李惠發(fā),馮 萍

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

露天礦邊坡穩(wěn)定是制約礦山正常生產(chǎn)的重要因素，其中水的因素尤為重要，以往露天礦的滑坡歷史中，因水導(dǎo)致的滑坡案例舉不勝舉。雨后、雨季和解凍期等季節(jié)性因素以及疏干排水措施不當(dāng)均會(huì)導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生。在采剝及治理過程中，由于地區(qū)降水量的影響及部分巖層遇水軟化的特征，導(dǎo)致邊坡內(nèi)形成上層滯水，地下水水位上漲，存在滑坡安全隱患，對(duì)日常安全生產(chǎn)工作存在潛在威脅。阜新海州露天礦1975 年以前的39 次滑坡中，有24 次有水的影響，如雨水過大，水溝中的水向弱層滲漏，沖積層地下水浸入巖層，舊巷道水向邊坡滲透等[1-3]；平莊西露天煤礦工作幫1975 年8 月14 日第24 次滑坡是連續(xù)3 d 降雨，雨水滲入綠泥巖層面及滑體而發(fā)生的；哈密三道嶺露天煤礦地處干旱的新疆，但第四系戈壁砂礫石透水性強(qiáng)，非工作幫第三系巖層是含水層，受當(dāng)?shù)毓I(yè)民用水、天山融雪水補(bǔ)給，地下水活動(dòng)是該礦3.5 km 長非工作幫全線滑動(dòng)的主要原因；撫順西露天礦1993—1994 年北幫E800 變形的加速及滑坡最終形成皆伴隨著暴雨或者連續(xù)降雨。由此可見，保障露天礦邊坡穩(wěn)定的一個(gè)重要條件就是消除水對(duì)邊坡的不利影響。尤其是露天礦開采至末期，隨著開采不斷降深，邊坡不斷加高加陡，逐漸形成深凹地形；地表水及地下水受重力影響高產(chǎn)生應(yīng)力累積，誘發(fā)的巖體損傷，導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生滑坡。柳昆鵬[4]研究了輸干井聯(lián)合水平放水孔排滲法在滑坡治理中的應(yīng)用；董志龍等[5]以撫順東露天煤礦第四系邊坡為研究對(duì)象，進(jìn)行了疏排水設(shè)計(jì)。因此，以撫順西露天礦北幫的水文地質(zhì)條件情況調(diào)查為依據(jù)，在撫順西露天礦邊坡治理中不同疏干排水方案的對(duì)比研究的基礎(chǔ)上[6-8]，對(duì)深凹露天礦地下承壓水泄壓技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

撫順西露天礦北幫水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，第四系沖積層溢流和白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元越流構(gòu)成了邊坡水補(bǔ)給源。前者通常依靠永久性或臨時(shí)性的截排水溝和泵站排水即可疏導(dǎo)，而后者形成的地下承壓水則必須隨著日常生產(chǎn)過程中采區(qū)的不斷變化而不斷調(diào)整方能持續(xù)截排引流，是生產(chǎn)過程中疏干排水的重點(diǎn)工作。疏干裝置與巖體間的水力聯(lián)系決定了疏干排水裝置排泄量的設(shè)定。通常來說，當(dāng)水力性質(zhì)一定時(shí)，巖體不連續(xù)面、優(yōu)勢滲流帶的聯(lián)系與距疏干裝置某一距離處的壓力釋放是成正比的，前者聯(lián)系越好，壓力釋放越大。因此，承壓水的泄壓技術(shù)研究，必須在徹底調(diào)查地質(zhì)資料后，清楚掌握水文地質(zhì)特征，同時(shí)考慮局部的滲流條件及截交較多的流跡，根據(jù)穿透巖石特性最終確定技術(shù)參數(shù)。

2 地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)特征

西露天礦北幫上部地表第四系沖積層，滲透性良好，覆蓋于滲透性較差的裂隙基巖上，該層與下部基巖形成一個(gè)較為復(fù)雜的含水系統(tǒng)。該系統(tǒng)邊界清晰，南部的礦坑北幫邊坡為其排泄邊界，北面的渾河為其補(bǔ)給邊界，與大氣降水及工業(yè)、民用廢水等多個(gè)含水單元共同構(gòu)成了一個(gè)立體的、水力聯(lián)系密切的地下含水系統(tǒng)。

