露天煤礦滑坡災變機理及控制對策研究

張艷博，李占，康志強

(1.河北聯合大學資源與環境學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全工程實驗室，河北 唐山 063009)

隨著我國露天采場逐年加深，邊坡暴露的高度、面積以及維持的時間也在不斷增加，導致露天采礦邊坡滑坡失穩事故頻發，不僅擾亂了礦山的正常生產秩序，致使國家的經濟財產蒙受巨大損失，而且對作業人員的生命安全也構成了嚴重威脅。因此，如何有效地分析露天煤礦邊坡工程的穩定性，做出科學的預測，采取有效的防治措施，是日益突出和亟待解決的重要技術難題。

1 勝利露天礦邊坡滑坡的嚴重性

勝利一號露天煤礦位于勝利煤田中西部，是勝利煤田的主要采煤區。礦山經過多年露天開采，截止到2006年底，己形成南北長約1.8 km，東西寬約0.9 km的采坑，邊坡高 50～60m。自2005年以來，勝利露天煤礦一采區采場東部非工作幫和北部端幫，已多次發生不同規模的滑落、坍塌，給生產組織造成極大影響。

(1)東部非工作幫2005年3月形成，邊坡高度近50m。2005年5月，非工作幫中部坡面松散巖體發生大面積的滑落，造成東部排水溝被埋后被迫改道，地表疏干系統也受到嚴重威脅，導致部分疏干井報廢。滑坡后該邊坡坡底向西滑動位移51 m，坡頂滑落31 m，滑動面積2.51×104m2，最大落差達13 m，滑體方量為3.35×105m3。

(2)北端幫形成于2005年9月底，邊坡高度37 m。2006年2月發現平行端幫的裂縫，至6月初，裂縫延伸長度達150 m，裂縫寬0.10～0.23 m，8月北部端幫突發較大范圍的滑坡，北端幫出入溝道路全部毀壞，NB2、NB3、NB4三口疏干井報廢，同時其他疏干井、6 kV的高壓線路及YB-2變電站受到威脅。

隨著勝利露天煤礦進一步的開拓和延伸，邊坡的問題將更為突出，它已經成為制約露天煤礦安全與生產的重要因素。根據開采計劃，露天煤礦6煤層出露，向深部開挖90 m，形成的邊坡高度將達到150 m。如不及時對現有邊坡進行治理，進行試驗段的全面、系統研究，提出必要的、切實可行的防治對策，露天煤礦的生產將難以順利進行，生產安全難以保障。

2 勝利露天礦邊坡滑坡類型

自2005年以來，勝利露天煤礦采場東部非工作幫、北部端幫、南部出入溝道路，已多次發生不同規模的滑落、坍塌。其中規模較大、對生產產生影響的滑坡有五處，分別為非工作幫DH1、DH2、DH3、DH4和北幫BH1，滑坡平面分布分別見圖1～圖2，歸納滑坡類型主要有以下幾種：

圖1 非工作幫滑坡平面分布圖

圖2 北端幫滑坡平面分布圖

(1)松散層滑坡。由于礦區巨厚的剝離層土性差異，存在軟弱夾層，邊坡開挖，應力重新分布，同時，在地下水的作用下而造成的依附軟弱夾層的邊坡整體滑動。滑體基本為第四系松散覆蓋層，灰白、淺黃色粉砂細砂為主，底部夾薄層黏土或砂礫層。滑面為第四系底界面，近似圓弧形滑面。主要表現為巖體沿層間軟弱夾層發生整體性滑移破壞，勝利露天煤礦的DH1滑坡屬此類滑坡。

(2)基巖接觸面滑坡。由于礦區基巖系白堊系砂泥巖互層，具有隔水性質，基巖頂面富水，軟化巖土體，降低抗剪強度，依附基巖頂面產生滑動。勝利露天煤礦的DH2、DH3、DH4、BH1滑坡屬此種類型。

(3)順層基巖滑坡。隨著礦區開采深度的增加，邊坡高度加大，自重應力增大，而產生依附基巖內軟弱夾層的滑動。目前未見此類滑坡，但隨著邊坡高度的增加，有可能出現此類滑坡。

3 影響滑坡的主要因素

(1)地質構造。北端幫的地質構造是造成滑坡的根本因素。受“棋盤格局”地質構造控制(北端幫密集發育一組等間距的高角度階梯式正斷層，斷距0.2～1.2 m；同時在西工作幫出露一組逆沖斷層，走向東西，傾角45～50°；這兩組近乎正交的斷層所形成的“棋盤格局”構造)。

