霍林河南露天礦觀禮臺邊坡變形區(qū)治理

李苗苗，邢曉宇，孫有剛，董瑞榮

（1.內蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 南露天煤礦，內蒙古 霍林郭勒 029200；2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000）

多數(shù)露天煤礦的觀禮臺都建在非工作幫，因此觀禮臺邊坡一般為順傾層狀邊坡，穩(wěn)定性較差，順傾層狀邊坡處理不當易引起災害，例如元寶山東幫即為順傾層狀邊坡，其穩(wěn)定性受到了順傾弱層的影響[1]；新疆哈密吉朗德露天順傾層狀邊坡，由于泥巖弱層，在采深僅為30 m 時就發(fā)生失穩(wěn)破壞[2]；黑山露天煤礦底幫邊坡失穩(wěn)是由順傾弱層導致的[3]，這類邊坡穩(wěn)定性差，失穩(wěn)危害性較大。查明邊坡穩(wěn)定的控制性因素，選擇合理而有效的技術措施，是使治理工程能達到預期效果的必要條件。近年來，眾多學者對滑坡治理展開了研究，周先明等[4]為保證邊坡穩(wěn)定和生產安全，采用人工加固和放緩邊坡角的方法，對會東鉛鋅露天礦西邊坡穩(wěn)定性進行治理；楊天鴻等[6]用FLAC 程序對撫順西露天礦北幫西區(qū)采用抗滑樁加固工程和疏干減壓工程的治理效果進行評價；王東等[7]對三道嶺露天礦西采區(qū)南幫實施了內排壓幫治理；劉子春等[8]提出了一種基于條帶式控制開采技術的邊坡治理方案，對扎泥河露天礦實施治理且效果顯著；蔣文斌等[9]利用錨索加固的方法對三道莊露天煤礦觀禮臺邊坡進行了治理。

1 工程背景

霍林河南露天煤礦自2018 年10 月開始，觀禮臺開始出現(xiàn)裂縫，并且不斷擴展，初步顯現(xiàn)出了滑坡前的一些跡象。該區(qū)段布置有煤巖破碎運輸系統(tǒng)，一旦邊坡失穩(wěn)，必將波及到破碎運輸系統(tǒng)的安全，造成重大損失。觀禮臺區(qū)段受原有的工程開挖與回填，邊坡地層自上而下為排棄物料、第四系土體及煤系地層，其中排棄物料和第四系地層可看做是膠結程度低的松散、半散體結構，煤系地層為層狀結構；該區(qū)段無大的地質構造。典型地質剖面圖如圖1。

圖1 典型地質剖面圖

對于觀禮臺局部的新、舊邊坡，由于弱層的抗剪強度參數(shù)選取較為保守，再加上布置了較為完善、穩(wěn)定的變形監(jiān)測系統(tǒng)，二者的安全儲備系數(shù)均為1.1。

2 潛在滑面推斷與抗剪強度參數(shù)分析

2.1 弱層的賦存位置推斷

對于邊坡穩(wěn)定性分析而言，判定潛在滑坡模式及潛在滑面位置、形態(tài)是工程地質工作的首要任務。通過鉆孔信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)和裂縫發(fā)育特征來推斷控制性弱層的賦存位置。

南礦可用于分析該區(qū)段地層巖性分布的鉆孔有3 個，由鉆孔并結合以往的現(xiàn)場調研結果可知，17＃煤夾矸中發(fā)育有厚度為1 cm 左右灰白色泥巖（泥）夾層，略有顆粒感，疑似為粉砂，質軟易碎，遇水膨脹，局部含巖屑；其上、下煤層沿該夾層發(fā)生過滑動，擦痕特別發(fā)育，疑似為弱層；在其下80 cm 處發(fā)育有厚度為20 cm 的炭質泥巖，其上、下煤層沿其發(fā)生過滑動，擦痕特別發(fā)育。此外，通過對比分析觀禮臺邊坡表面位移監(jiān)測點的位移歷史曲線可知，先前布置在970 m 水平，后移至943 m 水平、17＃煤夾矸以下層位的GPS22 監(jiān)測點和布置在954 m 水平的GPS9監(jiān)測點變形遠小于其他各個監(jiān)測點，說明滑體的發(fā)育范圍為：走向裂縫以東、17＃煤夾矸弱層以上。

綜合邊坡的地層結構、典型鉆孔體現(xiàn)的巖性分布條件、裂縫發(fā)育特征及不同位置變形規(guī)律，可判定觀禮臺邊坡目前的潛在滑移面為17＃煤夾矸底板弱層，潛在滑坡模式為以該弱層為底界面、以圓弧為側界面的切層－順層滑動。另外，在觀禮臺上出現(xiàn)平行于邊坡走向方向的裂隙，可知部分巖土體已經處于破壞狀態(tài)，應將此處作為潛在滑面的坡體露出位置。

