礦坑邊坡穩(wěn)定性分析及施工技術(shù)探究

張文雙

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽 110000）

1 概述

隨著國家礦山生態(tài)治理修復(fù)政策的出臺和實施，礦山地質(zhì)災(zāi)害治理及已停采閉坑礦區(qū)的處理問題亟需解決，但目前并沒有具體的治理措施及修繕方案。礦坑修復(fù)治理工程中，礦坑基坑穩(wěn)定性是妥善治理的基礎(chǔ)。張國強等［1］采用PFC2D對邊坡穩(wěn)定性模擬分析，得出邊坡變形及應(yīng)力分布規(guī)律。梅世倫［2］提出礦坑巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性可分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和穩(wěn)定3個狀態(tài)。韓國鑾［3］通過強度折減法提出滿足邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的治理加固方法。熊朋等［4］提出了使用切方、錨桿格構(gòu)梁和錨噴等支護技術(shù)治理高陡巖質(zhì)坑邊坡穩(wěn)定性。

本文基于某露天煤礦工程，對礦坑邊坡穩(wěn)定性進行計算，并提出了保障邊坡穩(wěn)定性的處理方法，為礦坑修復(fù)治理過程中邊坡穩(wěn)定性提出了切實可行的治理方案。

2 工程概況

某露天礦區(qū)位于煤田西部，呈條帶狀東西向展布。地貌單元屬于低山丘陵向平原過渡地帶。由南至北，地形起伏較大，自然地勢南高北低。此礦區(qū)自20世紀初轉(zhuǎn)為露天開采，歷經(jīng)清末、民國、偽滿及建國至今的百余年開采，礦區(qū)東西長6.6km，南北寬2.2km，垂直深度達420m（高程-340m），礦坑邊坡28°～35°，坑口面積約10.87km2的礦坑，礦坑規(guī)模如圖1。根據(jù)煤礦開采規(guī)劃，2019年此露天礦退煤閉坑，開始由采轉(zhuǎn)治。

圖1 礦區(qū)規(guī)模標(biāo)注示意圖

該露天礦地質(zhì)條件復(fù)雜，既存在高陡邊坡、巨型滑坡，也存在泥石流、自燃等災(zāi)害。根據(jù)資料統(tǒng)計，自1927年至今，在該露天礦下挖采煤過程中已發(fā)生不同規(guī)模、不同破壞形式的滑坡近百次。礦區(qū)四周都發(fā)生過多次滑坡，累計滑坡體積達5億m3。

2.1 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)受氣象、水文、地貌、地質(zhì)及人工開采影響等因素控制。區(qū)內(nèi)地形起伏變化大，地表徑流發(fā)育。礦區(qū)涌水的來源主要有兩方面：地下水補給和地表水補給。據(jù)實測統(tǒng)計，每年匯入礦坑的水量可達2000萬～3000萬m3。泥石流主要由礦坑涌水和暴雨引發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代以來多次發(fā)生較大泥石流災(zāi)害。

2.2 礦坑邊坡分類與工程地質(zhì)

該礦區(qū)邊坡為采煤形成的人工邊坡，開挖深度達420m，屬于高邊坡。該礦坑邊坡分區(qū)及巖體參數(shù)如圖2、表1、表2。

圖2 礦區(qū)邊坡分區(qū)圖

表1 礦區(qū)工程地質(zhì)分類

表2 礦區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 礦坑邊坡穩(wěn)定性治理方案

3.1 礦坑邊坡級別

根據(jù)SL386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》［5］、GB/T 38509—2000《滑坡防治設(shè)計規(guī)范》［6］、GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［7］的相關(guān)規(guī)定，此露天煤礦邊坡為永久邊坡，邊坡規(guī)模巨大，礦坑周邊尚存相當(dāng)規(guī)模的居民區(qū)及企業(yè)，威脅人數(shù)大于等于500且小于5000，威脅設(shè)施分類為重要，邊坡失事可能會對人身和財產(chǎn)安全造成重大影響，對社會及環(huán)境影響極大。綜合考慮，將此露天煤礦邊坡等級根據(jù)為1級。

3.2 安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)SL386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，對于不同級別的邊坡，應(yīng)滿足不同荷載組合條件下的安全系數(shù)，如表3。

表3 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

同時，SL386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：經(jīng)論證，破壞后給社會、經(jīng)濟和環(huán)境帶來重大影響的1級邊坡，在正常運用條件下的安全系數(shù)可取1.30～1.50。若邊坡僅發(fā)生變形而未失穩(wěn)就可能導(dǎo)致建筑物的破壞或功能喪失，采用的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)取高值；若邊坡的破壞風(fēng)險或其他不確定因素難以確定和查明，采用的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)取高值。因此，依據(jù)規(guī)范，此露天礦正常運用條件下安全系數(shù)取為1.50，其他工況安全系數(shù)均取表中高值。

