露天煤矿滑坡灾变机理及控制对策研究

张艳博，李占，康志强

(1.河北联合大学资源与环境学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全工程实验室，河北 唐山 063009)

随着我国露天采场逐年加深，边坡暴露的高度、面积以及维持的时间也在不断增加，导致露天采矿边坡滑坡失稳事故频发，不仅扰乱了矿山的正常生产秩序，致使国家的经济财产蒙受巨大损失，而且对作业人员的生命安全也构成了严重威胁。因此，如何有效地分析露天煤矿边坡工程的稳定性，做出科学的预测，采取有效的防治措施，是日益突出和亟待解决的重要技术难题。

1 胜利露天矿边坡滑坡的严重性

胜利一号露天煤矿位于胜利煤田中西部，是胜利煤田的主要采煤区。矿山经过多年露天开采，截止到2006年底，己形成南北长约1.8 km，东西宽约0.9 km的采坑，边坡高 50～60m。自2005年以来，胜利露天煤矿一采区采场东部非工作帮和北部端帮，已多次发生不同规模的滑落、坍塌，给生产组织造成极大影响。

(1)东部非工作帮2005年3月形成，边坡高度近50m。2005年5月，非工作帮中部坡面松散岩体发生大面积的滑落，造成东部排水沟被埋后被迫改道，地表疏干系统也受到严重威胁，导致部分疏干井报废。滑坡后该边坡坡底向西滑动位移51 m，坡顶滑落31 m，滑动面积2.51×104m2，最大落差达13 m，滑体方量为3.35×105m3。

(2)北端帮形成于2005年9月底，边坡高度37 m。2006年2月发现平行端帮的裂缝，至6月初，裂缝延伸长度达150 m，裂缝宽0.10～0.23 m，8月北部端帮突发较大范围的滑坡，北端帮出入沟道路全部毁坏，NB2、NB3、NB4三口疏干井报废，同时其他疏干井、6 kV的高压线路及YB-2变电站受到威胁。

随着胜利露天煤矿进一步的开拓和延伸，边坡的问题将更为突出，它已经成为制约露天煤矿安全与生产的重要因素。根据开采计划，露天煤矿6煤层出露，向深部开挖90 m，形成的边坡高度将达到150 m。如不及时对现有边坡进行治理，进行试验段的全面、系统研究，提出必要的、切实可行的防治对策，露天煤矿的生产将难以顺利进行，生产安全难以保障。

2 胜利露天矿边坡滑坡类型

自2005年以来，胜利露天煤矿采场东部非工作帮、北部端帮、南部出入沟道路，已多次发生不同规模的滑落、坍塌。其中规模较大、对生产产生影响的滑坡有五处，分别为非工作帮DH1、DH2、DH3、DH4和北帮BH1，滑坡平面分布分别见图1～图2，归纳滑坡类型主要有以下几种：

图1 非工作帮滑坡平面分布图

图2 北端帮滑坡平面分布图

(1)松散层滑坡。由于矿区巨厚的剥离层土性差异，存在软弱夹层，边坡开挖，应力重新分布，同时，在地下水的作用下而造成的依附软弱夹层的边坡整体滑动。滑体基本为第四系松散覆盖层，灰白、浅黄色粉砂细砂为主，底部夹薄层黏土或砂砾层。滑面为第四系底界面，近似圆弧形滑面。主要表现为岩体沿层间软弱夹层发生整体性滑移破坏，胜利露天煤矿的DH1滑坡属此类滑坡。

(2)基岩接触面滑坡。由于矿区基岩系白垩系砂泥岩互层，具有隔水性质，基岩顶面富水，软化岩土体，降低抗剪强度，依附基岩顶面产生滑动。胜利露天煤矿的DH2、DH3、DH4、BH1滑坡属此种类型。

(3)顺层基岩滑坡。随着矿区开采深度的增加，边坡高度加大，自重应力增大，而产生依附基岩内软弱夹层的滑动。目前未见此类滑坡，但随着边坡高度的增加，有可能出现此类滑坡。

3 影响滑坡的主要因素

(1)地质构造。北端帮的地质构造是造成滑坡的根本因素。受“棋盘格局”地质构造控制(北端帮密集发育一组等间距的高角度阶梯式正断层，断距0.2～1.2 m；同时在西工作帮出露一组逆冲断层，走向东西，倾角45～50°；这两组近乎正交的断层所形成的“棋盘格局”构造)。

