露天煤礦滑坡災變機理及控制對策研究

張艷博，李占，康志強

(1.河北聯合大學資源與環(huán)境學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

隨著我國露天采場逐年加深，邊坡暴露的高度、面積以及維持的時間也在不斷增加，導致露天采礦邊坡滑坡失穩(wěn)事故頻發(fā)，不僅擾亂了礦山的正常生產秩序，致使國家的經濟財產蒙受巨大損失，而且對作業(yè)人員的生命安全也構成了嚴重威脅。因此，如何有效地分析露天煤礦邊坡工程的穩(wěn)定性，做出科學的預測，采取有效的防治措施，是日益突出和亟待解決的重要技術難題。

1 勝利露天礦邊坡滑坡的嚴重性

勝利一號露天煤礦位于勝利煤田中西部，是勝利煤田的主要采煤區(qū)。礦山經過多年露天開采，截止到2006年底，己形成南北長約1.8 km，東西寬約0.9 km的采坑，邊坡高 50～60m。自2005年以來，勝利露天煤礦一采區(qū)采場東部非工作幫和北部端幫，已多次發(fā)生不同規(guī)模的滑落、坍塌，給生產組織造成極大影響。

(1)東部非工作幫2005年3月形成，邊坡高度近50m。2005年5月，非工作幫中部坡面松散巖體發(fā)生大面積的滑落，造成東部排水溝被埋后被迫改道，地表疏干系統(tǒng)也受到嚴重威脅，導致部分疏干井報廢。滑坡后該邊坡坡底向西滑動位移51 m，坡頂滑落31 m，滑動面積2.51×104m2，最大落差達13 m，滑體方量為3.35×105m3。

(2)北端幫形成于2005年9月底，邊坡高度37 m。2006年2月發(fā)現平行端幫的裂縫，至6月初，裂縫延伸長度達150 m，裂縫寬0.10～0.23 m，8月北部端幫突發(fā)較大范圍的滑坡，北端幫出入溝道路全部毀壞，NB2、NB3、NB4三口疏干井報廢，同時其他疏干井、6 kV的高壓線路及YB-2變電站受到威脅。

隨著勝利露天煤礦進一步的開拓和延伸，邊坡的問題將更為突出，它已經成為制約露天煤礦安全與生產的重要因素。根據開采計劃，露天煤礦6煤層出露，向深部開挖90 m，形成的邊坡高度將達到150 m。如不及時對現有邊坡進行治理，進行試驗段的全面、系統(tǒng)研究，提出必要的、切實可行的防治對策，露天煤礦的生產將難以順利進行，生產安全難以保障。

2 勝利露天礦邊坡滑坡類型

自2005年以來，勝利露天煤礦采場東部非工作幫、北部端幫、南部出入溝道路，已多次發(fā)生不同規(guī)模的滑落、坍塌。其中規(guī)模較大、對生產產生影響的滑坡有五處，分別為非工作幫DH1、DH2、DH3、DH4和北幫BH1，滑坡平面分布分別見圖1～圖2，歸納滑坡類型主要有以下幾種：

圖1 非工作幫滑坡平面分布圖

圖2 北端幫滑坡平面分布圖

(1)松散層滑坡。由于礦區(qū)巨厚的剝離層土性差異，存在軟弱夾層，邊坡開挖，應力重新分布，同時，在地下水的作用下而造成的依附軟弱夾層的邊坡整體滑動。滑體基本為第四系松散覆蓋層，灰白、淺黃色粉砂細砂為主，底部夾薄層黏土或砂礫層。滑面為第四系底界面，近似圓弧形滑面。主要表現為巖體沿層間軟弱夾層發(fā)生整體性滑移破壞，勝利露天煤礦的DH1滑坡屬此類滑坡。

(2)基巖接觸面滑坡。由于礦區(qū)基巖系白堊系砂泥巖互層，具有隔水性質，基巖頂面富水，軟化巖土體，降低抗剪強度，依附基巖頂面產生滑動。勝利露天煤礦的DH2、DH3、DH4、BH1滑坡屬此種類型。

(3)順層基巖滑坡。隨著礦區(qū)開采深度的增加，邊坡高度加大，自重應力增大，而產生依附基巖內軟弱夾層的滑動。目前未見此類滑坡，但隨著邊坡高度的增加，有可能出現此類滑坡。

3 影響滑坡的主要因素

(1)地質構造。北端幫的地質構造是造成滑坡的根本因素。受“棋盤格局”地質構造控制(北端幫密集發(fā)育一組等間距的高角度階梯式正斷層，斷距0.2～1.2 m；同時在西工作幫出露一組逆沖斷層，走向東西，傾角45～50°；這兩組近乎正交的斷層所形成的“棋盤格局”構造)。

