急傾斜煤層開采高陡順層邊坡加固綜合技術應用

文/齊中元

一、高邊坡工程概況

達子營—戈家窯段位于寧武縣新堡鄉達子營和戈家窯村附近，為昌元煤礦五段劃分中的第二段，起始樁號為K1+707.6，止訖樁號為K2+722.2，長度1014.6m。該段人工切坡放臺后沿5#煤層底板形成的邊坡（亦稱下盤邊幫），坡頂高程1818m，開挖后坑底高程1600m，高差218m；巖層傾角約70°，各臺階坡度等于巖層傾角，切坡后最終邊坡角46°；臺階設計高度15m，平臺設計寬度5m；坡面近似于三角形，坑底長度720m；該邊坡位于石炭系中統本溪組巖層內，邊坡走向和巖層走向一致，屬順層邊坡。如圖1所示。

圖1 治理區開挖形成的邊坡剖面圖

開挖后形成的高邊坡特別是5#煤層底板邊坡是否穩定，需在分析邊坡工程地質條件的基礎上再進行評價，并據此提出治理措施，為綜合治理工程的安全施工提供保證。

二、高邊坡工程地質條件

1.地形地貌

邊坡工程區位于寧武縣新堡鄉達子營和戈家窯村附近，地貌單元上屬低中山。區內地面標高在1675.0m~1825.0m之間，相對高差約150.0m。

2.地層巖性

場地內分布的第四系地層主要為人工填土（Qml）及坡積（Qdl）碎石土層，下伏基巖主要為二疊系（P）粗砂巖、泥質頁巖，石炭系（C）粗砂巖、泥質頁巖、泥巖、細砂巖、煤層及奧陶系（O）灰巖。

3.水文地質條件

地下水主要為賦存于各巖層中的基巖裂隙水。基巖裂隙水受基巖裂隙發育程度及裂隙充填情況影響，各處富水情況不一，未形成連續水位面。基巖裂隙水穩定水位埋深7.37~22.87m，標高1689.13m~1783.27m。

4.地震

據山西省（78）震字批29號文及山西省區域地震基本烈度圖，本區地震烈度為7度，設計地震基本加速度值為0.15g，設計地震分組為第二組。

該治理工程開挖形成底板邊坡在本溪組內，如圖2所示，軟硬巖層相間，互層排列，大部為軟巖，只有少量硬巖，但層薄，不穩定，不利于邊坡的形成和穩定。

圖2 治理區開挖形成底板邊坡巖性組合特征

圖3 預應力錨索結構示意圖

三、高邊坡整治加固措施

在深入研究已有工程地質、水文地質資料和周邊環境條件的基礎上，經實地踏勘，采取卸載減壓、預應力錨索加固、架設主被動防護網、預裂爆破開挖、防排水以及穩定性監測等高陡邊坡綜合整治加固措施。

1.卸載減壓

卸載的目的是為減弱5#煤層底板下的石炭系上統太原組和石炭系中統本溪組的巖石因自重對邊坡下部造成較大荷載，削弱其剪應力。為此，在治理工程中根據工程地質條件從坡頂逐級放臺、放坡至設計標高。

達子營—戈家窯段高邊坡共卸載約39.7萬m3，降荷91.3萬t，大大降低了因巖體自重而產生的下剪力。卸載降荷后，高邊坡上部坡度減緩，最終邊坡角為42°。

2.預應力錨索加固

為防止高邊坡發生潰屈破壞，根據地質勘查成果和最佳安裝角、錨索的承載力等要素的計算結果，采用ASTM416-87a型φ15.2mm的高強度低松弛錨索鋼絞線。每束錨索6股鋼絞線，錨索拉力值1000KN，錨索孔徑φ130mm，錨孔垂直于臺階坡面，長度28~30m，自由段經防腐處理后分別套塑料管穿過潛在滑動層；錨固段長7m，置于潛在滑動層以下的穩定巖體中，使巖體不易剪切破壞，通過灌漿（M30）將鋼絞線與巖體連為整體，提供抗拔力。預應力錨索結構如圖3所示。

設計張拉值和鎖定值均為800KN，超張拉值為1.05倍的設計張拉值，分為5級張拉，每級張拉力依次為設計張拉力的25%、50%、75%、100%、105%；每級張拉應保持荷載5min，最后一級保持荷載10min。張拉全部完成后48h內，若測定的預應力損失值超過設計張拉力的10%時，補償張拉后鎖定。

