撫順東露天煤礦第四系邊坡錨索加固設(shè)計(jì)

于江浩，李 明，宋永威

（1.中煤工科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著我國(guó)露天煤礦開(kāi)采的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了大量的片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，給露天煤礦生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的安全隱患。露天煤礦邊坡失穩(wěn)是多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果，這就使得必須針對(duì)各個(gè)礦山的具體情況采取合理的治理措施[1-2]。目前大多數(shù)露天煤礦均采取擴(kuò)幫剝離、內(nèi)排壓腳、疏干排水等護(hù)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(wú)法通過(guò)擴(kuò)幫、壓腳等手段達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，使得大量煤層未被采出，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。而目前我國(guó)公路邊坡大多數(shù)采用預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的護(hù)坡方式，效果顯著，并且取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。為此，針對(duì)撫順東露天煤礦在無(wú)法采取擴(kuò)幫、內(nèi)排壓腳護(hù)坡措施的情況下，借鑒了公路邊坡錨索加固的經(jīng)驗(yàn)，將錨索加固措施應(yīng)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(shè)計(jì)參數(shù)，為同類(lèi)型的露天煤礦邊坡防護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 邊坡現(xiàn)狀

撫順東露天煤礦位于市區(qū)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(wěn)定性直接關(guān)系到交通公路的安全。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該露天煤礦南幫第四系邊坡有不同程度的沉降及數(shù)條裂隙。針對(duì)目前該露天礦南幫邊坡現(xiàn)狀，應(yīng)采取適當(dāng)邊坡加固措施，提高邊坡的穩(wěn)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(nèi)摩擦角相對(duì)于下部的玄武巖數(shù)值較小，力學(xué)性質(zhì)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(dòng)所致，而下部的玄武巖邊坡相對(duì)穩(wěn)定。第四系邊坡為南幫最上部的單臺(tái)階，該單臺(tái)階段高12 m，坡角38°，單臺(tái)階坡底平盤(pán)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(lái)源主要為降雨補(bǔ)給。由于下部基巖邊坡滿(mǎn)足穩(wěn)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(wěn)定性。需選擇合理的加固方案，以提高南幫第四系邊坡的穩(wěn)定性。由于地表境界緊鄰交通公路，所以無(wú)法采取擴(kuò)幫剝離的技術(shù)手段。又因南幫下部有煤層需開(kāi)采，及第四系單臺(tái)階坡底平盤(pán)寬緊10 m，不具備內(nèi)排壓腳空間。第四系邊坡為單臺(tái)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(nèi)，在坡面位置施加預(yù)應(yīng)力提高第四系邊坡的穩(wěn)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(nèi)的孔隙、裂隙水，進(jìn)一步提高第四系邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 地質(zhì)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(zhǎng)度達(dá)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(zhì)，塊狀構(gòu)造。玄武巖表層存在不同程度的風(fēng)化，風(fēng)化帶厚度平均1 m。撫順東露天煤礦南幫巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

安全儲(chǔ)備系數(shù)選取主要參考GB 50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范。

2 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 錨固力

錨索的錨固力是根據(jù)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(wěn)定系數(shù)；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(nèi)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(zhǎng)度，m；ψ 為錨固力與滑面夾角。

根據(jù)煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范邊坡穩(wěn)定性系數(shù)選取表，撫順東露天煤礦南幫第四系邊坡穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)該達(dá)到1.5 以上，故K=1.5。

根據(jù)南幫第四系邊坡工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型，第四系截面積為48 m2，設(shè)計(jì)錨索孔距5 m，第四系巖層密度1.8 t/m3，計(jì)算得所錨固的巖石重力為4 320 kN，設(shè)計(jì)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(jù)工程地質(zhì)簡(jiǎn)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(jù)巖土體物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，第四系內(nèi)摩擦角11.8°，黏聚力8.6 kPa，故φ=11.8°，C=8.6 kPa。

根據(jù)工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型，第四系與玄武巖分界面處滑動(dòng)帶長(zhǎng)20 m，設(shè)計(jì)3 排錨索，計(jì)算得每孔錨索所錨固的滑面長(zhǎng)度為6.6 m，故L=6.6 m。

