弱層邊坡穩(wěn)定分析及治理措施

弱層邊坡穩(wěn)定分析及治理措施李曉俊;劉干;曹宇【摘要】通過邊坡勘察及室內(nèi)試驗(yàn)，查清邊坡的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，尤其是軟弱層情況，對弱層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià)，并提出相應(yīng)的治理措施，保證露天煤礦安全生產(chǎn).【期刊名稱】《露天采礦技術(shù)》【年(卷)，期】2017(032)002【總頁數(shù)】4頁(P5-8)【關(guān)鍵詞】露天礦;邊坡勘察;軟弱層;邊坡穩(wěn)定分析;治理措施【作者】李曉俊瀏干漕宇【作者單位】中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽110015;中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽110015;中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽110015【正文語種】中文【中圖分類】TD824.7隨著采剝工程的進(jìn)行，哈密露天煤礦采場降深到50m左右時(shí)，采場南、北端幫上部均出現(xiàn)了數(shù)條平行邊幫的裂縫，初步分析認(rèn)為，邊坡穩(wěn)定性較差，可能存在弱層。隨著采礦工程的進(jìn)行，端幫逐步到界，邊坡形態(tài)向高陡趨勢變化，存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)，對哈密露天礦邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析并提出相應(yīng)的治理措施。本次邊坡穩(wěn)定性研究工作從邊坡工程地質(zhì)勘察入手，對獲取的巖心進(jìn)行詳細(xì)的巖土物理力學(xué)試驗(yàn)，為邊坡穩(wěn)定分析及治理提供依據(jù)?？辈熘饕康氖遣槊鬟吰鹿こ痰刭|(zhì)及水文地質(zhì)條件，尤其是弱層情況，為邊坡穩(wěn)定分析提供支撐?？辈靺^(qū)域?yàn)槁短斓V南北兩端幫，垂直邊坡方向各布置1條勘探線，南幫剖面3個(gè)鉆孔，北端幫剖面4個(gè)鉆孔。根據(jù)鉆探資料，地層巖性主要由泥巖、砂巖組成，泥巖主要為隔水層，砂巖主要為含水層，隔水層與含水層互層。地層整體來說呈北高南低發(fā)育，南幫為反傾坡面，北幫為整體反傾、局部順傾坡面。巖土體力學(xué)參數(shù)的獲取是邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的必要條件，通常巖土體力學(xué)參數(shù)的確定可以采用類比法、反分析法、試驗(yàn)法等手段獲得，而試驗(yàn)法是最基礎(chǔ)的方法，也是其它使用方法的基礎(chǔ)。本次邊坡勘察進(jìn)行鉆探取樣，進(jìn)行巖土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，力求獲得較真實(shí)的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)所需數(shù)據(jù)［1］。影響哈密露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素很多，這些因素可分為2類［2］：1）巖石的礦物組成、巖體中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（如層面、斷層、節(jié)理、片理等的性質(zhì)和產(chǎn)狀）和構(gòu)造應(yīng)力，它們是邊坡巖體自身所固有的，是影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)因。礦區(qū)內(nèi)存在多層泥巖軟巖層，是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)在因素。2）水文地質(zhì)條件、采礦工程活動(dòng)、爆破震動(dòng)、風(fēng)化等，為巖體所處的環(huán)境條件，是影響邊坡穩(wěn)定性的外因［3］。2.1弱層的影響及確定弱層與邊坡面的位置關(guān)系對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用。弱層是影響哈密露天礦邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。在邊坡巖層中的主要弱層有泥巖層、頁巖層、黏土層等，弱層的主要特點(diǎn)是膠結(jié)性很差，由于所含礦物主要為蒙脫石、伊利石，遇水易軟化，吸水膨脹，失水收縮。在地下水的浸泡下，強(qiáng)度降低，坡體易沿弱化夾層滑出［4］。通過現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔取芯研判、室內(nèi)試驗(yàn)等綜合方法進(jìn)行分析，確定影響本露天礦邊坡穩(wěn)定的主要弱層為7煤頂?shù)装濉?0煤頂?shù)装寮爸虚g泥巖夾砰等泥巖層。2.2結(jié)構(gòu)面及水的影響巖石小試塊的強(qiáng)度往往比自然巖體的強(qiáng)度高出十幾倍甚至數(shù)十倍，而有結(jié)構(gòu)弱面時(shí)，邊坡易沿弱面產(chǎn)生滑動(dòng)。