撫順東露天煤礦第四系邊坡錨索加固設計

于江浩，李 明，宋永威

（1.中煤工科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著我國露天煤礦開采的不斷發展，出現了大量的片幫、滑坡等地質災害，給露天煤礦生產帶來了巨大的安全隱患。露天煤礦邊坡失穩是多種地質因素綜合作用的結果，這就使得必須針對各個礦山的具體情況采取合理的治理措施[1-2]。目前大多數露天煤礦均采取擴幫剝離、內排壓腳、疏干排水等護坡措施，效果良好。但某些露天煤礦因礦界、邊坡下部存在待采煤層等原因，無法通過擴幫、壓腳等手段達到最優的經濟效益，使得大量煤層未被采出，造成巨大經濟損失。而目前我國公路邊坡大多數采用預應力錨索加固邊坡的護坡方式，效果顯著，并且取得了豐富的經驗。為此，針對撫順東露天煤礦在無法采取擴幫、內排壓腳護坡措施的情況下，借鑒了公路邊坡錨索加固的經驗，將錨索加固措施應用到了礦山邊坡，取得了良好的效果，最終得出了撫順東露天煤礦邊坡錨索加固的設計參數，為同類型的露天煤礦邊坡防護提供借鑒。

1 工程概況

1.1 邊坡現狀

撫順東露天煤礦位于市區東部，居民建筑與露天礦相鄰，在該露天礦南幫地表境界外緊鄰1 條交通公路，所以該露天礦南幫邊坡的穩定性直接關系到交通公路的安全。經現場調查發現該露天煤礦南幫第四系邊坡有不同程度的沉降及數條裂隙。針對目前該露天礦南幫邊坡現狀，應采取適當邊坡加固措施，提高邊坡的穩定性，保證該露天礦南幫地表境界緊鄰的交通公路的安全。

撫順東露天煤礦南幫為順傾邊坡，巖層主要由上部的第四系和下部的玄武巖組成，第四系的黏聚力、內摩擦角相對于下部的玄武巖數值較小，力學性質較差，可以斷定撫順東露天煤礦南幫第四系邊坡沉降及裂縫是由于最上部的第四系邊坡蠕動所致，而下部的玄武巖邊坡相對穩定。第四系邊坡為南幫最上部的單臺階，該單臺階段高12 m，坡角38°，單臺階坡底平盤寬10 m，第四系與玄武巖分界面角度為17°，第四系邊坡坡面有滲水，滲水來源主要為降雨補給。由于下部基巖邊坡滿足穩定性要求，所以要保證撫順東露天煤礦南幫邊坡的安全，就需要提高第四系邊坡的穩定性。需選擇合理的加固方案，以提高南幫第四系邊坡的穩定性。由于地表境界緊鄰交通公路，所以無法采取擴幫剝離的技術手段。又因南幫下部有煤層需開采，及第四系單臺階坡底平盤寬緊10 m，不具備內排壓腳空間。第四系邊坡為單臺階，段高較小，坡角較陡，所以不具備施工抗滑樁的條件，而錨索加固就較為合理，因第四系巖層平均厚度僅為5 m，可以將錨索錨固在基巖層內，在坡面位置施加預應力提高第四系邊坡的穩定性。另外可以在第四系邊坡坡腳處施工水平放水孔，疏干巖層內的孔隙、裂隙水，進一步提高第四系邊坡的穩定性。

1.2 地質條件

撫順東露天煤礦南幫上部第四系為黃色、灰黃色。主要由礫石、粗砂、粉砂土、黏土組成。礫石最大長度達10 cm，磨圓度較光滑，主要成分為石英，硬度較大，錘擊不碎。下部基巖主要為玄武巖，灰綠色、灰黑色，隱晶質，塊狀構造。玄武巖表層存在不同程度的風化，風化帶厚度平均1 m。撫順東露天煤礦南幫巖土體物理力學性質指標見表1。

表1 巖土體物理力學強度指標

安全儲備系數選取主要參考GB 50197—2015煤炭工業露天礦設計規范。

2 預應力錨索參數設計

2.1 錨固力

錨索的錨固力是根據滑體在錨固力、巖體自重的作用下滑面上的平衡條件求出的。

式中：p 為錨索錨固力，kN；K 為邊坡穩定系數；W 為錨索所錨固的巖石重力，kN；β 為滑面傾角，（°）；φ 為滑面處巖體內摩擦角，（°）；C 為滑面處巖體黏聚力，kPa；L 為錨索所錨固的滑面長度，m；ψ 為錨固力與滑面夾角。

