安振華

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036506）

露天礦開采過程中邊坡失穩(wěn)是最為常見的工程問題，該問題能否得到妥善處理直接關(guān)系到露天采場(chǎng)的正常開采生產(chǎn)及工作人員的生命安全。某露天礦由于其地層巖性較軟，且邊坡傾向與巖層傾向一致，很容易發(fā)生蠕動(dòng)變形。在長(zhǎng)期開采擾動(dòng)及大氣降水的影響下邊坡的穩(wěn)定性更加難以保證，因此決定采用削坡減載技術(shù)及數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)整體邊坡進(jìn)行治理，保證開采生產(chǎn)安全。

1 邊坡概況

1.1 開采現(xiàn)狀

某露天礦在開采過程中一側(cè)邊幫已達(dá)開采境界，而該邊幫由于長(zhǎng)期的風(fēng)化侵蝕以及地下水的軟化，已發(fā)生較嚴(yán)重的蠕動(dòng)變形，呈現(xiàn)出扇形變形特點(diǎn)。兩側(cè)剪切裂隙在中上部較為明顯，下部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象高度約1.2 m 左右，右側(cè)出現(xiàn)羽狀裂縫。因此決定采用削坡減載工程治理方案對(duì)該邊坡進(jìn)行治理。

1.2 邊坡巖體地質(zhì)條件

1）巖體巖性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘探數(shù)據(jù)以及地質(zhì)資料顯示，該邊坡變形區(qū)域的巖體特征為人類活動(dòng)層、第四系坡洪積層、新第三系煤層段、新第三系薄煤層炭質(zhì)黏土巖段等組成。整體巖性較軟，在開采過程中易發(fā)生膨脹變形，且容易受到地下水的影響。

2）地下水特征。該邊坡內(nèi)的巖溶水以白云質(zhì)灰?guī)r為主，有埋藏較深、對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小的特點(diǎn)；在第四系坡洪積層巖系中含孔隙水，透水性以及連通性較差且受季節(jié)影響嚴(yán)重，埋藏也淺，水量較小，因此對(duì)邊坡穩(wěn)定性較?。涣严端蟛糠仲x存在新第三系巖層中，且分布大多無明顯界限，由于炭質(zhì)黏土層以及黏土巖對(duì)裂隙水的阻隔作用，地下水很容易在這一地帶積聚，且大氣降水也會(huì)積聚在此處，很容易由于長(zhǎng)期浸泡作用對(duì)巖體進(jìn)行軟化侵蝕形成軟弱結(jié)構(gòu)面，因此對(duì)邊坡穩(wěn)定性危害較大。

3）工程地質(zhì)。由于該邊坡傾向與巖層傾向接近，因此容易發(fā)生順層滑動(dòng)；表層巖性以黏土及褐煤等軟弱結(jié)構(gòu)為主，在長(zhǎng)期地下水地表水軟化作用下穩(wěn)定性大幅降低；采動(dòng)過后巖層裸露在地表下長(zhǎng)期的風(fēng)化作用也降低了巖體穩(wěn)定性[1]。

1.3 邊坡蠕動(dòng)變形因素分析

結(jié)合該露天礦邊坡開采現(xiàn)狀以及巖體地質(zhì)條件進(jìn)行分析，邊坡的整體蠕動(dòng)變形原因?yàn)檠剀浫踅Y(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移失穩(wěn)，受重力及地下水影響較為嚴(yán)重。表層巖性較軟且具膨脹性，因此易發(fā)生邊坡變形，而且邊坡傾角與地層接近加劇了邊坡蠕動(dòng)變形現(xiàn)象的發(fā)生；地下水及地表水歷來是邊坡變形的主要影響因素，在大氣降水過程中地表水大量的滲流，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性急劇下降。水體的富集降低了巖體力學(xué)強(qiáng)度并產(chǎn)生了孔隙水壓，加速了巖層破壞，因此水的作用成為邊坡蠕動(dòng)變形的主要影響因素。

2 邊坡破壞機(jī)制及力學(xué)參數(shù)

該露天礦邊幫界限清晰，在地質(zhì)勘探過程中表明了具體的滑面位置，因滑面處巖層巖性為黏土巖夾雜薄煤層，邊緣陡壁約為0.7 m 左右分布不均勻，且該滑面裂隙較為發(fā)育。在弱結(jié)構(gòu)面上發(fā)生的滑動(dòng)主要以順層滑動(dòng)（見圖1-1）以及底部的圓弧滑動(dòng)（見圖1-2）為主，邊幫處由于其厚度較大存在著蠕動(dòng)型滑坡，邊坡破壞機(jī)制大致為：邊坡發(fā)生變形、整體開始蠕動(dòng)滑移、后緣推移滑移三個(gè)階段，具體形式見圖1。