(2)地层岩性。上部第四系砂土层，松散；中部泥岩层节理裂隙发育，强度较低；下部5煤层，节理、裂隙发育，质轻、易脆；煤层中发育了一薄层煤矸石，此煤矸石主要由炭质泥岩组成，在煤系承压水的软化作用下，强度极低，为北端帮滑坡的发生提供了软弱滑动面。

(3)工程荷载。北端帮顶部通道运输设备的振动影响，致使边坡失稳而导致滑坡形成。

(4)水的作用。地表水通过坡顶和坡体两侧发育的裂缝流入坡体内，使得裂纹发育处岩体强度急剧降低，为滑坡的发生提供了软弱滑动带。北端帮第四系底部砂砾石层大部分与下部白垩系泥砂岩直接接触，当有大气降水时，就会透过第四系渗入结构面，使其力学强度降低而形成滑面。

(5)采矿活动影响。采矿活动是北端帮滑坡的激发因素。随着开采的深入，边坡变高、变陡，边坡底部剪应力越来越大。采坑向深部开采为边坡变形破坏提供了临空面。

4 滑坡机理分析

东部非工作帮南区DH1上部第四系松散体，在水(地表水下渗、锡林河渗流、坡脚水仓毛细水上升)的作用下后缘错落，先是沿第四系底界面向前滑移，中部和前缘在主滑段推力作用下，从坡脚强风化泥砾岩处剪出破坏(图3)。

东部非工作帮中区(DH2)、和北区滑坡(DH3、DH4)，主要受岩性组合和水(降水入渗、锡林河渗流)的影响，采坑坡顶疏干井未完全疏干，使得大量的第四系水向坑内渗流，降低了不整合面泥岩的强度。在第四系水的软化作用和渗流作用下，边坡沿第四系砂层与白垩系泥岩沉积界面发生滑动，使得边坡失稳滑动(图4)，破坏了前缘运输便道。此类滑坡的演化模式是：切坡使坡脚应力重新分配，边坡首先沿白垩系泥岩沉积界面发生滑动导致坡顶拉裂，坡内剪切面逐步形成，在诱发因素(暴雨、长历时降雨等)作用下，滑动面贯通而剧滑致灾。

5 胜利露天煤矿滑坡灾变演化数值模拟分析

(1)干燥条件边坡

非线性大变形有限差分软件FLAC计算结果，如图5和图6可知，第四系松散体边坡呈现为坐落式沉陷弧形破坏滑动，在滑动边坡顶部出现明显的张拉裂缝，待滑动面上锁固段临界值被剪断后，表现为沿坡脚剪出破坏形式。该类型边坡滑坡表现为上缘拉裂、中部锁固和下缘滑移剪出的三段式灾变演化模式。

图3 DH1滑坡工程地质剖面图

图4 滑坡工程地质剖面图

图5 第四系松散体滑坡水平位移场图

图6 第四系松散体滑坡破坏场图

图7 饱水边坡雨水渗流场图

图8 饱水边坡滑坡水平位移场图

(2)雨水作用下的边坡

由模拟图7和图8可知，在雨水入渗条件下，第四系松散体饱水边坡较干燥边坡，沉陷弧形破坏的范围和位移量大大增加，说明在雨水入渗软化作用下，将进一步加剧边坡滑动破坏的程度。

6 滑坡加固方案稳定性数值模拟分析

6.1 加固方案

根据对胜利露天煤矿滑坡的机理分析，确定使用预应力锚索框架梁控制技术，同时结合高压劈裂注浆技术，即采用预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆技术来综合加固边坡，具体布置见图9。采用这一技术，既充分发挥了预应力锚索框架梁的优势，同时又通过高压劈裂注浆提高了锚固力，使得软弱岩土体能够实施较高的张拉力。充分发挥张拉作用对岩土体的挤压作用，可增加边坡的抗滑能力，提高边坡稳定系数，对维护边坡稳定起到较好的加固效果。

6.2 效果模拟

为了达到最好的加固效果，采用数值分析方法模拟了三种边坡加固方案进行对比分析：①干燥状态；②采用预应力锚索框架梁加固技术；③预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆加固技术。

