沈建明，于江浩

（1.新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

目前，在露天煤礦應(yīng)用的邊坡加固技術(shù)有預(yù)應(yīng)力錨索及抗滑樁加固技術(shù)，2 種加固技術(shù)應(yīng)用效果均較為良好，但相比抗滑樁加固，預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。為此，針對(duì)西幫邊坡，借鑒以往預(yù)應(yīng)力錨索加固經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了大面積高陡邊坡錨索加固技術(shù)應(yīng)用，加固效果良好，最終將南露天煤礦西幫邊坡坑底原煤全部采出[1]。

1 工程概況

新疆天池能源有限責(zé)任公司南露天煤礦地處新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)西南部，帳篷溝背斜東翼南部[2]。2017 年9 月，西幫按設(shè)計(jì)采煤至520 m 水平，揭露的煤層底板傾角約為36°，與到界邊坡設(shè)計(jì)所依據(jù)的地質(zhì)勘查資料偏差較大。為此，2018 年1 月，露天礦針對(duì)西幫開展了工程地質(zhì)補(bǔ)充勘查工作。經(jīng)查明：西幫430～520 m 水平煤層底板傾角高達(dá)30°～38°；邊坡賦存1 層黏土質(zhì)泥巖和多層砂質(zhì)泥巖。上述因素對(duì)西端幫邊坡穩(wěn)定極為不利，受其影響，2017—2018年，西幫520 m 水平下部邊坡多次出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。由于西幫地表建有調(diào)度樓等建筑物，無法大范圍擴(kuò)幫剝離，而底部煤層采出后邊坡存在極大整體失穩(wěn)的可能，短時(shí)間內(nèi)又無法完成內(nèi)排壓腳。為了順利將西幫1 200 t 原煤采出，綜合考慮采用擴(kuò)幫剝離+錨索加固+內(nèi)排壓腳的綜合開采方案，保證煤層采出后，西幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.05 以上，并盡快內(nèi)排壓腳，壓腳后西幫整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.20 以上。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及槽探揭露，西幫坡面為黏土質(zhì)泥巖，深部為泥巖與砂巖互層構(gòu)成，砂巖完整性好，相對(duì)較硬；泥巖為弱膠結(jié)，手捻易碎，呈砂狀，微濕，為主要弱含水層，受其浸泡，下伏泥巖頂板接觸面相對(duì)較軟。成巖作用差及受水浸泡的泥巖為西幫主要弱層。西幫巖體主要是泥砂巖互層結(jié)構(gòu)，弱層間距為4～6 m，單一巖層內(nèi)層理發(fā)育，使其地質(zhì)條件更為復(fù)雜。

根據(jù)滑坡反分析及巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)成果，西幫邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

2 邊坡綜合治理

2.1 擴(kuò)幫剝離

西幫煤層底板為黏土質(zhì)泥巖，力學(xué)強(qiáng)度較低，已經(jīng)發(fā)生多次片幫，設(shè)計(jì)將此層3 m 厚黏土質(zhì)泥巖全部剝離。西幫地表設(shè)有調(diào)度樓等建筑物，需留設(shè)足夠的安全距離，擴(kuò)幫剝離后，西幫邊坡緩幫至30°，留有4 個(gè)運(yùn)輸平盤：580 平盤、540 平盤、520 平盤、484 平盤；1 個(gè)保安平盤：430 平盤。擴(kuò)幫剝離后西幫計(jì)算模型如圖1，經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算，擴(kuò)幫剝離后西幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.0，處于極限平衡狀態(tài)。

圖1 擴(kuò)幫剝離后西幫計(jì)算模型

2.2 錨索加固

為進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性，對(duì)西幫邊坡進(jìn)行錨索加固設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)錨索應(yīng)穿過西幫弱層巖體達(dá)到穩(wěn)定層，錨索長(zhǎng)度35～45 m。

1）預(yù)應(yīng)力錨索最優(yōu)錨固角。預(yù)應(yīng)力錨索最優(yōu)錨固角主要由現(xiàn)場(chǎng)施工條件確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算得到的錨索傾角可使錨索工程經(jīng)濟(jì)效益最大[3-4]，由此計(jì)算得最優(yōu)錨固傾角為下傾14.4°～22.4°。

