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(xiāng)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(tǒng)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(qū)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(wěn)定，需在分析邊坡工程地質條件的基礎上再進行評價，并據(jù)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(qū)位于寧武縣新堡鄉(xiāng)達子營和戈家窯村附近，地貌單元上屬低中山。區(qū)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?guī)r。

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(fā)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(xù)水位面?；鶐r裂隙水穩(wěn)定水位埋深7.37~22.87m，標高1689.13m~1783.27m。

4.地震

據(jù)山西?。?8）震字批29號文及山西省區(qū)域地震基本烈度圖，本區(qū)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(wěn)定，不利于邊坡的形成和穩(wěn)定。

圖2 治理區(qū)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(huán)境條件的基礎上，經(jīng)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(wǎng)、預裂爆破開挖、防排水以及穩(wěn)定性監(jiān)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(tǒng)太原組和石炭系中統(tǒng)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(jù)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(chǎn)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(fā)生潰屈破壞，根據(jù)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(jīng)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(wěn)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(xiàn)剪應力的集中，以防止因應力集中而發(fā)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(wěn)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(jīng)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(chǎn)生的疲勞效應，減少了高邊坡的維護工程量，節(jié)約了施工成本，維持了邊坡的安全穩(wěn)定。

4.架設防護網(wǎng)及掛網(wǎng)噴護

為防止危巖活石墜落導致人員傷亡事故，根據(jù)邊坡的實際情況，架設被動式防護網(wǎng)，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(wǎng)。

圖4 主被動式防護網(wǎng)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(qū)域進行掛網(wǎng)噴護，如圖5所示。

圖5 坡面掛網(wǎng)噴護示意圖

5.防排水

根據(jù)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(wěn)定性監(jiān)測

（1）實施邊坡變形監(jiān)測的目的：一是對邊坡穩(wěn)定性進行實時動態(tài)監(jiān)測，為施工提供邊坡三維位移數(shù)據(jù)；二是評價邊坡在施工中的穩(wěn)定性，并作出預測預報，若位移數(shù)據(jù)異常時，及時發(fā)出預警；三是對邊坡可能出現(xiàn)變形破壞的區(qū)域、規(guī)模、滑動方向、發(fā)生時間及危害程度，及時做出分析和預報；四是統(tǒng)計邊坡位移數(shù)據(jù)，分析研究邊坡變形破壞的規(guī)律；五是通過邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，為工程提供可靠的安全保障。

（2）監(jiān)測原理及應用軟件。利用測量機器人進行邊坡監(jiān)測時，在所監(jiān)測邊坡對面修建監(jiān)測站，確保與邊坡所監(jiān)測區(qū)域通視，在監(jiān)測區(qū)域外布設基準點建立監(jiān)測控制網(wǎng)，在邊坡上布設監(jiān)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(jiān)測點進行實時在線監(jiān)測（測量周期約180個/小時），并將測量數(shù)據(jù)通過有線和無線通信方式傳輸?shù)街醒胩幚碚?，利用徠卡GeoMoSMonitor軟件及溫度氣壓傳感器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，將數(shù)據(jù)轉換為GSI數(shù)據(jù)格式，存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)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(huán)表等，由徠卡Geo-MoSAnalyzer軟件將所采集的數(shù)據(jù)生成各監(jiān)測點位移曲線圖，由監(jiān)測人員編制《高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測日報》和《高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測周報》以實現(xiàn)對礦區(qū)高邊坡的實時監(jiān)控。

通過邊坡變形監(jiān)測方案的實施，準確、及時、直觀地對高邊坡穩(wěn)定性進行了監(jiān)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(wǎng)、預裂爆破開挖、防排水以及穩(wěn)定性監(jiān)測等高陡邊坡綜合整治加固措施，使得昌元煤礦火區(qū)和塌陷區(qū)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(wěn)定狀態(tài)，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。