(2)地層巖性。上部第四系砂土層，松散；中部泥巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，強度較低；下部5煤層，節(jié)理、裂隙發(fā)育，質輕、易脆；煤層中發(fā)育了一薄層煤矸石，此煤矸石主要由炭質泥巖組成，在煤系承壓水的軟化作用下，強度極低，為北端幫滑坡的發(fā)生提供了軟弱滑動面。

(3)工程荷載。北端幫頂部通道運輸設備的振動影響，致使邊坡失穩(wěn)而導致滑坡形成。

(4)水的作用。地表水通過坡頂和坡體兩側發(fā)育的裂縫流入坡體內，使得裂紋發(fā)育處巖體強度急劇降低，為滑坡的發(fā)生提供了軟弱滑動帶。北端幫第四系底部砂礫石層大部分與下部白堊系泥砂巖直接接觸，當有大氣降水時，就會透過第四系滲入結構面，使其力學強度降低而形成滑面。

(5)采礦活動影響。采礦活動是北端幫滑坡的激發(fā)因素。隨著開采的深入，邊坡變高、變陡，邊坡底部剪應力越來越大。采坑向深部開采為邊坡變形破壞提供了臨空面。

4 滑坡機理分析

東部非工作幫南區(qū)DH1上部第四系松散體，在水(地表水下滲、錫林河滲流、坡腳水倉毛細水上升)的作用下后緣錯落，先是沿第四系底界面向前滑移，中部和前緣在主滑段推力作用下，從坡腳強風化泥礫巖處剪出破壞(圖3)。

東部非工作幫中區(qū)(DH2)、和北區(qū)滑坡(DH3、DH4)，主要受巖性組合和水(降水入滲、錫林河滲流)的影響，采坑坡頂疏干井未完全疏干，使得大量的第四系水向坑內滲流，降低了不整合面泥巖的強度。在第四系水的軟化作用和滲流作用下，邊坡沿第四系砂層與白堊系泥巖沉積界面發(fā)生滑動，使得邊坡失穩(wěn)滑動(圖4)，破壞了前緣運輸便道。此類滑坡的演化模式是：切坡使坡腳應力重新分配，邊坡首先沿白堊系泥巖沉積界面發(fā)生滑動導致坡頂拉裂，坡內剪切面逐步形成，在誘發(fā)因素(暴雨、長歷時降雨等)作用下，滑動面貫通而劇滑致災。

5 勝利露天煤礦滑坡災變演化數值模擬分析

(1)干燥條件邊坡

非線性大變形有限差分軟件FLAC計算結果，如圖5和圖6可知，第四系松散體邊坡呈現為坐落式沉陷弧形破壞滑動，在滑動邊坡頂部出現明顯的張拉裂縫，待滑動面上鎖固段臨界值被剪斷后，表現為沿坡腳剪出破壞形式。該類型邊坡滑坡表現為上緣拉裂、中部鎖固和下緣滑移剪出的三段式災變演化模式。

圖3 DH1滑坡工程地質剖面圖

圖4 滑坡工程地質剖面圖

圖5 第四系松散體滑坡水平位移場圖

圖6 第四系松散體滑坡破壞場圖

圖7 飽水邊坡雨水滲流場圖

圖8 飽水邊坡滑坡水平位移場圖

(2)雨水作用下的邊坡

由模擬圖7和圖8可知，在雨水入滲條件下，第四系松散體飽水邊坡較干燥邊坡，沉陷弧形破壞的范圍和位移量大大增加，說明在雨水入滲軟化作用下，將進一步加劇邊坡滑動破壞的程度。

6 滑坡加固方案穩(wěn)定性數值模擬分析

6.1 加固方案

根據對勝利露天煤礦滑坡的機理分析，確定使用預應力錨索框架梁控制技術，同時結合高壓劈裂注漿技術，即采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術來綜合加固邊坡，具體布置見圖9。采用這一技術，既充分發(fā)揮了預應力錨索框架梁的優(yōu)勢，同時又通過高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠實施較高的張拉力。充分發(fā)揮張拉作用對巖土體的擠壓作用，可增加邊坡的抗滑能力，提高邊坡穩(wěn)定系數，對維護邊坡穩(wěn)定起到較好的加固效果。

6.2 效果模擬

為了達到最好的加固效果，采用數值分析方法模擬了三種邊坡加固方案進行對比分析：①干燥狀態(tài)；②采用預應力錨索框架梁加固技術；③預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固技術。

