毛永祥，何以劍，王 然，王 膽

（1.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650000；2.云南先鋒煤業(yè)開發(fā)有限公司，云南 昆明 650000）

云貴高原群山環(huán)繞，地勢陡峭，群山之間大多形成狹窄的沖溝，但在合理的運(yùn)輸距離范圍內(nèi)，可供選擇的理想排土場并不多。因此，提高排土場邊坡穩(wěn)定性，可增加排土容量，帶來顯著經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且煤礦對(duì)排土場的安全負(fù)有終生責(zé)任。經(jīng)驗(yàn)表明，水對(duì)邊坡的影響巨大[1]。南方露天礦雨季降雨集中，而排土場中排棄物料大多為黏性土，對(duì)水吸附力強(qiáng)[2]，一旦出現(xiàn)疏排水工程失效，容易在壓腳區(qū)積水，對(duì)安全生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)[3]。

對(duì)于排土場邊坡的疏排水措施，以往大多集中于疏干孔等抽排手段。于鵬等[4]在分析了勝利露天煤礦水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用地面疏干降水孔的方法對(duì)礦區(qū)地下水進(jìn)行疏干，并分析了其可行性；馬熹焱[5]研究了撫順西露天礦的實(shí)際情況，采用水平疏干排水方式對(duì)礦區(qū)進(jìn)行疏干排水，降水效果明顯；宋景輝等[6]分析了小龍?zhí)兜V務(wù)局新鄧耳排土場水文地質(zhì)特點(diǎn)，采用貼坡疏排水的措施，疏干效果良好；王衛(wèi)衛(wèi)[7]在內(nèi)蒙古某露天煤礦礦床疏干研究中提出運(yùn)用礦床疏干、采坑排水、地面防水聯(lián)合降水；楊麗萍[8]對(duì)伊敏三號(hào)露天煤礦疏干排水工程提出了降水孔和地面截排水方案；吳建等[9]對(duì)于疏干條件下隧洞涌水量及襯孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；施成華[10]推導(dǎo)了隧道開挖疏水滲降漏斗曲線方程和考慮水滲流作用的隧道周邊巖土體中有效應(yīng)力的計(jì)算公式。由此可見對(duì)于地下水天然疏排措施的還研究得較少。

1 工程概況

研究區(qū)屬于一溶蝕谷地，場地總體上呈近南北向展布，東、西、南三面為溶蝕中山，自然地形坡度8°左右。排土場自1989 年運(yùn)營至今，堆填形成了20 個(gè)水平臺(tái)階，總排棄高度達(dá)225 m，總排棄量達(dá)4 000萬m3。排土場安全等級(jí)為一級(jí)。

排土場原始地形分布有第四系淤泥質(zhì)黏土層（層厚2.60～10.40 m，平均厚度6.48 m）和殘坡積層黏土（層厚0.70～10.10 m，平均厚度3.83 m）。而人工排土層厚度一般小于40 m，黏土含量高，力學(xué)強(qiáng)度低。排土場區(qū)域地下水總體向北部徑流、排泄。補(bǔ)給水源主要為大氣降水的入滲補(bǔ)給和下伏基巖中承壓水的滲透補(bǔ)給，2 個(gè)補(bǔ)給水源相遇后沿原始地形的溝谷向北水位低的溶洞、裂隙徑流排泄。

排土場曾于1994 年、2007 年發(fā)生的2 次滑坡，均是由于集中降雨后，大氣降水及排土場下伏基巖巖溶承壓水對(duì)填土段不斷補(bǔ)給造成。排土場底部排水暗涵已破壞，845 m 水平以下排水不暢積水，排土物料受水軟化造成的滑坡。滑坡變形又進(jìn)一步破壞已有排水設(shè)施，加劇排土場底部積水。排土場底部積水的危害主要表現(xiàn)在：①浸泡軟化邊坡土體，降低邊坡土體強(qiáng)度，②產(chǎn)生水壓力增大邊坡土體下滑力，引發(fā)滑坡。根據(jù)某勘察公司2019 年11 月27 日—2020年1 月22 日旱季期間對(duì)排土場坡腳地段的水位觀測，測得地下水積水范圍面積約為0.158 km2（該區(qū)的大小隨地下水位的升降而發(fā)生變化），在點(diǎn)821.57～822.29 m 水平和806.32～807.21 m 水平之間均呈線狀分布滲出。可見排土場底部地下水較為豐富，坡腳地段地下水積水嚴(yán)重。

2 排土場底部積水區(qū)疏干措施

2.1 疏干措施方案

針對(duì)排土場填土層潛水，傳統(tǒng)的垂直疏干難以得到長期穩(wěn)定持續(xù)有效的疏干效果，主要是由于該排土場基底承壓水富水性、巖溶裂隙發(fā)育不均勻，且填土層堆積物成分、密實(shí)度不同，導(dǎo)致填土區(qū)含水性變化大。為了降低地下水位，礦山需頻繁啟泵排水，運(yùn)行過程中疏干孔容易出現(xiàn)過涌砂堵孔、損壞水泵設(shè)備等情況，加大了垂直降水孔疏干的管理維護(hù)難度及費(fèi)用。

另一種常見的疏干措施有昂斜鉆孔疏干，該方式在排土場邊坡臺(tái)階坡角處，通過鉆機(jī)向排土場鉆鑿微向上傾斜（約3°～10°，考慮排砂的最低要求）的鉆孔，可使排土場地下水通過該鉆孔自流淌出。根據(jù)排土場積水情況，計(jì)算出排除排土場底部積水需要施工的單個(gè)疏干鉆孔長約260 m。目前國內(nèi)昂斜疏干鉆孔最大深度100 m，超過100 m 施工困難。昂斜疏干孔不僅施工長度短，還僅能對(duì)排土場較低坡腳地帶地下水進(jìn)行疏排，無法覆蓋大部分積水區(qū)，疏干效果有限。

