某露天矿内排土场边坡治理措施研究

2022-07-13吕拥军马明康

现代矿业 2022年6期

吕拥军许敏马明康

（1.山西煤炭运销集团猫儿沟煤业有限公司；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.煤矿安全技术国家重点实验室）

近年来，随着露天矿的不断发展，采剥工作的连续性变得尤为重要，尤其是排土工作，露天矿内排土场由于其基底多为泥岩或其他弱层，其边坡稳定性较差，在治理过程中往往需要考虑诸多影响因素。王立超等［1］基于强度折减法，运用ABAQUS对边坡稳定性以及抗滑桩的加强作用进行了研究；曾锦秀［2］基于上限法、平面刚架理论与弹性地基梁理论，对双排桩结构变形进行解析；陈春梅［3］研究了桩径和嵌固深度对弯矩和剪力的影响。

某露天矿内排土场南侧有行政福利区、工业广场，行政福利区距内排土场底部最小直线距离为43 m，工业广场距内排土场底部最小直线距离为20 m，该位置排土场边坡高度为65 m，应留设1.5倍边坡高度的安全距离（97.5 m），因此，安全距离不满足要求。为解决某露天矿内排土场边坡对周边构筑物的影响，制定抗滑桩、锚索加固方案，保证安全生产。

1 工程技术条件

矿田总体为单斜构造，地层走向为NNE～NE，倾向为NW，地层产状平缓，倾角为1°～2°，矿田上覆岩土层厚度为40～190 m，主采煤层为8#、9#、11#、12#、13#，受小窑开采影响，8#煤层有较大范围的火区。露天矿岩层的岩性主要为太原组2层灰岩、砂质泥岩、泥岩等，岩性比较单一，属半坚硬岩石类，构造简单，含水层属弱含水层，易于疏干，软弱夹层不甚发育，属于二类一型勘查类型。

内排土场台阶高度为10 m，平盘宽度为30 m，内排土场边坡整体坡角为16°，露天矿内排土场基底为泥岩层，物理力学性质较差，且受降雨及地下水影响，泥岩抗剪强度降低，内排土场整体稳定性降低，需重重新验算排土场边坡稳定性，并提出相应的边坡治理措施。

首先归纳以往地质资料的岩土试验研究成果，再对露天矿内排土场进行工程地质补充勘探，得到各层位岩石物理力学参数。采用与同类岩土类比及滑坡反分析法，确定岩土体物理力学参数，见表1。

如图1所示，本次治理方案所采用的计算剖面为NP1，NP1经过生活区和行政福利区。对现状边坡进行稳定性计算（图2），内排土场安全系数为1.310，不满足边坡安全储备系数的要求（根据相关规范，此类边坡稳定性系数须达到1.50以上）。

2 内排土场边坡治理措施

2.1 内排土场边坡治理措施适应性评价

（1）削坡压脚。结合内排土场边坡特征及露天矿现场生产情况，排土场最下部台阶距离行政福利区等构筑物的距离较近，不适宜进行压脚，因此内排土场不具备削坡压脚的条件。

（2）疏干排水。内排土场受自然气候影响，地下水对排土场边坡产生的影响有限，因此疏干排水不作为重点治理措施。

（3）支挡结构。在削坡减载以及疏干排水方法无法增加坡体稳定性的情况下，可通过加固结构物如边坡挡土墙、加固抗滑桩、混凝土连续墙、坡面柔性防护结构、预应力锚索及锚网等支护结构，或通过生态手段，对坡体进行绿化等措施，是滑坡治理中较常用的手段［3-5］。因此，针对内排土场目前变形及破坏情况，需要研究支挡结构对其稳定性提升的效果。

2.2 抗滑桩加固方案设计

对内排土场进行抗滑桩加固，首先应考虑的是滑弧所在的具体位置以及基底坚硬岩层的深度，从而确定抗滑桩加固的深度、位置以及加固效果。

在内排土场坡体上施加抗滑桩后，松弛区的坡体会倾斜向下滑动而导致桩体受到挤压，坡体位移将受到抗滑桩的抗滑力作用，抗滑桩产生形变，导致抗滑桩与岩土体之间产生向坡外位移的趋势，随着排土场及排土工作的发展，这种情况会更加明显［6］。坡体作用在柱上的压力荷载由坡体的合推力以及次要土拱效应的摩阻力构成，同时，桩身会产生对坡体的反作用力，从而使支挡坡体达到并保持其稳定的效果。