根據煤炭工業露天礦設計規范邊坡穩定性系數選取表，撫順東露天煤礦南幫第四系邊坡穩定系數應該達到1.5 以上，故K=1.5。

根據南幫第四系邊坡工程地質簡化模型，第四系截面積為48 m2，設計錨索孔距5 m，第四系巖層密度1.8 t/m3，計算得所錨固的巖石重力為4 320 kN，設計錨索3 排，則每孔錨索所錨固的巖石重力為1 440 kN，即W=1 440 kN。

根據工程地質簡化模型，第四系與玄武巖分界面角度為17°，故β=17°。

該露天礦南幫第四系邊坡滑面處巖體為第四系，根據巖土體物理力學強度指標，第四系內摩擦角11.8°，黏聚力8.6 kPa，故φ=11.8°，C=8.6 kPa。

根據工程地質簡化模型，第四系與玄武巖分界面處滑動帶長20 m，設計3 排錨索，計算得每孔錨索所錨固的滑面長度為6.6 m，故L=6.6 m。

2) 本文所提出的重載轉動副可裝配性評價方法可以有效地指導雷達天線舉升機構中重載轉動副的裝配規劃，避免由于設計偏差及裝配順序不合理而導致的不可裝配性，提高了整機的裝配成功率。并且該可裝配性分析過程不僅只適用于此類轉動副也同樣適用于間隙配合的裝配體，具有一定的工程應用價值。

預應力錨索加固的機理是對滑體提供抗滑力，而錨索的錨固角對抗滑力的大小有很大的影響，為了獲得良好的加固效果，降低加固成本，有必要充分發揮錨索的加固作用。所以設計中應充分重視錨固角，以便獲得預應力錨索對邊坡的良好加固效果。而最優錨固角一般通過技術經濟綜合分析，按單位長度錨索提供抗滑增量最大時的錨索下傾角為最優錨固角。根據現場施工條件，此次錨索加固錨固角為18°，錨固力與滑面夾角為錨固角與滑面傾角的和，滑面傾角為17°，計算得錨固力與滑面夾角為35°，故ψ=35°。代入式（1）得，p=353 kN。設計每孔錨索預應力為400 kN。

2.2 錨固段長度

設計采用錨索鉆孔直徑D=0.15 m，每孔采用3根鋼絞線，單根鋼絞線直徑d=0.015 2 m；注漿材料用M30 水泥砂漿。錨索錨固段置于弱風化的較硬巖中，巖石為玄武巖。內錨固段長度不宜大于10 m。

錨索體從膠結體中拔出時，計算錨固長度Lm1：

膠結體與錨索體一起沿孔壁滑移，計算錨固長度Lm2：

設計中最后取錨固長度L=Max（Lm1，Lm2）

式中：T 為設計錨固力，取值400 KN；K 為安全系數，取值2.0；n 為鋼絞線根數，取值3；d 為鋼絞線直徑，取值15.2 mm；D 為孔徑，取值150 mm；C1為砂漿與鋼絞線允許黏結強度MPa；C2為砂漿與巖石的膠結系數MPa。

根據相關巖體錨固工程經驗，對于K 值在邊坡和治理工程中，錨索孔作為灌漿孔，灌漿較為方便，灌漿質量容易保證，故此安全系數K 可以取小值，本次工程考慮實際工程狀況，取值為2.0[3-4]。對砂漿與鋼絞線允許黏結強度C 取值，主要考慮因素為巖土體與砂漿的黏結質量，根據大量已建的工程經驗，水泥砂漿抗拉強度達到32 MPa，極限黏結強度可達到3.2 MPa，容許的黏結強度為1.6 MPa。

式（2）、式（3）表明：錨固段長度由膠結體與孔壁之間的摩擦力確定；實際上，膠結材料同孔壁之間的摩擦力并不是均勻分布的，無論是解析法還是數值模擬法研究都表明：錨固段沿孔壁的剪應力呈倒三角形，但是沿錨固段長度迅速遞減；所以并不是錨固段越大，其抗拔力就越大，當錨固段長度長到一定程度，抗拔力提高并不明顯，因此實用規范也特別規定錨固段長度不宜超過l0 m[5-6]。在此次第四系邊坡錨索加固工程中，可以根據其地質條件及以往經驗，取其經驗值。由于錨索界面為鋼絞線，第四系主要為黏性土，根據相關黏結強度取值標準，C1、C2取值分別為1.6、0.8。將C1代入式（2）計算得錨固長度2.79 m，根據式（3）計算得錨固長度為2.12 m，初步設計錨固長度為3 m。

