阻能槽在山區(qū)煤礦地面變形應(yīng)急處置中的應(yīng)用

王彤標(biāo)，陳金宏，王劉文，彭濤

(1.貴州煤設(shè)地質(zhì)工程有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550025；2.貴州地礦六盤水113地質(zhì)工程勘察公司，六盤水 553000)

我國(guó)的一次能源主要取自煤炭，由于煤炭開采造成的地質(zhì)災(zāi)害也占全國(guó)礦山地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的70%以上[1-3]。貴州位于我國(guó)的西南山區(qū)，煤炭資源豐富，號(hào)稱“西南煤?！?，由于其特有的地理、地質(zhì)、氣候、水文條件，致使省內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害“種類全、損失重、數(shù)量多”[4]。截至2019年全省已知地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)共10 992處，其中滑坡就有6 758處，占到了61.5%。

這些滑坡有自然因素引發(fā)的，也有人為因素特別是采礦因素引發(fā)的。在對(duì)其進(jìn)行治理特別是應(yīng)急治理時(shí)，如果不分清其成因及運(yùn)動(dòng)特征，則或者難以達(dá)到治理效果，或者造成嚴(yán)重浪費(fèi)。

早在20世紀(jì)80～90年代，在治理陜西韓城電廠失穩(wěn)邊坡的時(shí)候，中國(guó)勘察大師范士凱先生即注意到了煤礦開采引發(fā)山體下方地面鼓脹變形這一特點(diǎn)[5]；中國(guó)勘察大師徐揚(yáng)清先生在其專著《采動(dòng)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論及工程實(shí)踐》[6]中也對(duì)其有詳細(xì)論述；《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中也專門指出下方煤礦采空后，引發(fā)地面變形的分區(qū)包括中上部擠壓下沉區(qū)、兩側(cè)剪切下沉區(qū)、坡體上方拉張變形區(qū)及特別值得注意的坡體下方的鼓脹變形區(qū)。另外，孫學(xué)陽(yáng)等[7-10]對(duì)煤礦開采引發(fā)地表變形及滑坡的機(jī)理、特點(diǎn)等進(jìn)行了研究；索永錄等[11]對(duì)急傾斜煤層開采后地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究;宋元坤等[12]對(duì)貴州山區(qū)煤礦地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了成因分析，均說明了煤礦開采與自然因素引發(fā)地面變形之間存在的差異。

本文以某煤礦為例，通過對(duì)其開采引發(fā)地面變形的特征分析，指出了這類變形與普通山體滑坡在運(yùn)動(dòng)方式等方面的差異，說明了準(zhǔn)確“會(huì)診病因”的重要性，并首次提出了“阻能槽”的概念，且通過穩(wěn)定性檢算論證了其在地面變形應(yīng)急處置中的有效性。希望“阻能槽”能為類似的應(yīng)急治理工程提供借鑒。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

變形區(qū)屬高原剝蝕中山斜坡地貌，西部上方斜坡坡度36°～45°，中、東部斜坡坡度5°～30°。變形區(qū)最高點(diǎn)位于西部后緣，海拔2 100 m左右；最低點(diǎn)位于東部公路邊緣，海拔1 999 m，相對(duì)高差約100 m。附近無(wú)地表河流,見圖1、圖2。

圖1 地面變形區(qū)地貌照片

變形區(qū)內(nèi)西部上方下伏地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)薄層狀砂泥巖，基巖多裸露，表層巖體較破碎；中、東部下伏地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)薄層狀砂泥巖。上覆第四系殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)粘土混碎石層，212省道公路施工時(shí)揭露厚度10 m左右。見圖3。

圖3 1-1′工程地質(zhì)剖面圖

變形區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層及褶曲，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，地層呈單斜產(chǎn)出，地層產(chǎn)狀246°∠80°；主要發(fā)育兩組交叉節(jié)理，產(chǎn)狀分別為15°∠55°、110°∠53°，發(fā)育密度一般5條/m。地形坡向與地層傾向相反。

