马熹焱

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122）

水是影响露天矿边坡稳定的一个重要因素，纵观抚顺西露天矿的滑坡历史，多次与水有关。疏干排水既可在边坡参数不变的情况下提高边坡稳定性，又可在边坡稳定满足要求的情况下，优化边坡参数，提高边坡经济效益，并且不干扰采剥工程进展，是最为直接有效的边坡防治措施之一。

1 北帮研究区水文地质调查

通过对抚顺西露天矿北帮的水文地质条件情况调查，其总体表现为渗透性良好的第四系冲积层覆盖于渗透性较差的裂隙基岩上，构成1 个较为复杂的含水系统。该含水系统边界清楚，北面的浑河为其补给边界，南部的矿坑北帮边坡为其排泄边界，再加上大气降水和工业民用废水的入渗使得各含水单元组合在一起，构成了一个立体的、水力联系密切的地下含水系统。北帮水文地质条件主要分为冲积层水文地质条件和基岩地下水水文地质条件。

露天矿滑坡，大量发生在雨后、雨季和解冻期，或因疏干排水措施不当所致。水是影响露天矿边坡稳定的一个重要因素，水对边坡的不利影响主要表现在：软化岩石、降低岩石强度以及作用于边坡的静水压力和动水压力。

根据现场踏勘情况，地下水渗出层位主要为褐色页岩，并呈条带状展布，地下水渗出后浸湿下部坡面，流向坡底水沟或直接渗入坡底风化松散碎屑中，渗流至下部岩层或形成平盘积水。出水点遍布整个研究区域，地下水问题较为突出。而北帮排水系统由于受到采剥工程的破坏，造成无水沟、临时性自然开挖水沟的情况较多，渗透性较好，导致截排水效率严重下降。

通过现场调查，在E1000 滑坡形成的东侧坡面上，出现1 个出水点，流量较大，该出水点的水源是沿原台阶面与上部坍塌滑落的松散体接触面流出，通过设置排水管道将水流引至排水系统，原滑坡体东侧坡面的出水点水流基本消失。初步判断坡体东侧坡面出水点为坡面渗水的排泄，但尚不能确定坡面渗水来源是受冲积层溢流补给的浅部风化岩体裂隙水自然排泄，还是受白垩系砂岩构造裂隙含水单元越流补给的承压水排泄。

2 疏干方案

2.1 疏干对象和范围

任何给定的疏干装置的排泄量均将取决于该疏干装置与岩体间的水力联系，水力性质一定时，与岩体不连续面、优势渗流带的联系愈好，在距疏干装置某一距离处的压力释放亦愈大。所以疏干装置的设计必须考虑局部的渗流条件及截交较多的流迹[1-4]。

根据水文地质调查分析可知，北帮研究区边坡水补给源有2 处：第四系冲积层的溢流补给和白垩系砂岩构造裂隙含水单元越流补给。其中第四系冲积层的溢流补给主要靠永久性或临时性的截排水沟和泵站排水，而白垩系砂岩构造裂隙含水单元越流补给形成的地下承压水则是本次疏干排水措施研究的重点。

不利的地下水条件引起的边坡稳定性降低，主要受岩体内潜在滑动面上水压力的影响，疏干的首要目的是要把危险区段内的水压力降低到切实可行的程度。通过反复搜索计算，确定边坡潜在失稳滑动面，并将疏干范围确定为潜在滑面以下20 m。

2.2 疏干方案

疏干方式的选择主要依据研究区地层岩性、地质构造、渗透性能、地下水补给方式与水力联系、疏干技术水平和经济条件等。针对北帮研究区地下水的疏干，可采用的方式有水平疏干孔；疏干井；疏干巷道。

1）方案1：水平疏干孔。绿色泥岩与褐色页岩互层结构的北帮岩体，形成分层含水体，初步估计含水层达30 多层。根据现场情况，由上至下拟布设3 排水平疏干孔，分别为-7 m 水平、-84 m 水平、-146 m水平。为使钻孔内的水外流方便，钻孔应有3°～8°向外倾斜的坡度，这样还可以自清孔中的泥沙，钻孔直径一般为120～200 mm，孔深超过潜在滑面20 m，研究区水平放水孔布置图如图1。

图1 研究区水平放水孔布置图

2）方案2：疏干井。对于具有较高水位的露天采场边坡，采用疏干井方法降低地下水水位。根据实际情况，计划在北帮研究区顶部基岩台阶（+22 m 水平）打1 排疏干井，并在研究区东西两侧各个台阶上施工疏干井，形成2 列，防止东西两侧地下水流向研究区，对研究区形成U 型包围，北帮疏干井示意图如图2，北帮U 型疏干巷道平面示意图如图3。

图2 北帮疏干井示意图

图3 北帮U 型疏干巷道平面示意图

3）方案3：疏干巷道。疏干巷道能够穿过较多的岩层，有可能交切较多的含水层和结构面。根据北帮研究区实际情况，考虑在北帮煤层或者油页岩层中施工U 型疏干巷道。方案包括在巷道内向上施工垂直及倾斜辅助疏干孔和在边坡28 干线台阶上向下垂直施工定向钻孔。使岩体孔隙水自然下放到巷道内，再与某露天矿排水系统相连排出矿坑。