由于邊坡高度較大，開挖會造成坡體一定范圍內的地應力重新分布，靠近坡體下部會出現剪應力的集中，以防止因應力集中而發生的巖體潰屈破壞。在坡體下部設置預應力錨索，設計結構為群錨結構，呈矩陣排列，縱向成排，豎向成行，錨索間距5×5m。

高邊坡在實施預應力錨索加固后，邊坡的穩定性均保持在2年以上，表明預應力錨索對邊坡加固后具有長期有效性和經濟合理性。

3.預裂爆破開挖

臨近最終邊坡的爆破采用預裂爆破的方法，最大程度地減少了爆破震動對山體的擾動，且獲得較平整的邊坡輪廓，取得較好的效果。采取預裂爆破方法，雖然提高了臨近最終邊坡的局部爆破成本，但大大減輕高邊坡因頻繁爆破產生的疲勞效應，減少了高邊坡的維護工程量，節約了施工成本，維持了邊坡的安全穩定。

4.架設防護網及掛網噴護

為防止危巖活石墜落導致人員傷亡事故，根據邊坡的實際情況，架設被動式防護網，如圖4所示。在開挖過程中，遇到有一定面積的巖體較破碎且完全清除有困難時，可在該位置設置主動防護網。

圖4 主被動式防護網支護示意圖

在開挖過程中，遇到最終邊坡坡面上有一定面積的巖體破碎時，可對該區域進行掛網噴護，如圖5所示。

圖5 坡面掛網噴護示意圖

5.防排水

根據場地特征和地層情況，對于地表和地下水的控制，主要采取如下防治措施。

（1）地表水的控制：一是坡頂外圍設置截水溝；二是坡面排水，每級邊坡平臺上設置排水溝；三是平臺表面的硬化阻水，在砌完排水溝或安全擋墻之后，采用水泥砂漿硬化或鋪設隔水土工布的方式阻水。

（2）地下水的控制：主要措施是在坡面上設置仰斜式泄水孔，外傾5%，長度7.0~13.0m。

6.邊坡穩定性監測

（1）實施邊坡變形監測的目的：一是對邊坡穩定性進行實時動態監測，為施工提供邊坡三維位移數據；二是評價邊坡在施工中的穩定性，并作出預測預報，若位移數據異常時，及時發出預警；三是對邊坡可能出現變形破壞的區域、規模、滑動方向、發生時間及危害程度，及時做出分析和預報；四是統計邊坡位移數據，分析研究邊坡變形破壞的規律；五是通過邊坡穩定性監測，為工程提供可靠的安全保障。

（2）監測原理及應用軟件。利用測量機器人進行邊坡監測時，在所監測邊坡對面修建監測站，確保與邊坡所監測區域通視，在監測區域外布設基準點建立監測控制網，在邊坡上布設監測點。測量機器人通過對基準點的測量，應用后方交會法校正基站測量機器人的坐標，然后對監測點進行實時在線監測（測量周期約180個/小時），并將測量數據通過有線和無線通信方式傳輸到中央處理站，利用徠卡GeoMoSMonitor軟件及溫度氣壓傳感器對監測數據進行預處理，將數據轉換為GSI數據格式，存入數據庫中。數據庫中的字段包括序號、點名、X坐標、Y坐標、高程H、觀測日期等信息，并建立點表、觀測循環表等，由徠卡Geo-MoSAnalyzer軟件將所采集的數據生成各監測點位移曲線圖，由監測人員編制《高邊坡穩定性監測日報》和《高邊坡穩定性監測周報》以實現對礦區高邊坡的實時監控。

通過邊坡變形監測方案的實施，準確、及時、直觀地對高邊坡穩定性進行了監測、預警，為工程各階段施工的順利進行提供了可靠的安全技術保障，在實踐應用過程中取得了良好的效果。

四、結論

采取卸載減壓、預應力錨索加固、架設主被動防護網、預裂爆破開挖、防排水以及穩定性監測等高陡邊坡綜合整治加固措施，使得昌元煤礦火區和塌陷區綜合治理工程的高陡邊坡從開始形成到治理結束一直處于穩定狀態，此高陡邊坡綜合整治加固措施及時有效，具有推廣應用價值。