2 坡體變形情況

何家屋基地面變形區(qū)位于正高煤礦老采空區(qū)之上的一處山體斜坡上，2010年前已開裂形成塌陷坑，之后變形一直較緩慢。自2018年11月1日之后，坡體變形加??；至2019年1月22日，坡體上電桿及樹木多處傾倒、裂縫增多且變寬，坡體后上方較陡區(qū)域破碎巖體持續(xù)垮塌且伴有較大聲響，坡體下方的公路擋墻被擠出破壞，造成212省道被迫封路。變形區(qū)地貌情況見圖1、圖2。由于臨近過年，且212省道屬于交通干道，封路對(duì)附近居民的生產(chǎn)生活造成很大影響，必須立即采取可靠有效的應(yīng)急處置措施以便盡快恢復(fù)交通。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查測(cè)繪，變形體平面縱向長(zhǎng)約190 m、橫向?qū)捈s100 m。變形坡體內(nèi)發(fā)育有20余處地裂縫，長(zhǎng)8～50 m，寬1～50 cm，可見深度2～50 cm，伴有不同程度的下錯(cuò)；變形體西部上方及中部為張裂縫，東部下方為鼓脹裂縫。另發(fā)育有3處橢圓形塌陷坑，深度1～3 m，面積約90～500 m2。

變形體西部上方基巖基本裸露，地形坡度38°，破碎巖體下滑方向?yàn)?5°；變形體中、東部下方土體較厚，據(jù)原公路建設(shè)資料(因?qū)賾?yīng)急治理，考慮時(shí)間及安全因素而暫時(shí)未做勘察)土體厚度10 m左右。參見圖2、圖3。

3 變形區(qū)煤礦開采情況

變形區(qū)位于正高煤礦礦界內(nèi)。該煤礦近年來一直在生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15×104t/a，礦井開拓方式為斜井開拓，采煤方法為偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤，全部垮落法管理頂板。

在變形區(qū)下方可采煤層共4層，編號(hào)為M66、M63、M52、M51，皆為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，形成的采空區(qū)較多,詳見表1及圖3。

表1 變形區(qū)下方正高煤礦可采煤層特征及開采情況表

從已有資料可知，變形區(qū)下方正高煤礦的老空區(qū)距離地表最近處僅有約50 m。

4 坡體變形機(jī)理分析

變形坡體所在斜坡地層巖性為飛仙關(guān)組碎屑巖組砂泥巖，抗風(fēng)化能力弱，工程力學(xué)性質(zhì)差，受地質(zhì)構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，即便沒有采礦影響，也易向下方崩塌、垮落，并形成坡體上陡下緩及上部基巖裸露、下部堆積物較厚的逆向坡。這種地貌特征在貴州煤礦山區(qū)十分典型，為坡體的變形提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和地形條件。

從本區(qū)的赤平投影分析可見(表2)，坡向與巖層傾向相反，穩(wěn)定性好；兩組交叉節(jié)理的交點(diǎn)、分別與巖層傾向的交點(diǎn)均位于P大圓內(nèi)側(cè)，穩(wěn)定性好。但兩組交叉節(jié)理的交點(diǎn)較靠近P大圓，說明地形坡度若再變陡，則可形成不穩(wěn)定楔形體，也說明了目前的坡度是自然選擇的結(jié)果。一旦有人工擾動(dòng)形成臨空面，破碎巖體有順坡滑動(dòng)的可能。

表2 變形區(qū)結(jié)構(gòu)面赤平投影分析圖

變形區(qū)下方煤層傾角很大，采空后地表變形以露頭線附近形成塌陷坑為主。原有老采空區(qū)形成后，2010年以前已形成塌陷坑；2017年底、2018年初再次開采后，引發(fā)新的塌陷及老塌陷坑復(fù)活從而引發(fā)了本次地面變形。變形區(qū)內(nèi)分布的20余處地裂縫、3處地面塌陷坑均位于正高煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)與變形影響范圍內(nèi)。

