馬熹焱

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122）

水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的一個重要因素，縱觀撫順西露天礦的滑坡歷史，多次與水有關(guān)。疏干排水既可在邊坡參數(shù)不變的情況下提高邊坡穩(wěn)定性，又可在邊坡穩(wěn)定滿足要求的情況下，優(yōu)化邊坡參數(shù)，提高邊坡經(jīng)濟效益，并且不干擾采剝工程進展，是最為直接有效的邊坡防治措施之一。

1 北幫研究區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查

通過對撫順西露天礦北幫的水文地質(zhì)條件情況調(diào)查，其總體表現(xiàn)為滲透性良好的第四系沖積層覆蓋于滲透性較差的裂隙基巖上，構(gòu)成1 個較為復(fù)雜的含水系統(tǒng)。該含水系統(tǒng)邊界清楚，北面的渾河為其補給邊界，南部的礦坑北幫邊坡為其排泄邊界，再加上大氣降水和工業(yè)民用廢水的入滲使得各含水單元組合在一起，構(gòu)成了一個立體的、水力聯(lián)系密切的地下含水系統(tǒng)。北幫水文地質(zhì)條件主要分為沖積層水文地質(zhì)條件和基巖地下水水文地質(zhì)條件。

露天礦滑坡，大量發(fā)生在雨后、雨季和解凍期，或因疏干排水措施不當所致。水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的一個重要因素，水對邊坡的不利影響主要表現(xiàn)在：軟化巖石、降低巖石強度以及作用于邊坡的靜水壓力和動水壓力。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，地下水滲出層位主要為褐色頁巖，并呈條帶狀展布，地下水滲出后浸濕下部坡面，流向坡底水溝或直接滲入坡底風(fēng)化松散碎屑中，滲流至下部巖層或形成平盤積水。出水點遍布整個研究區(qū)域，地下水問題較為突出。而北幫排水系統(tǒng)由于受到采剝工程的破壞，造成無水溝、臨時性自然開挖水溝的情況較多，滲透性較好，導(dǎo)致截排水效率嚴重下降。

通過現(xiàn)場調(diào)查，在E1000 滑坡形成的東側(cè)坡面上，出現(xiàn)1 個出水點，流量較大，該出水點的水源是沿原臺階面與上部坍塌滑落的松散體接觸面流出，通過設(shè)置排水管道將水流引至排水系統(tǒng)，原滑坡體東側(cè)坡面的出水點水流基本消失。初步判斷坡體東側(cè)坡面出水點為坡面滲水的排泄，但尚不能確定坡面滲水來源是受沖積層溢流補給的淺部風(fēng)化巖體裂隙水自然排泄，還是受白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元越流補給的承壓水排泄。

2 疏干方案

2.1 疏干對象和范圍

任何給定的疏干裝置的排泄量均將取決于該疏干裝置與巖體間的水力聯(lián)系，水力性質(zhì)一定時，與巖體不連續(xù)面、優(yōu)勢滲流帶的聯(lián)系愈好，在距疏干裝置某一距離處的壓力釋放亦愈大。所以疏干裝置的設(shè)計必須考慮局部的滲流條件及截交較多的流跡[1-4]。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查分析可知，北幫研究區(qū)邊坡水補給源有2 處：第四系沖積層的溢流補給和白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元越流補給。其中第四系沖積層的溢流補給主要靠永久性或臨時性的截排水溝和泵站排水，而白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元越流補給形成的地下承壓水則是本次疏干排水措施研究的重點。

不利的地下水條件引起的邊坡穩(wěn)定性降低，主要受巖體內(nèi)潛在滑動面上水壓力的影響，疏干的首要目的是要把危險區(qū)段內(nèi)的水壓力降低到切實可行的程度。通過反復(fù)搜索計算，確定邊坡潛在失穩(wěn)滑動面，并將疏干范圍確定為潛在滑面以下20 m。

2.2 疏干方案

疏干方式的選擇主要依據(jù)研究區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、滲透性能、地下水補給方式與水力聯(lián)系、疏干技術(shù)水平和經(jīng)濟條件等。針對北幫研究區(qū)地下水的疏干，可采用的方式有水平疏干孔；疏干井；疏干巷道。

