隙擴(kuò)散模型只是本文的一個特例。研究還表明,對于C-S速凝類漿液,其在巖體傾斜裂隙中的擴(kuò)散特征主要取決于漿液性質(zhì)、裂隙產(chǎn)狀和地下水壓力。
2)下部開挖穩(wěn)定性分析。根據(jù)方案2下部繼續(xù)開挖,建立剖面下部開挖Slide邊坡模型,根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行穩(wěn)定性分析,假設(shè)滑動滑面仍在破碎帶,邊坡最小安全系數(shù)與下部未開挖的計算結(jié)果基本一致,說明下部開挖整體上對邊坡穩(wěn)定性影響不大。方案2下部開挖計算結(jié)果(折線滑面-破碎帶)如圖6。
圖5 方案1下部開挖計算結(jié)果(折線滑面-破碎帶)
圖6 方案2下部開挖計算結(jié)果(折線滑面-破碎帶)
2.5.4 方案3穩(wěn)定性分析
1)邊坡現(xiàn)狀及注漿錨索加固穩(wěn)定性分析。在Slide中建立方案3注漿錨索加固后的模型,注漿后的巖體內(nèi)摩擦角取28°,粘聚力取120 kPa,重度取22 kN/m3,注漿錨索加固后極限平衡計算結(jié)果表明,剖面注漿錨索加固后最小安全系數(shù)為1.547。
2)下部開挖穩(wěn)定性分析。根據(jù)方案3,在Slide中建立剖面繼續(xù)開挖形成的邊坡極限平衡計算模型,選擇折線型滑動面對邊坡整體進(jìn)行穩(wěn)定性分析,重點分析下部開挖后對邊坡上部穩(wěn)定性的影響,以及開挖形成的下部邊坡的穩(wěn)定性。假設(shè)滑面仍在破碎帶,其計算結(jié)果如圖7所示,邊坡最小安全系數(shù)是1.547,說明下部開挖對上部邊坡穩(wěn)定性影響不大。
圖7 方案3下部開挖邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果
2.5.5 穩(wěn)定性分析匯總
各方案在分析下部繼續(xù)開挖的穩(wěn)定性時,假設(shè)滑面都在破碎帶,現(xiàn)對滑面發(fā)生于2#、4#與9#煤時邊坡的穩(wěn)定性也分別進(jìn)行分析,分析安全系數(shù)統(tǒng)計見表2。
表2 各方案計算分析安全系數(shù)統(tǒng)計
2.6 Slide極限平衡計算結(jié)果分析
1)邊坡在原設(shè)計下處于極限平衡狀態(tài),在爆破等動荷載作用下,容易引發(fā)滑坡;
2)方案1,由于1290以上清塌緩坡后,邊坡單臺階坡度及總坡度都有所降低,上部邊坡穩(wěn)定性有所提高。此外,由于在1290和1275預(yù)留寬平臺,使得總坡度進(jìn)一步降低,保證了1275以下開挖過程中邊坡的整體穩(wěn)定性;而且,由于寬平臺的設(shè)置,可以起到安全平臺的作用,在加強上部坡體監(jiān)測和做好滑坡區(qū)截排水的情況下可以保證1275以下開挖和采煤工作的正常進(jìn)行。此外,在該區(qū)域采煤完成進(jìn)行回填過程中,通過預(yù)裂、小藥量爆破的方法,可以對寬平臺下被壓的4#煤進(jìn)行快速回收;
3)方案2,在邊坡修整、反壓坡腳后,邊坡的最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,采用該方案繼續(xù)進(jìn)行開挖、煤層開采,邊坡整體不會形成更大的滑裂面貫通。但從表2可以看出,與方案1相比,假設(shè)2#煤層為滑動面,上部堆載會造成邊坡沿該弱層的安全系數(shù)下降10%以上,此外,在雨水入滲和爆破震動的影響下,1290至1320反壓大量碎石,會對下部開挖造成安全隱患;
4)方案3,在邊坡修整、注漿錨索加固后,經(jīng)巖土改性及錨索支護(hù)后邊坡上部(1290平臺以上)計算的安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,但存在松散巖體施工質(zhì)量難以控制、爆破震動及水的不利影響等因素,加固結(jié)構(gòu)的持久性存在不確定因素,不易采納。
3.1 方案1經(jīng)濟(jì)性分析
方案1與現(xiàn)狀(1305平臺以上保持現(xiàn)狀,1305以下按原設(shè)計)對比,采煤境界線向坑內(nèi)平均推進(jìn)約55 m,壓煤面積約14 000 m2,煤層厚度約32 m(4#煤層厚14 m、9#煤層厚8 m、11#煤層厚10 m),總計壓煤量約67萬t。在該區(qū)域采煤完成進(jìn)行回填過程中,通過預(yù)裂、小藥量爆破的方法,對寬平臺下被壓的4#煤進(jìn)行快速回收后,壓煤量將降低為9#和11#煤38萬t(9#煤和11#煤)。
3.2 方案2經(jīng)濟(jì)性分析
方案2與現(xiàn)狀(1305平臺以上保持現(xiàn)狀,1305以下按原設(shè)計)對比,采煤境界線向坑內(nèi)平均推進(jìn)約22 m,壓煤面積約5 500m2,煤層厚度約32 m(4#煤層厚14 m、9#煤層厚8 m、11#煤層厚10 m),總計壓煤量約26萬t。
3.3 方案3經(jīng)濟(jì)性分析
方案3與現(xiàn)狀(1305平臺以上保持現(xiàn)狀,1305以下按原設(shè)計)對比,分析邊坡注漿、錨索加固費用及壓煤量。
1)在滑體250 m范圍內(nèi),按6 m×6 m布置3排錨索,總計錨索長度5 600 m。按1 200元/m計算,錨索支護(hù)需670萬元;錨固區(qū)域散體孔隙率按10%,水泥漿水灰比1:1計算,錨索加固區(qū)域散體體積約150 000 m3,需水泥漿15 000 m3。按500元/m3計算,需750萬元。