2）設(shè)計(jì)錨固力、間排距的確定。錨索錨固力在滑面處將產(chǎn)生抗滑力和垂直滑面的法向阻力，利用極限平衡理論得到錨索錨固力[5-6]。研究西幫巖土體物理力學(xué)指標(biāo)時(shí)，得到的是含水狀態(tài)下巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，泥巖黏聚力為29 kPa,內(nèi)摩擦角為16.8°，故此處不考慮靜水壓力及揚(yáng)壓力，滑面傾角為36°，錨索與滑面的夾角為54°，滑面長(zhǎng)為345 m，設(shè)計(jì)孔距4 m，4 m 厚度滑體自重為43 920 kN，不考慮地震加速度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.05 時(shí)，經(jīng)計(jì)算需要的錨固力為7 398 kN。共施工14排錨索，每束錨索錨固力為528 kN，取整數(shù)為設(shè)計(jì)每束錨索550 kN。

3）錨索鋼絞線。本次錨索加固工程選用鋼絞線傳遞預(yù)應(yīng)力，選用的7 絲標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線應(yīng)符合GB/T 5223—1995、GB/T 5224—1995 國(guó)標(biāo)的要求，設(shè)計(jì)每束錨索錨固力550 kN，而直徑15.2 mm 的鋼絞線極限荷載為220 kN，故每束錨索需3 根鋼絞線，可以保證1.2 倍的保險(xiǎn)系數(shù)[7-8]。

4）錨固段長(zhǎng)度。錨索注漿分為錨固段及自由段，當(dāng)錨固段設(shè)計(jì)過小時(shí)，易造成黏結(jié)強(qiáng)度不足，張拉時(shí)無法提供550 kN 的錨固力，錨固段過長(zhǎng)時(shí)造成水泥漿浪費(fèi)。根據(jù)相關(guān)巖體錨固工程經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)錨段長(zhǎng)度一般為4～5 m[9-10]，本次錨索加固弱層間的砂巖為錨固段，長(zhǎng)度4～6 m，符合經(jīng)驗(yàn)要求。為了確保設(shè)計(jì)的錨固段長(zhǎng)度能夠達(dá)到錨索張拉應(yīng)力550 kN 的要求，進(jìn)行了錨索張拉試驗(yàn)，施工了5 個(gè)15 m 深鉆孔進(jìn)行極限拉拔試驗(yàn)，通過拉拔試驗(yàn)確定，在錨固段5 m 的情況下，錨索極限拉拔力可達(dá)1 124 kN，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)錨固力有2.0 的安全系數(shù)。

5）對(duì)中支架。西幫邊坡治理在錨索編制的過程中需設(shè)置對(duì)中支架，防止設(shè)計(jì)的3 根鋼絞線互相纏繞。對(duì)中支架可以采用鋼材加工或者成品支架。對(duì)中支架之間的間隔為1.5～3.0 m。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)錨固段按1.5 m 設(shè)置1 個(gè)對(duì)中支架，自由段按2.0 m 設(shè)置1 個(gè)對(duì)中支架。

6）錨索加固邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。擴(kuò)幫剝離后，西幫邊坡520 m 水平以上泥巖弱層數(shù)量相對(duì)520 m 水平以下更少，巖石力學(xué)強(qiáng)度更大，同時(shí)520 m 水平至地表580 m 水平，邊坡高60 m，邊坡高度較小，邊坡潛在的滑面剪出口位置應(yīng)在520 m 水平以下。同時(shí)430 m 水平為泥巖弱層傾角變化的分界點(diǎn)，430 m水平以上泥巖弱層傾角約36°，430 m 水平以下泥巖弱層傾角逐漸變緩至7°，潛在滑面的后緣應(yīng)在430 m水平以上，并且430 m 水平至坑底局部邊坡高度60 m，邊坡高度相對(duì)較小，同時(shí)430 m 水平以下煤層采出后能更快速地回填壓腳，不存在430 m 水平至坑底局部片幫的可能。綜合以上條件，設(shè)計(jì)錨索14 排，全部集中在430 m 水平至520 m 水平，排距6 m，長(zhǎng)度35～45 m，相鄰錨索不宜等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，可根據(jù)巖體強(qiáng)度和完整性交錯(cuò)布置，長(zhǎng)短差在2～5 m。本次設(shè)計(jì)選定為3 m。錨索加固后西幫計(jì)算模型如圖2，按照設(shè)計(jì)錨索加固方案，對(duì)西幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，錨索加固后，西幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可以達(dá)到1.05。

圖2 錨索加固后西幫計(jì)算模型

2.3 回填壓腳

根據(jù)工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探成果，邊坡巖層傾角變緩位置為430 m 水平，西幫邊坡治理后，潛在滑面的剪出位置主要為430 m 水平，因此，為起到內(nèi)排壓腳的作用，前期內(nèi)排臺(tái)階至少排至430 m 水平，后期可隨著東西向排棄空間的擴(kuò)大，逐步抬高排棄標(biāo)高。