北幫沖積層水文地質(zhì)條件與渾河河床毗鄰，與河床之間沖積層呈連續(xù)分布，呈2‰的坡度緩向礦坑，成為定水頭充水補(bǔ)給源。北幫基巖分別被2 條深大斷裂F1及F1A所切割。F1A和F1斷層性質(zhì)均為壓性逆斷層，斷層帶由構(gòu)造角礫巖及少量斷層泥組成，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，原則上為相對(duì)隔水層。斷層F1和F1A將北幫基巖劃分為4 大水文地質(zhì)單元，分別為第四系沖積層含水單元、太古界片麻巖構(gòu)造裂隙含水單元、白堊系砂巖構(gòu)造裂隙含水單元和第三系綠色泥頁巖上部構(gòu)造裂隙和下部的導(dǎo)水裂隙含水單元。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)主要有2 個(gè)斷層，分別為F1斷層和F5斷層。

F1斷層是區(qū)域構(gòu)造斷裂，斷層破碎帶隨下盤巖性的變化寬度不一。W1200 以西，下盤巖石較脆（油頁巖和煤層），破碎帶寬度約為10 m，且角礫巖發(fā)育；W1200 以東，下盤巖石為綠泥巖組，破碎帶寬度較窄，但斷層南翼巖層拖拉揉皺帶東西方向影響范圍較大。受該斷層影響，W1800 至E1300 范圍內(nèi)的北幫上部邊坡出現(xiàn)了不同程度的變形與破壞問題。

F5斷層位于西露天礦中部，近南北走向，產(chǎn)狀SW240°∠38°，為張扭性正斷層，垂直斷距15～22 m，水平斷距42～59 m。F5斷層是南幫邊坡變形的東側(cè)邊界，在南幫及坑底出露較為明顯，至北幫逐漸尖滅，但其對(duì)北幫影響卻未減輕，甚至更為惡劣。受F5斷層張扭動(dòng)力作用，該區(qū)域巖體損傷嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度急劇降低。經(jīng)過歷次滑坡，該處邊坡巖體愈加松散破碎，為地下水賦存提供了優(yōu)良條件。北幫E800～E1300 附近發(fā)生的一系列滑坡與該區(qū)域巖層受F5斷層擾動(dòng)影響不無關(guān)聯(lián)。

3 地下承壓水泄壓技術(shù)

3.1 承壓水賦存概況調(diào)查

以地下承壓水流理論為依據(jù)，通過鉆孔抽水觀察，掌握研究區(qū)內(nèi)各含水巖層水文情況，以便后續(xù)地下承壓水泄壓技術(shù)研究提供技術(shù)依據(jù)。

1）設(shè)置試驗(yàn)孔。為簡化施工程序，利用滑坡體內(nèi)爆破鉆孔作為簡易水文孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)，并采取無觀測孔的單孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。抽水過程中，保持出水量固定，觀測動(dòng)靜水位變化。其目的層為隔水層以上巖層。根據(jù)滑體工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及滑坡特征，確定E2200－1、E2200－2、E2250－3、E2300－4、E2350－5、E2400－6 及E2450－7 勘查孔作為本次水文試驗(yàn)孔。

2）試驗(yàn)方法。首先需要對(duì)鉆孔進(jìn)行反復(fù)清洗，直至孔口溢出清水為止。之后進(jìn)行1 次最大的水位降深，抽水時(shí)應(yīng)盡設(shè)備能力做最大降深，降深次數(shù)一般不少于3 次，抽水點(diǎn)應(yīng)做到合理分布，每次水位降深間距不應(yīng)小于3 m。各點(diǎn)抽水的水位、流量的穩(wěn)定時(shí)間不少于8 h，以便掌握水位降低值與涌水量的數(shù)量關(guān)系，為正式抽水時(shí)合理選擇降深水位作為參照依據(jù)。正式觀測試驗(yàn)時(shí)，如果靜止水位呈單向變化，并連續(xù)4 h 內(nèi)水位變化不大于2 cm/h；或者水位升降幅度與自然水位變化一致，即可停止觀測。當(dāng)水位難以靜止時(shí)，必須累計(jì)觀測至少72 h 方可停止觀測。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄備查[9]。

3）試驗(yàn)成果分析。水位勘察孔內(nèi)第三系綠色泥頁巖上部構(gòu)造裂隙和下部的導(dǎo)水裂隙含水單元，水位較高，邊坡涌水較大，受巖體內(nèi)潛在滑動(dòng)面上水壓力的影響，不利的地下水條件將引起的邊坡穩(wěn)定性降低。抽水試驗(yàn)參數(shù)見表1，滑坡區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)見表2。

表1 抽水試驗(yàn)參數(shù)

表2 滑坡區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)