2)1305平臺上布設(shè)注漿孔,1305—1323坡面上布設(shè)注漿孔,孔徑100 mm,鉆孔長度分別為8 200 m及15 580 m,總計鉆孔23 780 m。按130元/m計算,鉆探鉆孔需300萬元。
3)按1305平臺巖體孔隙率5%,坡面散體孔隙率10%,水泥漿水灰比1:1計算,1305平臺注漿區(qū)域體積約為75 000 m3,1305—1323散體體積約為137 500 m3,1305平臺及上部坡面注漿需水泥漿17 500 m3,按500元/m3計算,需870萬元。
綜上所述,錨固加固工程造價約2 590萬元。
3.4 東北幫邊坡處治方案分析
3.4.1 東北幫滑坡區(qū)邊坡處治方案對比
方案1通過清塌緩坡使得1290上部穩(wěn)定性有所提高,預(yù)留寬平臺不僅可以大大提高邊坡下部開挖的穩(wěn)定性,而且可以作為安全平臺保證下部作業(yè)的安全,此外預(yù)留平臺下的4#煤層可以通過預(yù)裂、小藥量爆破的方法快速回收;方案2由于在上部反壓大量碎石,會降低下部開挖過程中的邊坡安全系數(shù),且反壓碎石在爆破震動以及雨水入滲的影響下也會對下部開挖造成安全隱患;方案3在巖土改性和錨索加固后其計算安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求,但存在松散巖體施工質(zhì)量難以控制的缺點。
3.4.2 東北幫其他區(qū)域邊坡預(yù)防
根據(jù)東北幫區(qū)域地層產(chǎn)狀及區(qū)域巖性的分析,基本確定了上部砂巖與泥巖分界面處破碎風(fēng)化帶的具體位置及其產(chǎn)狀,對存在破碎風(fēng)化帶及與該種產(chǎn)狀相似巖層的滑坡兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性計算(取滑坡區(qū)東南側(cè)80 m剖面),其最小安全系數(shù)為1.086,其安全系數(shù)高于滑坡區(qū),但仍不滿足規(guī)范要求。
由于目前已不存在預(yù)留寬平臺的條件,且滑坡區(qū)東南側(cè)邊坡1330以下為1360—1290的斜坡道,因此,在下部開挖過程中應(yīng)加強對滑坡區(qū)域兩側(cè)潛在滑體的監(jiān)測工作。此外,在滑坡區(qū)域東南方向100 m范圍內(nèi)、西北方向80 m范圍內(nèi),待開采4#煤后預(yù)留安全平臺,再進(jìn)行深部煤層的開采。
1)通過對東露天礦東北幫滑坡現(xiàn)狀的分析,給出了3種治理方案,同時通過采用Slide數(shù)值模擬方法對3種治理方案中邊坡各間斷的穩(wěn)定性分別進(jìn)行分析,得出采取3種方案治理后東北幫都可滿足邊坡穩(wěn)定性要求;
2)通過對3種治理方案的經(jīng)濟(jì)及實際生產(chǎn)中存在的問題綜合分析,得出東露天礦東北幫較適合采取方案1:清塌緩坡+預(yù)留寬平臺進(jìn)行治理;
3)通過對東北幫滑坡區(qū)域的治理經(jīng)驗及數(shù)據(jù)的掌握,為首采區(qū)端幫邊坡災(zāi)害治理提出生產(chǎn)和工程措施建議,為東露天礦首采區(qū)端幫邊坡設(shè)計調(diào)整提供了依據(jù)。
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【責(zé)任編輯:陳毓】
Stability analysis and treatment of slope in northeast landslide area of Pingshuo East Open-pit Mine
SHI Guangyao,ZHAO Dengjuan
(East Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Coal.Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)
There are three landslides in the northeastern slope of the first mining area.Through the control of landslide,the article analyzes the stability of the northeast slope,which proposes production and engineering measures to ensure the stability of the slope and the safe production of the mine.
open-pit mine;stability;slope;economy
TD824.7
B
1671-9816(2017)05-0034-05
10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.010
石光耀,趙登娟.平朔東露天礦東北幫滑坡區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析與治理[J].露天采礦技術(shù),2017,32(5):34-38.
2017-02-24
石光耀(1991—),男,本科,2014年畢業(yè)于中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院機(jī)械系車輛工程專業(yè),現(xiàn)任中煤平朔東露天礦穿爆班工長。