根据边坡稳定性计算并结合现场实际，抗滑桩的施工主要分为3个步骤：

首先是抗滑桩施工前的准备。在内排土场需要提前通过TRK仪器确定抗滑桩加固的位置，平整排土场地以便于安装井架及铺设出碴便道，抗滑桩区域必须做好排水及其他保护措施，确保正常施工［7-9］。根据边坡稳定性计算确定好边坡的抗滑桩施工设计，根据抗滑桩孔位十字线进行施工放点，同时需要考虑抗滑桩加固时存在的误差，四周分别增加5 cm。

第二步是抗滑桩桩身部位的施工。桩井施工时先打通中部部位，然后打通井壁周围部分，施工过程中需要时刻记录现场施工地质情况，尤其是排弃物料的赋存状态，为保证桩井开挖安全和护壁质量，桩井通过边挖边护壁的方法加固，护壁长度按每节1.5 m设置，在滑动面处需保持其连续性，在灌注护壁混凝土前，清理井壁周围多余的土体，保证护壁硅与围岩紧密贴合，在内排土场坡体滑动面处应增加护壁钢筋，浇筑混凝土时要做到对称和四周均匀捣固，防止模板偏移，井内开挖必须在上节护壁混凝土终凝后进行［10］。

第三步是桩身混凝土灌注。进行铺底与铺轨工作，保持内排土场边坡上的抗滑桩井内清洁，防治生锈腐蚀，延长其使用寿命。

抗滑桩布设在900 m平盘，按5 m间距，共布设3排，每排抗滑桩数量为40，每列抗滑桩间距为10～20 m，具体布设可根据现场地形进行微调（图3）。经抗滑桩加固后的内排土场边坡安全系数为1.512，满足安全储备系数要求（图4）。

2.3 锚索加固方案设计

将锚杆或锚索固定到边坡内部的稳定岩体中，运用其锚固作用将不稳定的滑坡体与内部稳定岩土形成一个整体，通过改变边坡的受力状态来增强滑坡体的抗滑力，提高边坡的稳定性。

根据现场踏勘情况，内排土场锚索的布置方式通过极限平衡计算方法及实际情况确定，锚索间距需要结合现场实际情况进行设计，首先预应力锚索是群锚机制，锚索间距过大或过小，受力均无法达到均衡，承受的下滑力就会偏低，抗滑力也将降低，且经济性也不合理。

根据以往研究成果，当锚索间距过小时，锚孔间距较近，应力过于集中会使得锚孔周围的岩体承受较大的载荷，造成松弛区的塌陷，影响锚固效果。根据以上因素综合考虑，最佳的锚索间距取值范围为3～6 m，且最小间距不应小于1.5 m。综合以上因素，并结合边坡实际情况，确定本工程锚索间距为6 m，排距为4.5 m（图5）。

锚索自由段长度受内排土场坡体滑动面下坚固岩体埋深的控制，根据行业设计规范及国家标准，预应力锚索自由段应超过滑动面的长度不小于1.5 m。通过稳定性分析确定了潜在滑移面的埋深，经锚索加固后的内排土场边坡安全系数为1.525，满足安全储备系数要求（图6）。

以上2种加固方法的边坡稳定性系数均满足安全储备系数1.50的要求，但通过经济对比可知，抗滑桩加固成本远大于锚索施工加固，因此，最终确定采用锚索加固方案，且锚索加固施工不易受地形等限制，在治理过程中需注意冻融期及汛期施工问题，避免混凝土浇筑不充分而导致加固效果降低。要验证加固效果，还需对治理后的边坡进行实时监测，并分析监测成果。

3 内排土场边坡监测系统完善

内排土场紧邻行政区和生活区，其边坡稳定性尤为重要，结合猫儿沟露天矿生产实际及监测点布设情况，内排土场目前监测点均为人工监测点，测量周期长，且存在一定的误差性，不能实时监测内排土场边坡变化情况，因此需增加GNSS自动监测点，对内排土场边坡进行实时监测，监测点布设见图7。

共布设9条监测线，其中JCX1、JCX2主要用于监测沙万新村上方内排土场区域边坡，JCX3～JCX7用于监测行政福利区上方内排土场区域边坡，JCX8与JCX9用于监测韩河公路上方边坡，各监测线上各布设3个监测点，共计27个，为保证实时掌握治理后边坡变形情况，需每日对监测数据进行统计，并对异常数据现场核实，派专人进行现场核查与巡视。