結(jié)合下方煤礦采空時(shí)間可以判定——變形區(qū)形成的次要外因?yàn)榇髿饨邓?、主要外因是煤礦開采，這是毋庸置疑的。但變形體與一般山體滑坡的異同點(diǎn)是值得探討的，這是應(yīng)急處置的前提條件，只有“會(huì)診病因”準(zhǔn)確了，才能“對(duì)癥下藥”并取得預(yù)期的治理效果。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果并結(jié)合已有煤礦采空區(qū)時(shí)間、位置等資料分析，可以判定該變形坡體的發(fā)展趨勢(shì)及變形機(jī)制為：煤礦開采導(dǎo)致采空區(qū)正上方土體下沉，進(jìn)而引起西部高處巖體失去支撐而崩滑，這些崩滑的巖土體下移后，擠壓下方已有土體而形成鼓脹變形區(qū)，造成下部土體產(chǎn)生鼓脹裂縫并最終使得公路擋墻鼓脹破壞。

一般的山體滑坡為下方開挖形成牽引式滑坡或上方堆載形成推移式滑坡，其中力的傳遞是連續(xù)的，而本變形坡體的運(yùn)動(dòng)形式為中部下沉→上方受牽引→下方受推移，其破壞機(jī)制模式見圖4。

圖4 坡體破壞機(jī)制模式圖

5 應(yīng)急處置方案

根據(jù)前述“會(huì)診”判斷，公路擋墻破壞的“病因”為煤礦開采引發(fā)的鼓脹變形而非單純的滑坡推移，變形體的運(yùn)動(dòng)形式為中部下沉、上方受牽引、下方受推移。應(yīng)急治理的核心思路是要在沒有勘察、設(shè)計(jì)資料的前提下盡早破壞其變形鏈，盡快使其恢復(fù)短期臨時(shí)穩(wěn)定，再在勘察、設(shè)計(jì)成果出來后進(jìn)行永久支護(hù)并恢復(fù)公路擋墻。

針對(duì)煤礦開采引發(fā)崩塌、滑坡的情況，可選擇的永久治理方法較多，包括注漿處理采空區(qū)[13]、清理危巖[14]、疏截排水、支擋及減載等[15]；在進(jìn)行應(yīng)急治理時(shí)，可以選擇的手段也有前方支擋(反壓)、后方減載及截排水等。但根據(jù)本變形體的實(shí)際情況，其西側(cè)上方地形坡度較大、巖石持續(xù)垮塌、匯水面積小，減載、截水施工面臨安全風(fēng)險(xiǎn)且意義不大；直接在其東側(cè)前端開挖施工抗滑樁(擋墻)或采取反壓措施，也將面臨巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)或者影響公路交通，而且勘察、設(shè)計(jì)尚需要工期，則公路交通阻斷的時(shí)間較長(zhǎng)。

綜合考慮措施的時(shí)效性，應(yīng)將應(yīng)急治理的著眼點(diǎn)放在坡體中部下滑段，核心思路為阻斷后方上部垮塌巖土體(上方受牽引變形區(qū))與中部較厚土體(下方受推移變形區(qū))之間力的傳遞，為下方公路的邊坡永久治理提供時(shí)間及空間。據(jù)此，我們提出了“阻能槽”的治理概念—— 即垂直于山體坡向沿等高線臨時(shí)開挖一條分兩階各5 m共深10 m、兩側(cè)幫體坡度為40°(基本能保證東部下方土體自身穩(wěn)定)的“阻能槽”(參見圖3)，其作用是：

(1) 空間效應(yīng)——類似于森林防火中的隔離帶，它可以阻斷上方垮落巖土體與中東部下方較厚土體之間的能量傳遞，留出保證中東部下方土體不受上方垮落巖土體擠壓的空間，并使中東部下方較厚土體的變形方向由向東水平變形改為向下垂直變形或部分向西水平變形。