圖1 露天礦邊坡滑動(dòng)破壞形式

巖層物理力學(xué)參數(shù)，該露天礦邊坡主要以黏土、褐煤夾矸為主。表層砂土飽和密度為1.866 t/m3，黏聚力為23.5 kPa；粉質(zhì)黏土飽和密度為1.787 t/m3，黏聚力為30.34 kPa；下部煤層中褐煤飽和密度為1.332 t/m3，黏聚力為27.56 kPa；褐煤夾矸飽和密度為1.924 t/m3，黏聚力為32.04 kPa；黏土巖層的飽和密度為2.011 t/m3，黏聚力為30.18 kPa。此處僅對(duì)主要巖層參數(shù)進(jìn)行列舉，經(jīng)地質(zhì)勘探后所得數(shù)據(jù)匯總各巖層的力學(xué)參數(shù)值見表1。

表1 邊坡表面巖體力學(xué)參數(shù)

3 邊坡穩(wěn)定性分析治理

露天礦的邊坡穩(wěn)定性分析治理是一項(xiàng)綜合工程，根據(jù)不同礦區(qū)的地質(zhì)條件呈現(xiàn)出不同的時(shí)效性。該礦邊坡的穩(wěn)定性基本取決于較軟的巖性以及地表水、地下水的作用。在工程實(shí)際中該因素下發(fā)生的邊坡破壞類型有：平面滑動(dòng)、楔形破壞、圓弧滑動(dòng)等等[2]。而數(shù)值模擬中常用的破壞形式為圓弧滑動(dòng)。該露天礦的邊坡剖面示意圖如圖2 所示，現(xiàn)根據(jù)其剖面圖分析邊坡可能發(fā)生滑移的滑移面穩(wěn)定效果。

圖2 露天礦邊坡剖面示意圖

根據(jù)表1 中的巖體力學(xué)參數(shù)建立地質(zhì)模型，并利用數(shù)值模擬對(duì)邊坡在地下水條件下以及邊坡自重條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，得出該礦進(jìn)行邊坡治理前的穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

表2 露天礦邊坡治理前穩(wěn)定性系數(shù)

分析表內(nèi)數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，該礦邊坡的實(shí)際情況與第二組數(shù)據(jù)較為接近，也就是符合在地下水影響下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，取值均在1.103 以下，根據(jù)滑坡防治工程技術(shù)規(guī)范要求，該露天礦邊坡設(shè)計(jì)不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。因此應(yīng)對(duì)邊坡設(shè)計(jì)方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性處理，根據(jù)受地下水較為嚴(yán)重的特點(diǎn)進(jìn)行削坡減載工程治理，即對(duì)邊坡進(jìn)行平整以及邊幫錨噴加固，改變邊坡形狀以提高邊坡的穩(wěn)定性。處理后該露天礦邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表3。可以看出，在削坡減載治理工程完成后剖面的穩(wěn)定性系數(shù)均可滿足滑坡防治技術(shù)規(guī)范，穩(wěn)定性系數(shù)保持在1.1 以上。

表3 露天礦邊坡治理后穩(wěn)定性系數(shù)

4 工程實(shí)際效果

根據(jù)該露天礦邊坡的蠕動(dòng)變形情況進(jìn)行治理，以削坡減載的治理方案，減少邊坡巖體上的載荷，下方煤層避免因受到壓力發(fā)生推移變形，保證邊坡的穩(wěn)定性即開采生產(chǎn)安全，在長(zhǎng)達(dá)18 個(gè)月的治理過程中，累計(jì)削坡排土量達(dá)83 萬m3，錨固費(fèi)用約200 萬元。對(duì)完成治理后的邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)其變形量大幅下降，已可進(jìn)行煤炭正常開采工作，根據(jù)實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 露天礦邊坡削坡減載治理穩(wěn)定性系數(shù)

從表4 可以看出，在對(duì)邊坡進(jìn)行削坡減載過程治理后，邊坡由于其整體坡角變緩且邊幫得到錨固，穩(wěn)定性大大加強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)保持在1.2 左右，滿足邊坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范。能夠保障采區(qū)的正常開采生產(chǎn)安全。該露天礦邊坡治理的良好成效，也可以看出削坡減載邊坡治理工程在實(shí)際工程應(yīng)用中的合理性，可將該成熟的技術(shù)方案應(yīng)用于各露天煤礦的邊坡治理防護(hù)工程當(dāng)中[3]。

5 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬對(duì)露天礦邊坡削坡減載治理前后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，可以通過數(shù)據(jù)明顯看出經(jīng)過削坡減載工程治理能夠有效增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，降低邊坡蠕動(dòng)變形現(xiàn)象的發(fā)生。該技術(shù)的成熟應(yīng)用為類似條件下露天礦的邊坡治理提供了典型案例，應(yīng)用效果也比較成功。

2）該露天礦邊坡在大氣降水以及地下水影響下使其穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，而且邊坡巖性較軟且破碎，在開采擾動(dòng)下易發(fā)生膨脹破壞，長(zhǎng)期開采過程中邊坡仍有發(fā)生滑坡的可能，需加強(qiáng)邊坡的監(jiān)測(cè)以及連續(xù)降水天氣的疏干排水工作。

3）露天礦的土地復(fù)墾及綠化過程可有效改善露天開采帶來的破壞，也可減少水土流失及滑坡災(zāi)害。加強(qiáng)該方面的管理與投入對(duì)煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義。