2) 本文所提出的重載轉(zhuǎn)動(dòng)副可裝配性評(píng)價(jià)方法可以有效地指導(dǎo)雷達(dá)天線舉升機(jī)構(gòu)中重載轉(zhuǎn)動(dòng)副的裝配規(guī)劃，避免由于設(shè)計(jì)偏差及裝配順序不合理而導(dǎo)致的不可裝配性，提高了整機(jī)的裝配成功率。并且該可裝配性分析過(guò)程不僅只適用于此類(lèi)轉(zhuǎn)動(dòng)副也同樣適用于間隙配合的裝配體，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

預(yù)應(yīng)力錨索加固的機(jī)理是對(duì)滑體提供抗滑力，而錨索的錨固角對(duì)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(fā)揮錨索的加固作用。所以設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視錨固角，以便獲得預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡的良好加固效果。而最優(yōu)錨固角一般通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，按單位長(zhǎng)度錨索提供抗滑增量最大時(shí)的錨索下傾角為最優(yōu)錨固角。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算得錨固力與滑面夾角為35°，故ψ=35°。代入式（1）得，p=353 kN。設(shè)計(jì)每孔錨索預(yù)應(yīng)力為400 kN。

2.2 錨固段長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)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(fēng)化的較硬巖中，巖石為玄武巖。內(nèi)錨固段長(zhǎng)度不宜大于10 m。

錨索體從膠結(jié)體中拔出時(shí)，計(jì)算錨固長(zhǎng)度Lm1：

膠結(jié)體與錨索體一起沿孔壁滑移，計(jì)算錨固長(zhǎng)度Lm2：

設(shè)計(jì)中最后取錨固長(zhǎng)度L=Max（Lm1，Lm2）

式中：T 為設(shè)計(jì)錨固力，取值400 KN；K 為安全系數(shù)，取值2.0；n 為鋼絞線根數(shù)，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(jié)強(qiáng)度MPa；C2為砂漿與巖石的膠結(jié)系數(shù)MPa。

根據(jù)相關(guān)巖體錨固工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(zhì)量容易保證，故此安全系數(shù)K 可以取小值，本次工程考慮實(shí)際工程狀況，取值為2.0[3-4]。對(duì)砂漿與鋼絞線允許黏結(jié)強(qiáng)度C 取值，主要考慮因素為巖土體與砂漿的黏結(jié)質(zhì)量，根據(jù)大量已建的工程經(jīng)驗(yàn)，水泥砂漿抗拉強(qiáng)度達(dá)到32 MPa，極限黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到3.2 MPa，容許的黏結(jié)強(qiáng)度為1.6 MPa。

式（2）、式（3）表明：錨固段長(zhǎng)度由膠結(jié)體與孔壁之間的摩擦力確定；實(shí)際上，膠結(jié)材料同孔壁之間的摩擦力并不是均勻分布的，無(wú)論是解析法還是數(shù)值模擬法研究都表明：錨固段沿孔壁的剪應(yīng)力呈倒三角形，但是沿錨固段長(zhǎng)度迅速遞減；所以并不是錨固段越大，其抗拔力就越大，當(dāng)錨固段長(zhǎng)度長(zhǎng)到一定程度，抗拔力提高并不明顯，因此實(shí)用規(guī)范也特別規(guī)定錨固段長(zhǎng)度不宜超過(guò)l0 m[5-6]。在此次第四系邊坡錨索加固工程中，可以根據(jù)其地質(zhì)條件及以往經(jīng)驗(yàn)，取其經(jīng)驗(yàn)值。由于錨索界面為鋼絞線，第四系主要為黏性土，根據(jù)相關(guān)黏結(jié)強(qiáng)度取值標(biāo)準(zhǔn)，C1、C2取值分別為1.6、0.8。將C1代入式（2）計(jì)算得錨固長(zhǎng)度2.79 m，根據(jù)式（3）計(jì)算得錨固長(zhǎng)度為2.12 m，初步設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為3 m。