經(jīng)分析，排土場積水主要由下伏基底承壓水補(bǔ)給造成，若能考慮在基巖中實(shí)施疏干隧洞，一方面可降低地下水位，達(dá)到快速排水目的，也可實(shí)現(xiàn)快速施工，滿足低成本維護(hù)需求。

2.2 全基巖隧洞疏水措施特征及技術(shù)參數(shù)

本方案隧洞全部在基巖內(nèi)開挖，即隧洞水平全長596.76 m，全部建在中風(fēng)化灰?guī)r中，且位于潛在滑動(dòng)面下不小于7.12 m。隧洞不受排土場變形、滑坡的影響。

1）隧洞疏干水文地質(zhì)?；鶐r疏干隧洞布置在基底薄菜田組灰?guī)r內(nèi)，結(jié)合已有的排土場基底水文地質(zhì)資料，疏干隧洞采用呈單線列的承壓轉(zhuǎn)無壓完整井型水文地質(zhì)計(jì)算模型，預(yù)測隧洞涌水量及降落曲線。經(jīng)計(jì)算，隧洞涌水量為956 m3/d，當(dāng)該灰?guī)r地下水被隧洞疏干之后，降落曲線也將變得更加平緩而貼近底板隔水層直至消失。

2）疏水隧洞斷面大小及支護(hù)形式。隧洞入口段其下覆基巖為基底薄菜田組灰?guī)r，屬Ⅲ～Ⅳ圍巖。在平面定線確定后，可通過調(diào)整隧洞入口段標(biāo)高及起始段縱坡，使得隧洞盡早落至基巖。經(jīng)公路科學(xué)院合理化公式計(jì)算，確定疏水隧洞橫斷面尺寸為凈寬4.00 m、凈高2.50 m 的半圓拱斷面。隧洞支護(hù)形式，采用錨噴支護(hù)，錨桿長2.0 m，間距1.0 m，80 mm 厚噴射C35 砼。前后洞口段長分別為15 m，采用鋼筋混凝土襯砌。

3）疏水隧洞放水孔布置。全基巖疏水措施需配合放水孔，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排土場的地下水疏干，選用短機(jī)身全液壓坑道鉆機(jī)。由于放水孔出水口向下，故能夠長期持續(xù)穩(wěn)定的疏干上部填土層積水?？紤]到薄菜田組灰?guī)r含水層富水性、巖溶裂隙發(fā)育的不均勻性，為了盡可能減少該層承壓水向排土場排棄物料補(bǔ)給，削弱其對(duì)排土場底板的上頂推力作用，布置疏干隧洞的同時(shí)，在每個(gè)專用放水硐室處的隧洞橫向兩側(cè)側(cè)壁上各設(shè)置2 個(gè)斜向放水孔，在每個(gè)專用放水硐室處的巷道底板上設(shè)置1 個(gè)垂直放水孔，用以溝通灰?guī)r導(dǎo)水裂隙通道，加強(qiáng)隧洞對(duì)灰?guī)r含水層的疏干排水效果。根據(jù)灰?guī)r風(fēng)化程度可暫不設(shè)置孔口管。

4）建立地下水位觀測網(wǎng)。礦山可利用已有的垂直降水孔或新設(shè)置地下水觀測孔。若觀測孔存在涌砂堵塞，煤礦應(yīng)盡快對(duì)涌砂堵塞的鉆孔進(jìn)行修復(fù)，形成完整的地下水動(dòng)態(tài)觀測網(wǎng)，以便掌握現(xiàn)有疏降水條件下的地下水位變化規(guī)律。

5）疏水效果評(píng)價(jià)。經(jīng)過對(duì)土工試驗(yàn)成果的分析，在試驗(yàn)方法、土樣類型相似條件下，土體飽和固結(jié)快剪指標(biāo)約為天然固結(jié)快剪指標(biāo)的0.5～0.75；飽和快剪指標(biāo)約為天然快剪的0.5～0.75。因此，排土場底部在疏干后邊坡土體抗剪強(qiáng)度，可在飽和抗剪強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高33 %～100 %。根據(jù)推測的排土場底部疏干后邊坡巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，選取典型剖面對(duì)排土場疏干后達(dá)到預(yù)計(jì)的90%疏水效果，即排土場底部基本不存在積水，及僅能達(dá)到疏水效果的80%、70%、60%等不同疏干效果情況下，對(duì)現(xiàn)狀及最終排棄邊坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算。邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表1。通過穩(wěn)定性計(jì)算可知，疏干效果達(dá)到90%時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)可滿足GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2 的要求。

表1 邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

1）隧洞全部位于中風(fēng)化基巖中，位于潛在滑動(dòng)面下不小于7.12 m。隧洞不受排土場變形、滑坡的影響。工程地質(zhì)條件良好。

2）全基巖疏水措施配套放水孔，能夠?qū)崿F(xiàn)長期持續(xù)穩(wěn)定的疏干上部填土層積水。創(chuàng)造天然排水條件，有利于收集、排除排土場地下水。較傳統(tǒng)的疏干措施比，具有運(yùn)行管理簡單、施工容易、施工工期短的優(yōu)勢。

3）全基巖疏水措施配套地下水位觀測，可形成完整的地下水動(dòng)態(tài)觀測網(wǎng)，以便掌握現(xiàn)有疏降水條件下的地下水位變化規(guī)律。實(shí)踐和理論計(jì)算表明，該排土場實(shí)施疏水效果后，排土場穩(wěn)定性大大提高。