2.3 疏干方案比较

1）技术比较。对比3 种疏干排水方案，首先从技术角度出发，3 种疏干排水方案分别具有以下优缺点：①水平疏干孔的主要优点是施工迅速，安装简便，靠重力疏干，布设灵活，能适应地质条件的变化，但穿透含水层较少，根据水平放水孔的深度、角度及北帮岩层倾角、厚度等参数推算，同一水平的1 排钻孔最多能穿透3～5 层到界边坡含水层，疏干范围有限；②疏干井的主要优点是在东区开采施工过程中实施，保证东区开采工程无水作业，降低采矿成本，保证边坡稳定，但对抽水设备的性能要求较高，一般的设备难以满足生产的需要，从而要进行专门定制，并且当设备出现故障时势必会导致边坡水压力的提高；③疏干巷道的主要优点是不受气候影响，能长期使用，且不与采掘工作面作业相干扰，效果可靠。能回收一部分油页岩或者煤炭资源，但施工难度较大，对施工技术、支护技术和设备精确度要求也比较高。

根据以上3 种疏干排水方案优缺点的对比，同时结合现有的施工技术分析可知，方案1 与方案2在技术上优于方案3。因此通过技术分析确定方案1和方案2 作为备选方案，结合经济比较，再最终确定相对较为合理的疏干排水方案。

2）经济比较。2 种备选方案经济对比如下：①施工成本，水平放水孔孔径、施工难度低于疏干井，施工成本与孔径呈正相关，所以水平放水孔施工费用低于疏干井；②抽放水成本，水平放水孔施工过程中有一定的仰角，水靠自身重力直接排出孔外，疏干井需要专门定制的水泵、电力系统进行供电、专门的工作人员进行疏干排水；③2 种疏干排水方式都需要定期进行维护，但疏干井维护成本高于水平放水孔。

通过技术、经济比较，同时结合现场的实际情况可见：方案1 疏干排水方案技术上可行，经济上合理，优于方案2、方案3，方案1 被选为最终方案。

3 北帮东区边坡稳定性评价

结合对北帮边坡出露岩层进行工程地质测绘的成果，建立工程地质简化模型和稳定性分析模型。

3.1 计算方法的确定

极限平衡法是当前边坡稳定性分析常用的方法，这种方法的优点在于计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。随着计算机的出现和发展，又出现了一些求解步骤更为严格的方法，如Morgenstern-Price 法、Spencer 法等[5-8]。

本次稳定计算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法来确定边坡的稳定性系数。该方法的特点是考虑了全部平衡条件与边界条件，消除计算方法上的误差，并对Janbu 推导出来的近似解法提供了更加精确的解答。

3.2 边坡稳定

1）边坡稳定性计算。本次边坡稳定计算考虑了现状边坡与设计边坡2 种边坡轮廓，分别采用以往北帮稳定研究推荐的综合指标和本次反算指标进行计算。反算指标涵盖地下水因素，无需再叠加地下水的影响，用于计算局部边坡的稳定情况；前期推荐指标则需考虑边坡无水状态和褐色页岩饱水状态，用于计算整体边坡稳定情况。结合地质调查，褐色页岩为北帮主要含水层，且坡面渗水点较多，范围较广，考虑褐色页岩饱水符合现场实际情况。

2）边坡稳定性分析。由计算结果分析可知，北帮东区现状边坡在褐色页岩饱水状态下，稳定系数为1.10～2.43，其中E1600 最小为1.10，E3400 最大为2.43。边坡稳定系数随着总体边坡角由西向东变缓而逐渐增大，总体稳定情况尚可。边坡体内的重力水疏干后，稳定系数为1.29～2.70，现状边坡E1600 稳定系数提高到1.36，E3400 稳定系数提高到2.70。

在褐色页岩饱水状态下，除东西两侧边坡调整较小外，E1500～E2800 边坡稳定系数基本介于1.0～1.1 之间，稳定情况较差。边坡体内的重力水疏干后，边坡稳定系数提高至1.21～2.34，稳定情况较好。

4 结语

1）通过水文地质调查，确定北帮研究区边坡出水层位为绿泥岩互层层组中的褐色页岩层。补给源主要为第四系溢流补给和白垩系砂岩构造裂隙含水单元通过F1断层的越流补给。

2）在水文地质调查和分析计算的基础上，确定了研究区边坡主要疏干对象和疏干的边坡深度范围；提出了水平疏干孔、疏干井、疏干巷道3 种边坡水疏干方案，结合矿山具体情况，通过技术和经济比较，确定水平疏干孔为最优方案。

3）采用极限平衡法，考虑边坡不含水和饱水2种情况，对研究区现状边坡和设计边坡分别进行计算，计算结果表明：无论是现状边坡还是设计边坡，边坡体内含水层中的重力水疏干后，稳定系数均有0.2 以上的增幅，由此可见疏干排水对于提高边坡稳定的重要程度和可观效果。