从三种方案的位移分布图10来看，边坡在无加固状态下水平位移最大。采用预应力锚索框架梁，虽然也可以控制边坡稳定，但水平位移场分布则向滑面附近运移。而采用预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆下边坡的水平位移最小，控制效果较好。另外，根据剪位移分布，在不加固状态下，边坡沿坡前端的滑面发生明显的剪切滑移，而采用高压劈裂注浆下滑动面的剪切应力最小，而且分布范围明显减小，由此作用下产生的剪切位移值也是最小的，控制滑坡效果显著。

由图11可以看出，不加固状态下边坡的破坏区域很大，在前段出现拉破坏集中区，为滑坡体，中间段也出现拉破坏，会出现拉裂缝，后缘则出现拉裂破坏，这与现场的变形破坏规律是一致的。采用高压劈裂注浆下的边坡塑性破坏范围明显减小，这主要是因为注浆增加锚固体周围围岩岩体强度，提高围岩因锚索张拉而产生的拉破坏和剪切破坏。

综合以上数值模拟分析结果，采用预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆加固措施下的边坡力学性态最好，可以有效控制边坡的变形破坏，实现对滑动体的有效控制。

7 工程应用

为有效控制边坡，进一步防止滑坡灾变的发生，在上述研究的基础上，针对胜利露天矿潜在滑坡区(已出现一定数量的张裂缝)进行了现场试验研究，具体方案为：

(1)疏水

由于水是导致东部非工作帮导致滑坡的主要因素，故对非工作帮潜在滑坡区加强疏排降水措施，在距离非工作帮坡口一定距离(20～50m)，修建地表排水沟；地下标高950～960 m位置，修建排水廊道，将地下水位降低到危险面或滑动面以下。涵洞尺寸2m×2 m，涵洞顶部做成拱形，拱高0.5 m利于受力，涵洞顶部设置放射状泄水孔，将坡体内地下水汇入涵洞底部排水沟，然后排入矿山基坑，再通过水泵排出坑外。

(2)坡面处理

对滑坡体表面及后部坡面上的滑坡裂缝进行夯填处理。

(3)预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆加固

在滑坡前缘斜坡上，布置了三排锚索，锚索长度15～25 m，排距10 m，间距8 m，锚墩2m×2 m，用框架梁连接形成整体。在锚固段进行了多次加压劈裂注浆，增强了锚索的锚固效果。

(4)现场监测

加固方案在现场试验过程中，在边坡关键部位，有针对性地布置了多个智能监测传感器进行了监控。监测曲线见图12。

图9 滑坡防治工程方案设计剖面图

图10 三种加固状态下水平位移分布图

图11 三种加固状态下破坏场分布图

根据监控点(位于已夯实的张裂缝附近)的监控曲线，施工初期边坡在锚索预紧力的作用下产生一定的位移，20d后边坡受力趋于平衡，变形曲线趋于平缓，没有持续增长的变化趋势，说明预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆加固后，边坡岩体处于安全稳定状态，加固效果较好。

8 结论

本文以胜利露天煤矿边坡为研究背景，采用现场调查、数值模拟与理论分析相结合的研究方法对边坡稳定进行了详细的研究，主要得出如下结论：

(1)在现场勘查的基础上，运用岩体力学理论和工程力学等理论，分析了胜利露天矿边坡滑坡的主要影响因素，并通过数值模拟等手段模拟了滑坡灾变机理。

图12 监测点水平位移随时间变化曲线

(2)针对胜利露天煤矿滑坡的治理工程问题，提出了预应力锚索框架梁这一行之有效的控制技术，同时创造性地将其与高压劈裂注浆技术相结合，形成新的滑坡防治技术，即预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆技术。该技术既充分发挥了预应力锚索框架梁的优势，同时又通过高压劈裂注浆提高了锚固力，使得软弱岩土体能够实施较高的张拉力，充分发挥张拉作用对岩土体的挤压作用，增加边坡的抗滑能力，对维护边坡稳定起到了较好的加固效果。

(3)现场监测表明，预应力锚索框架梁+高压劈裂注浆加固边坡新技术，控制效果显著，方案可行、合理。

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