(2)地層巖性。上部第四系砂土層，松散；中部泥巖層節理裂隙發育，強度較低；下部5煤層，節理、裂隙發育，質輕、易脆；煤層中發育了一薄層煤矸石，此煤矸石主要由炭質泥巖組成，在煤系承壓水的軟化作用下，強度極低，為北端幫滑坡的發生提供了軟弱滑動面。

(3)工程荷載。北端幫頂部通道運輸設備的振動影響，致使邊坡失穩而導致滑坡形成。

(4)水的作用。地表水通過坡頂和坡體兩側發育的裂縫流入坡體內，使得裂紋發育處巖體強度急劇降低，為滑坡的發生提供了軟弱滑動帶。北端幫第四系底部砂礫石層大部分與下部白堊系泥砂巖直接接觸，當有大氣降水時，就會透過第四系滲入結構面，使其力學強度降低而形成滑面。

(5)采礦活動影響。采礦活動是北端幫滑坡的激發因素。隨著開采的深入，邊坡變高、變陡，邊坡底部剪應力越來越大。采坑向深部開采為邊坡變形破壞提供了臨空面。

4 滑坡機理分析

東部非工作幫南區DH1上部第四系松散體，在水(地表水下滲、錫林河滲流、坡腳水倉毛細水上升)的作用下后緣錯落，先是沿第四系底界面向前滑移，中部和前緣在主滑段推力作用下，從坡腳強風化泥礫巖處剪出破壞(圖3)。

東部非工作幫中區(DH2)、和北區滑坡(DH3、DH4)，主要受巖性組合和水(降水入滲、錫林河滲流)的影響，采坑坡頂疏干井未完全疏干，使得大量的第四系水向坑內滲流，降低了不整合面泥巖的強度。在第四系水的軟化作用和滲流作用下，邊坡沿第四系砂層與白堊系泥巖沉積界面發生滑動，使得邊坡失穩滑動(圖4)，破壞了前緣運輸便道。此類滑坡的演化模式是：切坡使坡腳應力重新分配，邊坡首先沿白堊系泥巖沉積界面發生滑動導致坡頂拉裂，坡內剪切面逐步形成，在誘發因素(暴雨、長歷時降雨等)作用下，滑動面貫通而劇滑致災。

5 勝利露天煤礦滑坡災變演化數值模擬分析

(1)干燥條件邊坡

非線性大變形有限差分軟件FLAC計算結果，如圖5和圖6可知，第四系松散體邊坡呈現為坐落式沉陷弧形破壞滑動，在滑動邊坡頂部出現明顯的張拉裂縫，待滑動面上鎖固段臨界值被剪斷后，表現為沿坡腳剪出破壞形式。該類型邊坡滑坡表現為上緣拉裂、中部鎖固和下緣滑移剪出的三段式災變演化模式。

圖3 DH1滑坡工程地質剖面圖

圖4 滑坡工程地質剖面圖

圖5 第四系松散體滑坡水平位移場圖

圖6 第四系松散體滑坡破壞場圖

圖7 飽水邊坡雨水滲流場圖

圖8 飽水邊坡滑坡水平位移場圖

(2)雨水作用下的邊坡

由模擬圖7和圖8可知，在雨水入滲條件下，第四系松散體飽水邊坡較干燥邊坡，沉陷弧形破壞的范圍和位移量大大增加，說明在雨水入滲軟化作用下，將進一步加劇邊坡滑動破壞的程度。

6 滑坡加固方案穩定性數值模擬分析

6.1 加固方案

根據對勝利露天煤礦滑坡的機理分析，確定使用預應力錨索框架梁控制技術，同時結合高壓劈裂注漿技術，即采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術來綜合加固邊坡，具體布置見圖9。采用這一技術，既充分發揮了預應力錨索框架梁的優勢，同時又通過高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠實施較高的張拉力。充分發揮張拉作用對巖土體的擠壓作用，可增加邊坡的抗滑能力，提高邊坡穩定系數，對維護邊坡穩定起到較好的加固效果。

6.2 效果模擬

為了達到最好的加固效果，采用數值分析方法模擬了三種邊坡加固方案進行對比分析：①干燥狀態；②采用預應力錨索框架梁加固技術；③預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固技術。