根據(jù)GB/T 38509—2000《滑坡防治設(shè)計規(guī)范》，GB 50197—2015《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》［8］，GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》上述3個規(guī)范關(guān)于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定，結(jié)合此礦坑的具體實際現(xiàn)狀，并考慮將來的治理預(yù)期，綜合考慮后，此露天煤礦一般工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.5，回填體淺層滑動穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3，地震工況取1.15，其他工況取1.25。

3.3 邊坡穩(wěn)定性計算分析

3.3.1 計算工況

為研究不同作用條件對邊坡穩(wěn)定的影響，同時考慮計算反演的基本假定，在邊坡穩(wěn)定分析計算時分別考慮天然工況（巖體飽和）、削坡壓腳后天然工況（巖體飽和）、地震及不同回填高度的情況，對不同組合情況進行穩(wěn)定性分析，具體組合如表4，地震烈度按VII度計算，地震動峰值加速度0.1g。

表4 計算工況組合

3.3.2 計算參數(shù)選取原則

根據(jù)已有試驗資料統(tǒng)計分析，按巖體完整性進行相應(yīng)折減，參考部分巖體現(xiàn)場抗剪強度指標(biāo)、各成果報告采用值、計算斷面反演值、巖土體飽和抗剪指標(biāo)折減系數(shù)、類似巖土體工程經(jīng)驗值，考慮現(xiàn)場實際巖土體條件等綜合因素分析確定。推薦建議值為范圍值，計算時可考慮計算斷面相應(yīng)巖土體地質(zhì)條件取值，相對較好時取高值，相對較差時取低值。建議值一般大于模型反演值，采用反演值進行穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果安全儲備高于采用建議值計算結(jié)果。不同礦區(qū)斷面應(yīng)根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)模型和計算參數(shù)進行穩(wěn)定性計算。各參數(shù)根據(jù)試驗復(fù)核結(jié)果進行適當(dāng)修正。

3.3.3 計算方法

計算方法采用剛體極限平衡法和有限元強度折減法，結(jié)合Midas GTS NX有限元分析軟件進行計算分析，相互驗證。

3.4 計算斷面選擇

根據(jù)此礦區(qū)南北向已發(fā)生的滑坡位置及各向邊坡巖體穩(wěn)定分析分區(qū)，初步選定南北向7個斷面、東西向2個斷面共9個斷面進行穩(wěn)定性計算。有限元計算模型如圖3、圖4。

圖3 南向斷面模型

圖4 北向斷面模型

3.5 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

3.5.1 南、北向邊坡天然工況

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)范圍1.03～1.49；削坡壓腳后天然工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)范圍1.29～1.71，均大于1.25，滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性良好，工程措施效果較好。

3.5.2 東、西向邊坡天然工況

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)范圍0.79～0.90，危險滑動面均為邊坡表層回填體局部滑動，整體穩(wěn)定性較差；削坡壓腳后天然工況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)范圍1.28～1.35，均大于1.25，滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性良好，工程措施效果較好。

3.5.3 地震工況

邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分布范圍1.15～1.40，均大于1.15，滿足規(guī)范要求，但相比正常工況安全系數(shù)下降約25%，地震對邊坡穩(wěn)定系數(shù)影響較大。

計算分析表明，邊坡最危險滑動面出口位置隨回填高度的增加而不斷升高，邊坡安全系數(shù)隨回填壓腳高度的增加而逐步提高。當(dāng)回填高度范圍為-300～-220m時，安全系數(shù)提高幅度較小，安全系數(shù)范圍為1.10～1.21，當(dāng)回填高度為-220m以上時（為綠泥巖分布區(qū)）安全系數(shù)增高幅度較大，回填至范圍-220～-100m，安全系數(shù)范圍為1.21～1.76。回填壓腳措施有效，效果較好。

4 礦坑邊坡穩(wěn)定性治理方法

4.1 削坡壓腳設(shè)計

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，北向和南向邊坡按計算穩(wěn)定邊坡角度17°進行削坡和壓腳設(shè)計。每15m削坡、回填壓腳高程設(shè)置一階小馬道，馬道寬5.0m，每45m削坡和壓腳高程設(shè)置一階大馬道，馬道寬10m。將工程實施范圍劃分為8個區(qū)段，每個區(qū)段的長度、綜合坡比、回填壓腳高程如表5。

表5 礦區(qū)削坡壓腳設(shè)計特性

4.2 邊坡治理設(shè)計

對邊坡削坡完成后新鮮揭露的巖層采用防護型式進行封閉，避免巖體淺層泥化崩解容易造成邊坡局部淺層的破壞滑動，此礦區(qū)采用格雷諾護墊防護北向削坡坡面，主要利用雷諾護墊中裝入塊石等填充料后連接成一體，具有柔性、對地基適應(yīng)性強的優(yōu)點，如圖5。

圖5 邊坡壓腳設(shè)計斷面

5 結(jié)語

本文依托于某露天礦治理工程，對礦區(qū)邊坡安全性進行了分析，計算了不同荷載組合下的礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性，得出了不同工況下的礦區(qū)邊坡安全系數(shù)取值范圍。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，提出采用削坡壓腳保證邊坡穩(wěn)定性的施工方法，確保礦區(qū)治理過程中邊坡安全性。