(2) 時(shí)間效應(yīng)——可以充當(dāng)上方巖土體垮落堆積的臨時(shí)落石槽，增加西部與東部土體之間產(chǎn)生能量傳遞的聯(lián)系時(shí)間，在不影響交通的情況下，為下方公路的邊坡永久治理贏得寶貴時(shí)間。

阻能槽按設(shè)計(jì)的40°邊坡角開挖時(shí)，東側(cè)幫體因承受的西側(cè)上方土體推力減小，自穩(wěn)效果較好；西側(cè)幫體因面臨上方巖土體繼續(xù)下滑堆積的情況，自穩(wěn)效果稍差，可在局部幫體松散處預(yù)先壓入一定數(shù)量的鋼管樁臨時(shí)加固以降低次生災(zāi)害發(fā)生的可能。

在阻能槽開挖的同時(shí)，即可在已開挖部分的下方、東側(cè)坡體上方開展鉆探及后續(xù)設(shè)計(jì)、施工工作。

6 處置效果分析

為驗(yàn)證“阻能槽”的處置效果，按“阻能槽”開挖前、后兩種情況，對(duì)變形坡體采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行了穩(wěn)定性檢算。

穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，取垮落碎石γ=21.0 kN/m3，粉質(zhì)粘土混碎石γ=18.5 kN/m3；由于下方采空漏水，不考慮地下水影響；按Ⅲ級(jí)防治工程、自重工況，滑帶參數(shù)取值及檢算結(jié)果見表3～表5。

表3 滑帶參數(shù)取值及檢算結(jié)果表

表4 “阻能槽”開挖前檢算結(jié)果表

表5 “阻能槽”開挖后檢算結(jié)果表

通過采用傳遞系數(shù)法對(duì)變形坡體開挖“阻能槽”前、后兩種情況進(jìn)行的穩(wěn)定性檢算對(duì)比可見，“阻能槽”開挖前，變形體的穩(wěn)定系數(shù)為0.96；“阻能槽”開挖后，變形體的穩(wěn)定系數(shù)增加至1.02?！白枘懿邸遍_挖前，剩余下滑推力為259.66 kN/m；“阻能槽”開挖后，已無(wú)剩余下滑推力。

由前文可見，由于阻能槽位于下滑段，如果開挖深度更大、方量更多，則穩(wěn)定性系數(shù)增加會(huì)更加明顯，為后續(xù)工作贏得的時(shí)間會(huì)更多，但施工時(shí)間及費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加。

結(jié)合本工程實(shí)際情況分析，目前的設(shè)計(jì)開挖位置、深度是適宜的，穩(wěn)定性系數(shù)雖然增加不大但有質(zhì)的變化，且消除了下滑推力。只要在采用其它輔助手段保證不發(fā)生次生災(zāi)害的情況下，為后續(xù)工作贏得時(shí)間和空間，就說明阻能槽的設(shè)計(jì)目的已經(jīng)達(dá)到。

7 結(jié)語(yǔ)

(1) “阻能槽”可以改變變形區(qū)巖土體力的傳遞及變形方向，為變形區(qū)后續(xù)的永久治理提供寶貴的時(shí)間與空間，在山區(qū)煤礦開采引發(fā)地面變形的應(yīng)急治理中作用顯著。

(2) 山區(qū)煤礦開采引發(fā)的地面變形有其特殊性，與一般的滑坡特征雖有相似之處，但運(yùn)動(dòng)形式不同。應(yīng)急調(diào)查時(shí)應(yīng)注意變形體前端存在鼓脹變形區(qū)的可能性，避免誤判。

(3) 在沒有勘察資料的應(yīng)急處置情況下，認(rèn)真分析變形區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件及變形機(jī)制非常重要，只有找準(zhǔn)“病因”，才能有效地“對(duì)癥下藥”。