內(nèi)排基底主要為煤層底板黏土質(zhì)泥巖，力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低，平均厚度3 m，應(yīng)將其剝離，使內(nèi)排基底為強(qiáng)度較高的砂巖，保證內(nèi)排土場(chǎng)自身以及西幫整體邊坡的穩(wěn)定性。

2.4 防治水

1）地表水防治。根據(jù)氣象和水文資料，礦區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，平均年降水量106 mm，年蒸發(fā)量1 202～2 382 mm，5—8 月偶有雷陣雨，冬季積雪稀少，礦區(qū)地下水亦無地表河流補(bǔ)給，礦區(qū)總體匯水量較小。但為有效截排汛期坡表匯水，于地表-斜坡道坡腳處、490～480 m 水平平盤和430 m 水平平盤設(shè)置3 條水溝，水溝坡度按臺(tái)階走向坡度留設(shè)，最小坡度為5‰，滿足規(guī)范要求[11]，水溝距坡底線1 m，上寬1.5 m，下寬1.2 m，深0.8 m。

2）地下水防治。通過錨索鉆孔施工發(fā)現(xiàn)，508 m水平南側(cè)部分鉆孔放置3 d 后孔內(nèi)有少量積水，而北側(cè)孔內(nèi)無積水，初步推斷，該處邊坡與南幫滲水區(qū)域有較弱的水力聯(lián)系。為探查該處地下水賦存是否豐富，在錨索施工過程中，于該處施工了1 眼向上傾斜的鉆孔，鉆孔傾角8°，未發(fā)現(xiàn)有水流流出，可以看出該處水量并不豐富。下部錨索施工過程中密切關(guān)注了孔內(nèi)積水量，在430 m 水平積水較多，故在坡面施工到界后，靠平盤南側(cè)施工1 排水平放水孔，以疏干邊坡內(nèi)自由重力水，同時(shí)截?cái)嗔四蠋团c西幫之間的水力聯(lián)系。

3 錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)

結(jié)合錨索施工孔位布置特點(diǎn)，在滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋范圍要求的前提下，優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布置，提高監(jiān)測(cè)效果[12]，分別在430、484、520 m 水平各布置了1 個(gè)錨索應(yīng)力計(jì)。西幫錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)曲線如圖3。

圖3 西幫錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)曲

西幫錨索應(yīng)力計(jì)2019 年11 月1 日開始監(jiān)測(cè)。初始安裝時(shí)，應(yīng)力集中在錨索孔口巖壁處，在短時(shí)間內(nèi)，孔口巖壁發(fā)生塑性變形，同時(shí)，鋼絞線也產(chǎn)生松弛變形，故錨索初始應(yīng)力衰減至170 kN。自2019 年11 月1 日至2020 年1 月1 日，錨索應(yīng)力一直穩(wěn)定在170 kN,此時(shí)煤層已經(jīng)全部采出，開始內(nèi)排，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；自2020 年1 月1 日至2020 年2 月15 日，錨索應(yīng)力處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，于2020 年2 月15 日錨索應(yīng)力達(dá)到最大值190 kN,此時(shí)內(nèi)排標(biāo)高430 m 水平，剛剛排棄至潛在滑面剪出口位置，此階段由于煤層全部采出，西幫邊坡產(chǎn)生變形，應(yīng)力在潛在滑面剪出口位置釋放，故錨索應(yīng)力處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)；隨后，內(nèi)排標(biāo)高逐步提高，西幫邊坡開始恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，自2020 年3 月1 日至2020 年3 月15日，錨索應(yīng)力處于緩慢衰減狀態(tài)，這是因?yàn)槲鲙瓦吰略谧冃芜^程中產(chǎn)生的裂隙被逐漸壓密所致，2020 年3 月15 日至2020 年4 月1 日，錨索應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定，保持在180 kN,此時(shí)，內(nèi)排已經(jīng)壓過460 m 水平，西幫邊坡持續(xù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分析了新疆天池能源有限責(zé)任公司南露天煤礦西幫邊坡工程地質(zhì)條件，煤層底板黏土質(zhì)泥巖及邊坡內(nèi)部泥巖層力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較低，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利，在綜合分析后，采用了擴(kuò)幫剝離+錨索加固+內(nèi)排壓腳的綜合治理措施。

2）通過理論計(jì)算，得出了南露天煤礦西幫邊坡錨索加固參數(shù)，加固后，西幫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高了0.05，加固效果顯著。

3）通過錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)，分析了潛在滑面的剪出口位置，可作為回填壓腳標(biāo)高的依據(jù)。同時(shí)，錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以起到對(duì)邊坡變形以及滑坡的預(yù)測(cè)及預(yù)警服務(wù)效果。