3.2 承壓水泄壓方案

根據(jù)承壓水賦存調(diào)查結(jié)果，以保障邊坡安全為準(zhǔn)則，將危險(xiǎn)區(qū)段內(nèi)的水壓力降低到切實(shí)可行的程度。通過反復(fù)搜索計(jì)算，確定邊坡潛在失穩(wěn)滑動(dòng)面，并將疏干范圍確定為潛在滑面以下20 m。潛在滑面及疏干范圍如圖1。

圖1 潛在滑面及疏干范圍

針對(duì)深凹露天礦高陡邊坡，根據(jù)第四系滲透性能、地下水水力聯(lián)系、現(xiàn)場施工條件，重點(diǎn)研究邊坡地下承壓水泄壓技術(shù)，選擇單排放射狀布置泄壓孔穿透單層或多層含水巖層底板的技術(shù)方法，將不同含水層中的地下承壓水釋放出來，提高邊坡穩(wěn)定性，避免發(fā)生較大的滑坡現(xiàn)象。

首先，沿邊坡走向每40 m 施工1 個(gè)鉆孔，觀察單孔出水流量及邊坡疏干效果，若水量較大且邊坡疏干效果理想，則停止施工。若水量較大，但邊坡疏干程度一般，則將孔間距加密為20 m。根據(jù)地層情況、臺(tái)階高度及潛在滑面深度，泄壓孔孔深設(shè)計(jì)為50 m，鉆孔宜按5°～8°傾角向上傾斜施工，以靠重力自清孔中泥沙，直徑一般為80～120 mm。

露天礦高陡邊坡地下承壓水泄壓工藝如圖2。

圖2 露天礦高陡邊坡地下承壓水泄壓工藝

根據(jù)施工區(qū)域巖體特點(diǎn)及要求深度，對(duì)工程鉆機(jī)和配套降溫水泵進(jìn)行選型，將降溫水泵出水管與鉆頭后方冷卻口連接，在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中從冷卻口向鉆頭進(jìn)水沖刷巖粉同時(shí)冷卻鉆頭，在設(shè)計(jì)好開孔直徑及開孔角度后，將加工好的兩端帶有絲扣的井口支撐管連接鉆機(jī)開始鉆進(jìn)，若井口周圍巖性較差的坡體厚度較大，則需利用之前加工好的絲扣部分連接多根井口支撐管，深度達(dá)到穩(wěn)定巖體后，將井口支撐管預(yù)留在坡體外部一段，脫離鉆機(jī)并留在巖體內(nèi)，鉆機(jī)退回，此段井口支撐管起到支撐保護(hù)和封閉引水的作用，然后連接鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭插入井口支撐管開始向巖體內(nèi)部施工泄壓孔，達(dá)到目標(biāo)深度后，將鉆桿和鉆頭升上退回，將加工后的疏水管深入巖體一側(cè)頭部用軟木塞封堵后，沿放水孔插入，后續(xù)疏水管與前端巖體內(nèi)部疏水管利用快速接頭連接，疏水管管壁以梅花形式錯(cuò)位布置疏水孔，直至距離孔口剩余1 根疏水管長度，連接1 根無孔疏水管放入井口支撐管，在封口頂蓋一側(cè)焊接出水管后，用封口頂蓋以絲扣連接井口支撐管中，在坡體與井口支撐管出水口之間砌筑水泥保護(hù)平臺(tái)以加固出水口穩(wěn)定性，防止上部坡體掉落巖石對(duì)井口支撐管造成破壞，隨即用導(dǎo)水管連接出水管，將水引至指定水溝排放。

本技術(shù)與以往疏干排水法相比，按每百米深度計(jì)算，不同巖層情況從施工至最后成孔出水僅需1～1.5 d 即可完成，且穿透多層巖體，具有施工成本低，施工速度快、泄水壓效果好，場地限制因素少、后期不需要維護(hù)的特點(diǎn)。

4 結(jié)語

水是影響露天礦邊坡穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，尤其是開采末期的深凹露天礦，垂直高差大，高應(yīng)力累積及誘發(fā)的巖體損傷機(jī)理十分復(fù)雜，高陡邊坡內(nèi)地下承壓水富集，極易誘發(fā)滑坡安全隱患。對(duì)此類邊坡，超前預(yù)判，利用機(jī)械設(shè)備探入地下承壓水泄壓區(qū)域含水巖層深部，穿透單層或多層含水巖層底板將泄水管置入巖層深部，導(dǎo)出承壓水，可以消除巖層中地下承壓水造成的滑坡隱患，提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，保證邊坡安全。