1）方案1：水平疏干孔。綠色泥巖與褐色頁巖互層結(jié)構(gòu)的北幫巖體，形成分層含水體，初步估計含水層達30 多層。根據(jù)現(xiàn)場情況，由上至下擬布設(shè)3 排水平疏干孔，分別為-7 m 水平、-84 m 水平、-146 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，孔深超過潛在滑面20 m，研究區(qū)水平放水孔布置圖如圖1。

圖1 研究區(qū)水平放水孔布置圖

2）方案2：疏干井。對于具有較高水位的露天采場邊坡，采用疏干井方法降低地下水水位。根據(jù)實際情況，計劃在北幫研究區(qū)頂部基巖臺階（+22 m 水平）打1 排疏干井，并在研究區(qū)東西兩側(cè)各個臺階上施工疏干井，形成2 列，防止東西兩側(cè)地下水流向研究區(qū)，對研究區(qū)形成U 型包圍，北幫疏干井示意圖如圖2，北幫U 型疏干巷道平面示意圖如圖3。

圖2 北幫疏干井示意圖

圖3 北幫U 型疏干巷道平面示意圖

3）方案3：疏干巷道。疏干巷道能夠穿過較多的巖層，有可能交切較多的含水層和結(jié)構(gòu)面。根據(jù)北幫研究區(qū)實際情況，考慮在北幫煤層或者油頁巖層中施工U 型疏干巷道。方案包括在巷道內(nèi)向上施工垂直及傾斜輔助疏干孔和在邊坡28 干線臺階上向下垂直施工定向鉆孔。使巖體孔隙水自然下放到巷道內(nèi)，再與某露天礦排水系統(tǒng)相連排出礦坑。

2.3 疏干方案比較

1）技術(shù)比較。對比3 種疏干排水方案，首先從技術(shù)角度出發(fā)，3 種疏干排水方案分別具有以下優(yōu)缺點：①水平疏干孔的主要優(yōu)點是施工迅速，安裝簡便，靠重力疏干，布設(shè)靈活，能適應(yīng)地質(zhì)條件的變化，但穿透含水層較少，根據(jù)水平放水孔的深度、角度及北幫巖層傾角、厚度等參數(shù)推算，同一水平的1 排鉆孔最多能穿透3～5 層到界邊坡含水層，疏干范圍有限；②疏干井的主要優(yōu)點是在東區(qū)開采施工過程中實施，保證東區(qū)開采工程無水作業(yè)，降低采礦成本，保證邊坡穩(wěn)定，但對抽水設(shè)備的性能要求較高，一般的設(shè)備難以滿足生產(chǎn)的需要，從而要進行專門定制，并且當設(shè)備出現(xiàn)故障時勢必會導(dǎo)致邊坡水壓力的提高；③疏干巷道的主要優(yōu)點是不受氣候影響，能長期使用，且不與采掘工作面作業(yè)相干擾，效果可靠。能回收一部分油頁巖或者煤炭資源，但施工難度較大，對施工技術(shù)、支護技術(shù)和設(shè)備精確度要求也比較高。

根據(jù)以上3 種疏干排水方案優(yōu)缺點的對比，同時結(jié)合現(xiàn)有的施工技術(shù)分析可知，方案1 與方案2在技術(shù)上優(yōu)于方案3。因此通過技術(shù)分析確定方案1和方案2 作為備選方案，結(jié)合經(jīng)濟比較，再最終確定相對較為合理的疏干排水方案。

2）經(jīng)濟比較。2 種備選方案經(jīng)濟對比如下：①施工成本，水平放水孔孔徑、施工難度低于疏干井，施工成本與孔徑呈正相關(guān)，所以水平放水孔施工費用低于疏干井；②抽放水成本，水平放水孔施工過程中有一定的仰角，水靠自身重力直接排出孔外，疏干井需要專門定制的水泵、電力系統(tǒng)進行供電、專門的工作人員進行疏干排水；③2 種疏干排水方式都需要定期進行維護，但疏干井維護成本高于水平放水孔。