因此，需對邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)弱面進(jìn)行研究，調(diào)查其形態(tài)及空間分布等特征，研究其對邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡在雨季、解凍期及疏干排水不當(dāng)?shù)那闆r下易發(fā)生滑坡，說明水對邊坡穩(wěn)定性有著很大的不利影響，這些不利影響主要表現(xiàn)在：軟化泥巖類巖石，特別是含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物的巖石，使其強(qiáng)度大大降低；同時(shí)水對邊坡產(chǎn)生靜水壓力與動(dòng)水壓力，增加了邊坡的下滑力。通過室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，治理區(qū)內(nèi)的泥巖在浸水后極易快速崩解泥化，強(qiáng)度急劇降低，泥巖的水理性質(zhì)較差。2.3地震、爆破震動(dòng)的影響露天礦邊坡所受的震動(dòng)主要來自地震及爆破作業(yè)。地震及爆破作業(yè)所產(chǎn)生的震動(dòng)對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為：①震動(dòng)破壞巖體，使巖體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生滑動(dòng)、錯(cuò)動(dòng)、崩塌等破壞。同時(shí)可能使地表及內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，地表水及地下水易沿裂縫滲透，加速巖體的滑動(dòng)。②震動(dòng)使邊坡產(chǎn)生震動(dòng)力，增加了邊坡的下滑力［5］。邊坡穩(wěn)定計(jì)算前，需對影響邊坡穩(wěn)定的主要因素進(jìn)行分析，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，并且為后續(xù)邊坡治理措施提供依據(jù)。3.1滑坡模式及巖土參數(shù)通過分析，確定了哈密露天礦邊坡地層中存在多個(gè)弱層，邊坡可能出現(xiàn)的滑坡模式為沿弱層的圓弧-折線型滑坡模式。巖土體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)可以直觀的反映出巖體強(qiáng)度，同時(shí)，合理的巖土體物理力學(xué)參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)。由于本礦地層中含水，在開采過程中，需對地下水進(jìn)行疏干，但不可能徹底疏干，因此在確定不同地層強(qiáng)度時(shí)，不僅要確定不同巖土體自然狀態(tài)下強(qiáng)度，還要確定不同巖土體飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，確定巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值見表1。3.2模型建立及計(jì)算根據(jù)勘察所建立的地質(zhì)剖面，結(jié)合采場現(xiàn)狀，整理出邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型，對各層巖土體賦值，以極限平衡法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，計(jì)算過程中考慮地下水對邊坡穩(wěn)定性影響，根據(jù)水位線位置分別對各巖層賦予天然與飽和巖體力學(xué)參數(shù)。計(jì)算過程采用自動(dòng)搜索滑弧計(jì)算方法，給出最危險(xiǎn)滑移面的穩(wěn)定性系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2。3.3結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各剖面參數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)見表2。經(jīng)過計(jì)算，北端幫邊坡沿10煤中間弱層滑移，南端幫邊坡沿7煤底泥巖弱層滑移，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.029、0.95，穩(wěn)定系數(shù)不能滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，安全儲(chǔ)備系數(shù)較低。通過對哈密露天礦南北端幫的邊坡穩(wěn)定分析，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)均較低，需進(jìn)行邊坡防治工作。邊坡防治措施主要可分為采礦措施、工程措施。采礦措施主要有調(diào)整采礦順序、統(tǒng)籌安排采區(qū)、內(nèi)排壓腳措施、設(shè)計(jì)合理邊坡角、控制開采技術(shù)等。工程措施主要有錨索加固措施、支擋措施、注漿加固措施等。由于工程措施施工復(fù)雜，費(fèi)用較高，不適合對本露天礦邊坡進(jìn)行大范圍治理。只有結(jié)合采礦措施對邊坡進(jìn)行治理才是比較經(jīng)濟(jì)合理的方法。綜合分析哈密露天礦的實(shí)際情況，考慮到技術(shù)可行及經(jīng)濟(jì)合理的治理原則，進(jìn)行了削幫緩坡方案及內(nèi)排壓腳方案的設(shè)計(jì)，并提出邊坡監(jiān)測手段。4.1削幫緩坡地表裂縫是由于內(nèi)部巖體擾動(dòng)而產(chǎn)生的夕卜在表現(xiàn)，削幫緩坡一方面可以減輕下部巖體所受壓力，延緩邊坡整體變形，另一方面，可以防止受爆破震動(dòng)等影響引起第四系松散層的滑塌。