從三種方案的位移分布圖10來看，邊坡在無加固狀態(tài)下水平位移最大。采用預應力錨索框架梁，雖然也可以控制邊坡穩(wěn)定，但水平位移場分布則向滑面附近運移。而采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿下邊坡的水平位移最小，控制效果較好。另外，根據剪位移分布，在不加固狀態(tài)下，邊坡沿坡前端的滑面發(fā)生明顯的剪切滑移，而采用高壓劈裂注漿下滑動面的剪切應力最小，而且分布范圍明顯減小，由此作用下產生的剪切位移值也是最小的，控制滑坡效果顯著。

由圖11可以看出，不加固狀態(tài)下邊坡的破壞區(qū)域很大，在前段出現拉破壞集中區(qū)，為滑坡體，中間段也出現拉破壞，會出現拉裂縫，后緣則出現拉裂破壞，這與現場的變形破壞規(guī)律是一致的。采用高壓劈裂注漿下的邊坡塑性破壞范圍明顯減小，這主要是因為注漿增加錨固體周圍圍巖巖體強度，提高圍巖因錨索張拉而產生的拉破壞和剪切破壞。

綜合以上數值模擬分析結果，采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固措施下的邊坡力學性態(tài)最好，可以有效控制邊坡的變形破壞，實現對滑動體的有效控制。

7 工程應用

為有效控制邊坡，進一步防止滑坡災變的發(fā)生，在上述研究的基礎上，針對勝利露天礦潛在滑坡區(qū)(已出現一定數量的張裂縫)進行了現場試驗研究，具體方案為：

(1)疏水

由于水是導致東部非工作幫導致滑坡的主要因素，故對非工作幫潛在滑坡區(qū)加強疏排降水措施，在距離非工作幫坡口一定距離(20～50m)，修建地表排水溝；地下標高950～960 m位置，修建排水廊道，將地下水位降低到危險面或滑動面以下。涵洞尺寸2m×2 m，涵洞頂部做成拱形，拱高0.5 m利于受力，涵洞頂部設置放射狀泄水孔，將坡體內地下水匯入涵洞底部排水溝，然后排入礦山基坑，再通過水泵排出坑外。

(2)坡面處理

對滑坡體表面及后部坡面上的滑坡裂縫進行夯填處理。

(3)預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固

在滑坡前緣斜坡上，布置了三排錨索，錨索長度15～25 m，排距10 m，間距8 m，錨墩2m×2 m，用框架梁連接形成整體。在錨固段進行了多次加壓劈裂注漿，增強了錨索的錨固效果。

(4)現場監(jiān)測

加固方案在現場試驗過程中，在邊坡關鍵部位，有針對性地布置了多個智能監(jiān)測傳感器進行了監(jiān)控。監(jiān)測曲線見圖12。

圖9 滑坡防治工程方案設計剖面圖

圖10 三種加固狀態(tài)下水平位移分布圖

圖11 三種加固狀態(tài)下破壞場分布圖

根據監(jiān)控點(位于已夯實的張裂縫附近)的監(jiān)控曲線，施工初期邊坡在錨索預緊力的作用下產生一定的位移，20d后邊坡受力趨于平衡，變形曲線趨于平緩，沒有持續(xù)增長的變化趨勢，說明預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固后，邊坡巖體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果較好。

8 結論

本文以勝利露天煤礦邊坡為研究背景，采用現場調查、數值模擬與理論分析相結合的研究方法對邊坡穩(wěn)定進行了詳細的研究，主要得出如下結論：

(1)在現場勘查的基礎上，運用巖體力學理論和工程力學等理論，分析了勝利露天礦邊坡滑坡的主要影響因素，并通過數值模擬等手段模擬了滑坡災變機理。

圖12 監(jiān)測點水平位移隨時間變化曲線

(2)針對勝利露天煤礦滑坡的治理工程問題，提出了預應力錨索框架梁這一行之有效的控制技術，同時創(chuàng)造性地將其與高壓劈裂注漿技術相結合，形成新的滑坡防治技術，即預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術。該技術既充分發(fā)揮了預應力錨索框架梁的優(yōu)勢，同時又通過高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠實施較高的張拉力，充分發(fā)揮張拉作用對巖土體的擠壓作用，增加邊坡的抗滑能力，對維護邊坡穩(wěn)定起到了較好的加固效果。

(3)現場監(jiān)測表明，預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固邊坡新技術，控制效果顯著，方案可行、合理。

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