2.2 弱層抗剪強度參數(shù)反分析

走向裂縫與持續(xù)變形等宏觀跡象表明，霍林河南露天煤礦觀禮臺邊坡已接近臨滑狀態(tài)，考慮到順層滑坡前一般先出現(xiàn)后緣張裂縫，將現(xiàn)場觀測獲得的裂縫作為滑體后邊界，基于滑坡反分析原理確定弱層的抗剪強度參數(shù)更可靠。

考慮到觀禮臺邊坡目前發(fā)生的是持續(xù)大變形，尚未真正演變成滑坡，從保守的角度考慮，可認為其穩(wěn)定系數(shù)為1，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)；在計算邊坡穩(wěn)定性時采用經典的剩余推力法。由于弱層本身擦痕發(fā)育，視其黏聚力為0，基于此，可通過不斷試算，確定17#煤夾矸底板弱層的內摩擦角為7.2°，具體反分析過程中不同內摩擦角對應的穩(wěn)定系數(shù)見表1。

表1 典型地質剖面弱層抗剪強度參數(shù)反分析結果（黏聚力為0 kPa）

3 邊坡變形區(qū)治理方案

3.1 治理方案

露天煤礦常用滑坡防治方法一般可歸納為3 大類：削坡壓腳、增大或維持邊坡巖體強度與人工加固[10-12]。顯然，對于霍林河南露天煤礦觀禮臺邊坡，潛在滑體主要為散體、半散體結構，無明顯地下水，不適用錨索、抗滑樁等加固方式或疏干排水、注漿、破壞弱層等增大或維持邊坡巖體強度的治理方式；同時，17＃煤夾矸下部作業(yè)空間極其受限，不適合進行壓腳治理，推薦采用削坡減載的方式進行變形區(qū)治理。鑒于滑坡反分析獲得的弱層抗剪強度參數(shù)可靠性較高，選取安全儲備系數(shù)為1.1。為提出能夠滿足邊坡安全且成本最低的削坡方案，兼顧清理不同區(qū)段對于提高邊坡穩(wěn)定性效果的差異、地層巖性分布以及小型液壓鏟的技術規(guī)格需求，將削坡治理工程分為3 個層位，分別為觀禮臺層、觀禮臺下第1 層和觀禮臺下第2 層；同時本著清理量最小的原則，自上而下分層清理，直至邊坡穩(wěn)定性達到安全儲備系數(shù)要求。觀禮臺分層清理情況見表2、觀禮臺區(qū)段削坡工程的層位劃分如圖2。觀禮臺舊邊坡清理前后的位置及穩(wěn)定性對照情況如圖3。

表2 觀禮臺分層清理表

圖2 觀禮臺區(qū)段削坡工程的層位劃分

由圖3 可知，隨著削坡工程量的增大，邊坡穩(wěn)定性總體上呈上升趨勢，清理工程量相同時，清理上層比清理下層效果好，清理的土體越靠近滑面效果越好；當觀禮臺分層削坡至潛在滑體后緣，其下部2 個分層向臺階內側清理寬度約40 m 時，剖面的穩(wěn)定系數(shù)可達到1.1，此時，對應的削坡厚度16 m，按照裂縫長度425 m 并考慮清理時兩側應各有30 m 的富余量，累計削坡工程量為31.04 萬m3。

圖3 舊觀禮臺邊坡清理前后的位置及穩(wěn)定性對照情況

3.2 治理方案實施效果

2019 年4 月下旬，現(xiàn)場開始按預定的削坡方案對舊觀禮臺邊坡穩(wěn)定性進行了治理，不同監(jiān)測點位移歷時曲線對比結果如圖4。

圖4 不同監(jiān)測點位移歷時曲線對比結果

從圖4 中可以看出，治理前，監(jiān)測點GPS－3、GPS－5、GPS－10 3 點變化趨勢為逐漸遞增的，在2019 年2 月25 日前后3 點的水平位移增量變化速率開始降低，開始治理后，觀禮臺區(qū)段的坡體位移量開始減緩，清幫工程對此區(qū)段的邊坡穩(wěn)定性起到了良好的作用。

4 結語

1）觀禮臺邊坡發(fā)生變形的內在因素是坡體內部的17＃煤夾矸弱層，潛在滑坡模式為以該弱層為底界面的切層－順層滑動；經滑坡反分析，確定該弱層的內摩擦角為7.2°，黏聚力為0 kPa。

2）上部土體載荷與下部開挖卸荷是變形加劇的外在因素，最切實可行的觀禮臺邊坡穩(wěn)定性治理措施是在950 m 水平進行分層分區(qū)削坡；當累計削坡厚度為16 m 時，向臺階內側清理約40 m，削坡工程量為31.04 萬m3時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達到安全儲備系數(shù)1.1。

3）隨著削坡工程量的增大，邊坡穩(wěn)定性總體上呈上升趨勢，當清理工程量相同時，清理上層比清理下層效果好，清理的土體越靠近滑面效果越好。

4）從邊坡穩(wěn)定性治理工程實施前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，經過治理，邊坡變形速率大幅下降，穩(wěn)定性得到明顯改善，驗證了所提出的治理方案的合理性。