削幫緩坡主要是通過合理降低邊坡角度使得邊坡的整體穩(wěn)定性達(dá)到一個(gè)安全的狀態(tài)。對兩端幫進(jìn)行削幫緩坡計(jì)算分析。削幫緩坡至10煤底板。計(jì)算結(jié)果表明：通過削幫緩坡進(jìn)行邊坡治理，當(dāng)北端幫邊坡角度達(dá)到18°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，當(dāng)南端幫邊坡角度達(dá)到23°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，邊坡穩(wěn)定系數(shù)較未采取措施之前提高較為明顯，穩(wěn)定系數(shù)滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范［6］對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，邊坡安全性得到了保障。此方案雖然達(dá)到了邊坡穩(wěn)定性的要求，但剝離量大大增加，剝離費(fèi)用增大。經(jīng)過計(jì)算，北幫裂縫區(qū)域內(nèi)削幫量約121.2萬m3，南幫削幫裂縫區(qū)域內(nèi)削幫量約177萬m3，在經(jīng)濟(jì)上并不合理。因此不建議采用此治理措施。4.2內(nèi)排壓腳內(nèi)排壓腳可以增加抗滑力進(jìn)而使邊坡穩(wěn)定，選用內(nèi)排的方式進(jìn)行處理，即將剝離物壓在端幫邊坡下部臺(tái)階，加大抗滑力，提高邊坡穩(wěn)定性。通過盡早開采10煤，達(dá)到壓腳條件后立即對邊坡進(jìn)行內(nèi)排壓腳，既能提高邊坡穩(wěn)定性，又為排土節(jié)約了空間，對于提高露天礦南北端幫邊坡的穩(wěn)定性，具有重要的作用，能夠在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)性。通過分析計(jì)算，南端幫回填高度達(dá)到50m，北端幫回填高度達(dá)到40m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)到1.25以上，邊坡可基本保持穩(wěn)定。內(nèi)排壓腳措施不僅可以使邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，保證邊坡穩(wěn)定性，在經(jīng)濟(jì)上也比較合理。最終，采用此方案進(jìn)行邊坡治理。4.3邊坡監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是對邊坡穩(wěn)定性變化的行為狀態(tài)反復(fù)觀測，以研究邊坡的穩(wěn)定程度及變化規(guī)律，一般分為表面位移監(jiān)測、巖體內(nèi)部位移及應(yīng)力監(jiān)測、水壓監(jiān)測等［7］。做好邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是防止邊坡災(zāi)害發(fā)生的重要措施之一。在生產(chǎn)過程中，建立起有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對哈密露天礦兩端幫邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測［8］。結(jié)合露天礦現(xiàn)場實(shí)際情況，采用GPS地表位移自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，利用GPS監(jiān)測速度快、選點(diǎn)靈活、布網(wǎng)方便、測站間無需通視的特點(diǎn)對南北端幫邊坡地表進(jìn)行監(jiān)測。通過對哈密露天礦兩端幫邊坡穩(wěn)定性分析得到如下結(jié)論：南北端幫邊坡可能出現(xiàn)的破壞模式是沿弱層的圓弧-折線型滑坡模式。采用削幫緩坡降低邊坡角的方法可以使端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.25以上，從而滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，但是工程量較大，經(jīng)濟(jì)上不可行，不建議采用此方案。通過盡早開采10煤，達(dá)到壓腳條件后立即對邊坡進(jìn)行內(nèi)排壓腳，既能提高邊坡穩(wěn)定性，又為排土節(jié)約了空間，對提高露天礦端幫邊坡的穩(wěn)定性具有重要的作用，在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)性。隨著采礦工程的推進(jìn)，邊坡弱層逐漸揭露出來，為確保生產(chǎn)安全，應(yīng)及時(shí)增加先進(jìn)性的監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測端幫變形情況，建議采用GPS監(jiān)測手段，同時(shí)應(yīng)該加快10煤的開采，抓緊實(shí)現(xiàn)內(nèi)排。[1]GB50778—2012.露天煤礦巖土工程勘察規(guī)范[S].北匕【相關(guān)文獻(xiàn)】[2]王浩.邊坡穩(wěn)定性影響因素及評價(jià)方法[J].黑龍江交通科技，2011(7):110-111.[3]唐學(xué)民.邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[J].西部探礦工程，2012(9):8.[4]白羽.海州露天礦邊坡殘煤自燃誘發(fā)滑坡的數(shù)值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，