從三種方案的位移分布圖10來看，邊坡在無加固狀態下水平位移最大。采用預應力錨索框架梁，雖然也可以控制邊坡穩定，但水平位移場分布則向滑面附近運移。而采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿下邊坡的水平位移最小，控制效果較好。另外，根據剪位移分布，在不加固狀態下，邊坡沿坡前端的滑面發生明顯的剪切滑移，而采用高壓劈裂注漿下滑動面的剪切應力最小，而且分布范圍明顯減小，由此作用下產生的剪切位移值也是最小的，控制滑坡效果顯著。

由圖11可以看出，不加固狀態下邊坡的破壞區域很大，在前段出現拉破壞集中區，為滑坡體，中間段也出現拉破壞，會出現拉裂縫，后緣則出現拉裂破壞，這與現場的變形破壞規律是一致的。采用高壓劈裂注漿下的邊坡塑性破壞范圍明顯減小，這主要是因為注漿增加錨固體周圍圍巖巖體強度，提高圍巖因錨索張拉而產生的拉破壞和剪切破壞。

綜合以上數值模擬分析結果，采用預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固措施下的邊坡力學性態最好，可以有效控制邊坡的變形破壞，實現對滑動體的有效控制。

7 工程應用

為有效控制邊坡，進一步防止滑坡災變的發生，在上述研究的基礎上，針對勝利露天礦潛在滑坡區(已出現一定數量的張裂縫)進行了現場試驗研究，具體方案為：

(1)疏水

由于水是導致東部非工作幫導致滑坡的主要因素，故對非工作幫潛在滑坡區加強疏排降水措施，在距離非工作幫坡口一定距離(20～50m)，修建地表排水溝；地下標高950～960 m位置，修建排水廊道，將地下水位降低到危險面或滑動面以下。涵洞尺寸2m×2 m，涵洞頂部做成拱形，拱高0.5 m利于受力，涵洞頂部設置放射狀泄水孔，將坡體內地下水匯入涵洞底部排水溝，然后排入礦山基坑，再通過水泵排出坑外。

(2)坡面處理

對滑坡體表面及后部坡面上的滑坡裂縫進行夯填處理。

(3)預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固

在滑坡前緣斜坡上，布置了三排錨索，錨索長度15～25 m，排距10 m，間距8 m，錨墩2m×2 m，用框架梁連接形成整體。在錨固段進行了多次加壓劈裂注漿，增強了錨索的錨固效果。

(4)現場監測

加固方案在現場試驗過程中，在邊坡關鍵部位，有針對性地布置了多個智能監測傳感器進行了監控。監測曲線見圖12。

圖9 滑坡防治工程方案設計剖面圖

圖10 三種加固狀態下水平位移分布圖

圖11 三種加固狀態下破壞場分布圖

根據監控點(位于已夯實的張裂縫附近)的監控曲線，施工初期邊坡在錨索預緊力的作用下產生一定的位移，20d后邊坡受力趨于平衡，變形曲線趨于平緩，沒有持續增長的變化趨勢，說明預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固后，邊坡巖體處于安全穩定狀態，加固效果較好。

8 結論

本文以勝利露天煤礦邊坡為研究背景，采用現場調查、數值模擬與理論分析相結合的研究方法對邊坡穩定進行了詳細的研究，主要得出如下結論：

(1)在現場勘查的基礎上，運用巖體力學理論和工程力學等理論，分析了勝利露天礦邊坡滑坡的主要影響因素，并通過數值模擬等手段模擬了滑坡災變機理。

圖12 監測點水平位移隨時間變化曲線

(2)針對勝利露天煤礦滑坡的治理工程問題，提出了預應力錨索框架梁這一行之有效的控制技術，同時創造性地將其與高壓劈裂注漿技術相結合，形成新的滑坡防治技術，即預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿技術。該技術既充分發揮了預應力錨索框架梁的優勢，同時又通過高壓劈裂注漿提高了錨固力，使得軟弱巖土體能夠實施較高的張拉力，充分發揮張拉作用對巖土體的擠壓作用，增加邊坡的抗滑能力，對維護邊坡穩定起到了較好的加固效果。

(3)現場監測表明，預應力錨索框架梁+高壓劈裂注漿加固邊坡新技術，控制效果顯著，方案可行、合理。

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