通過技術(shù)、經(jīng)濟比較，同時結(jié)合現(xiàn)場的實際情況可見：方案1 疏干排水方案技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理，優(yōu)于方案2、方案3，方案1 被選為最終方案。

3 北幫東區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價

結(jié)合對北幫邊坡出露巖層進行工程地質(zhì)測繪的成果，建立工程地質(zhì)簡化模型和穩(wěn)定性分析模型。

3.1 計算方法的確定

極限平衡法是當前邊坡穩(wěn)定性分析常用的方法，這種方法的優(yōu)點在于計算模型簡單、計算參數(shù)量化準確、計算結(jié)果直接實用。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學(xué)機理與適用條件均有所不同。隨著計算機的出現(xiàn)和發(fā)展，又出現(xiàn)了一些求解步驟更為嚴格的方法，如Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[5-8]。

本次穩(wěn)定計算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。該方法的特點是考慮了全部平衡條件與邊界條件，消除計算方法上的誤差，并對Janbu 推導(dǎo)出來的近似解法提供了更加精確的解答。

3.2 邊坡穩(wěn)定

1）邊坡穩(wěn)定性計算。本次邊坡穩(wěn)定計算考慮了現(xiàn)狀邊坡與設(shè)計邊坡2 種邊坡輪廓，分別采用以往北幫穩(wěn)定研究推薦的綜合指標和本次反算指標進行計算。反算指標涵蓋地下水因素，無需再疊加地下水的影響，用于計算局部邊坡的穩(wěn)定情況；前期推薦指標則需考慮邊坡無水狀態(tài)和褐色頁巖飽水狀態(tài)，用于計算整體邊坡穩(wěn)定情況。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，褐色頁巖為北幫主要含水層，且坡面滲水點較多，范圍較廣，考慮褐色頁巖飽水符合現(xiàn)場實際情況。

2）邊坡穩(wěn)定性分析。由計算結(jié)果分析可知，北幫東區(qū)現(xiàn)狀邊坡在褐色頁巖飽水狀態(tài)下，穩(wěn)定系數(shù)為1.10～2.43，其中E1600 最小為1.10，E3400 最大為2.43。邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著總體邊坡角由西向東變緩而逐漸增大，總體穩(wěn)定情況尚可。邊坡體內(nèi)的重力水疏干后，穩(wěn)定系數(shù)為1.29～2.70，現(xiàn)狀邊坡E1600 穩(wěn)定系數(shù)提高到1.36，E3400 穩(wěn)定系數(shù)提高到2.70。

在褐色頁巖飽水狀態(tài)下，除東西兩側(cè)邊坡調(diào)整較小外，E1500～E2800 邊坡穩(wěn)定系數(shù)基本介于1.0～1.1 之間，穩(wěn)定情況較差。邊坡體內(nèi)的重力水疏干后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.21～2.34，穩(wěn)定情況較好。

4 結(jié)語

1）通過水文地質(zhì)調(diào)查，確定北幫研究區(qū)邊坡出水層位為綠泥巖互層層組中的褐色頁巖層。補給源主要為第四系溢流補給和白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元通過F1斷層的越流補給。

2）在水文地質(zhì)調(diào)查和分析計算的基礎(chǔ)上，確定了研究區(qū)邊坡主要疏干對象和疏干的邊坡深度范圍；提出了水平疏干孔、疏干井、疏干巷道3 種邊坡水疏干方案，結(jié)合礦山具體情況，通過技術(shù)和經(jīng)濟比較，確定水平疏干孔為最優(yōu)方案。

3）采用極限平衡法，考慮邊坡不含水和飽水2種情況，對研究區(qū)現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計邊坡分別進行計算，計算結(jié)果表明：無論是現(xiàn)狀邊坡還是設(shè)計邊坡，邊坡體內(nèi)含水層中的重力水疏干后，穩(wěn)定系數(shù)均有0.2 以上的增幅，由此可見疏干排水對于提高邊坡穩(wěn)定的重要程度和可觀效果。