錨固段應(yīng)穿過(guò)滑動(dòng)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(fēng)化帶，故設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度4 m，3 排錨索自由段長(zhǎng)度從上之下分別為5、4、2 m[7-8]。在錨索自由段位置設(shè)置對(duì)中支架，錨固段采用對(duì)中隔離支架，起到將鋼絞線可靠分離的作用，對(duì)中支架的間距為2 m，對(duì)中隔離支架間距為1.5 m。

2.3 注漿材料

現(xiàn)場(chǎng)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(guò)4%，氯化物含量不超過(guò)使用水泥質(zhì)量的0.1%。

因第四系地層承載力較小，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)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(chǔ)上，自由段鋼絞線仍能傳遞預(yù)應(yīng)力至錨固段。

2.4 邊坡穩(wěn)定性

利用GeoStudio-SOLPE 軟件對(duì)撫順東露天煤礦第四系邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，該軟件是采用Morgenstern-Price（摩根斯坦-普瑞斯）法來(lái)確定邊坡的安全系數(shù)。其中利用的模型為前文中第四系邊坡工程地質(zhì)模型，基本參數(shù)為該露天礦南幫巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)參數(shù)。第四系邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果1.53，在錨索加固后第四系邊坡滿(mǎn)足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。

3 預(yù)應(yīng)力錨索施工設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索

在施工錨索鉆孔時(shí)，鉆孔孔位偏差不得超過(guò)100 mm，鉆孔孔口處傾角不得超過(guò)設(shè)計(jì)傾角3°，鉆孔在鉆進(jìn)長(zhǎng)度方向上的孔斜偏差不得超過(guò)鉆孔深度的2%，鉆孔孔深應(yīng)大于設(shè)計(jì)孔深500 mm，鉆孔的鉆頭直徑不超過(guò)設(shè)計(jì)鉆孔直徑3 mm。

為防止注漿時(shí)壓力過(guò)高導(dǎo)致地層破裂對(duì)第四系邊坡上部交通公路造成危險(xiǎn)，在第四系鉆孔內(nèi)部進(jìn)行注漿時(shí)，注漿壓力不得超過(guò)0.02 MPa。

錨索張拉利用液壓千斤頂提供預(yù)應(yīng)力，錨頭結(jié)合鎖片鎖死，張拉分為3 級(jí)，第1 級(jí)張拉至80 kN，第2 級(jí)張拉至200 kN，第3 級(jí)張拉至400 kN。張拉時(shí)，每級(jí)穩(wěn)壓3 min，同時(shí)記錄鋼絞線伸長(zhǎng)量。

在第四系邊坡錨索加固工程中應(yīng)均布分配一定數(shù)量的錨索應(yīng)力計(jì)，對(duì)錨索所受到的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，起到第四系邊坡預(yù)警的作用[9]。

由于第四系邊坡為松散黏土，強(qiáng)度指標(biāo)較低，容易發(fā)生淺層剝落，蠕滑等現(xiàn)場(chǎng)，所以應(yīng)采用鋼筋混凝土格構(gòu)形式提高邊坡錨索加固整體性，格構(gòu)內(nèi)可以進(jìn)行坡面綠化植被，與周?chē)沫h(huán)境相一致，同時(shí)可阻止坡面水土的流失，減少大氣降水的下滲，使格構(gòu)始終保持對(duì)坡面的預(yù)壓應(yīng)力，同時(shí)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(yù)應(yīng)力在邊坡表層附近的均勻地傳遞、避免過(guò)分的應(yīng)力集中和因巖土過(guò)大壓縮變形所引起的預(yù)應(yīng)力損失，又能加強(qiáng)各錨索之間的相互聯(lián)系，保證錨索在抗滑中的均勻性、連續(xù)性及整體性，格構(gòu)間則易于綠化以滿(mǎn)足景觀設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

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

2）對(duì)錨索加固方式的基本參數(shù)給出了設(shè)計(jì)，第四系邊坡在采取錨索加固方式后穩(wěn)定性系數(shù)可以達(dá)到1.50 以上。

3）針對(duì)第四系邊坡錨索加固參數(shù)給出了施工設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)方式，以及通過(guò)格構(gòu)梁的方式提高邊坡錨索加固整體性，起到更好的加固效果。