錨固段應穿過滑動帶（第四系與玄武巖分界面），考慮到第四系厚度較小，玄武巖又存在1 m 厚的風化帶，故設計錨固段長度4 m，3 排錨索自由段長度從上之下分別為5、4、2 m[7-8]。在錨索自由段位置設置對中支架，錨固段采用對中隔離支架，起到將鋼絞線可靠分離的作用，對中支架的間距為2 m，對中隔離支架間距為1.5 m。

2.3 注漿材料

現場注漿材料采用32.5 MPa 水泥，水泥漿水灰比為0.5，因本次工程為永久性工程，所以注漿體中的硫酸鹽含量不超過4%，氯化物含量不超過使用水泥質量的0.1%。

因第四系地層承載力較小，無法滿足設計預應力錨索錨固力400 kN 的要求，故采用全孔注漿形式，在自由段位置處將鋼絞線用聚乙烯塑料管包裹住，作為鋼絞線與水泥漿的隔離層，保證全孔所注水泥漿在提供足夠地層承載力的基礎上，自由段鋼絞線仍能傳遞預應力至錨固段。

2.4 邊坡穩定性

利用GeoStudio-SOLPE 軟件對撫順東露天煤礦第四系邊坡進行穩定性計算，該軟件是采用Morgenstern-Price（摩根斯坦-普瑞斯）法來確定邊坡的安全系數。其中利用的模型為前文中第四系邊坡工程地質模型，基本參數為該露天礦南幫巖土體物理力學性質指標和預應力錨索設計參數。第四系邊坡穩定性計算結果1.53，在錨索加固后第四系邊坡滿足安全儲備系數要求。

3 預應力錨索施工設計

預應力錨索加固設計如圖1。

圖1 預應力錨索

在施工錨索鉆孔時，鉆孔孔位偏差不得超過100 mm，鉆孔孔口處傾角不得超過設計傾角3°，鉆孔在鉆進長度方向上的孔斜偏差不得超過鉆孔深度的2%，鉆孔孔深應大于設計孔深500 mm，鉆孔的鉆頭直徑不超過設計鉆孔直徑3 mm。

為防止注漿時壓力過高導致地層破裂對第四系邊坡上部交通公路造成危險，在第四系鉆孔內部進行注漿時，注漿壓力不得超過0.02 MPa。

錨索張拉利用液壓千斤頂提供預應力，錨頭結合鎖片鎖死，張拉分為3 級，第1 級張拉至80 kN，第2 級張拉至200 kN，第3 級張拉至400 kN。張拉時，每級穩壓3 min，同時記錄鋼絞線伸長量。

在第四系邊坡錨索加固工程中應均布分配一定數量的錨索應力計，對錨索所受到的應力進行實時監測，起到第四系邊坡預警的作用[9]。

由于第四系邊坡為松散黏土，強度指標較低，容易發生淺層剝落，蠕滑等現場，所以應采用鋼筋混凝土格構形式提高邊坡錨索加固整體性，格構內可以進行坡面綠化植被，與周圍的環境相一致，同時可阻止坡面水土的流失，減少大氣降水的下滲，使格構始終保持對坡面的預壓應力，同時作為松散地層邊坡中廣泛采用的一種外錨頭形式，既有利于預應力在邊坡表層附近的均勻地傳遞、避免過分的應力集中和因巖土過大壓縮變形所引起的預應力損失，又能加強各錨索之間的相互聯系，保證錨索在抗滑中的均勻性、連續性及整體性，格構間則易于綠化以滿足景觀設計的要求。

4 結語

1）分析了撫順東露天煤礦南幫第四系邊坡工程地質條件，第四系力學指標較弱是影響邊坡穩定性的主要因素，比較各種加固措施對提高邊坡穩定性的可行性，最終選擇錨索加固的方式最為合理。

2）對錨索加固方式的基本參數給出了設計，第四系邊坡在采取錨索加固方式后穩定性系數可以達到1.50 以上。

3）針對第四系邊坡錨索加固參數給出了施工設計、監測方式，以及通過格構梁的方式提高邊坡錨索加固整體性，起到更好的加固效果。