露天煤礦外排土場(chǎng)邊坡滑坡治理

喬?hào)|亮，張永貴，商啟蒙，張冉昊，王智慧，段曉磊

（北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性是露天開采領(lǐng)域中重要的問題，隨著露天礦產(chǎn)量規(guī)模的不斷增大，排土場(chǎng)排棄容量增加，排棄高度加大，排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問題更為突出。魏家峁露天煤礦東一排土場(chǎng)于2015 年排棄到界停止使用。由于幫坡角較大及近幾年的雨水浸泡、沖刷，東一排土場(chǎng)西南側(cè)局部邊坡出現(xiàn)沖溝、裂縫、管涌和片幫，有局部邊坡滑坡的征兆[1]。該處邊坡下部1060 平盤有1 條村民道路，常有村民和車輛經(jīng)過，此處滑坡將掩埋村民道路，造成出行不便甚至是人身傷亡事故。村民道路緊臨罐子溝河道，若滑坡方量大將堵塞罐子溝河道，影響露天煤礦發(fā)展和當(dāng)?shù)鼐用裆?。所以治理魏家峁露天煤礦東一排土場(chǎng)邊坡滑坡尤為必要[2]。

1 礦山概況

魏家峁露天煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部，是一座現(xiàn)代化大型露天煤礦，該礦一期設(shè)計(jì)規(guī)模6 Mt/a，二期規(guī)模為12 Mt/a，平均剝采比為7.04 m3/t。魏家峁露天礦是國(guó)內(nèi)地形條件較復(fù)雜的露天煤礦。突出特點(diǎn)為黃土高原沖溝多、梁峁多[3]。魏家峁露天礦共設(shè)計(jì)了3 個(gè)外排土場(chǎng)，分別為東一、東二、西南外排土場(chǎng)。設(shè)計(jì)東一排土場(chǎng)最大幫坡角為18°，下部水平標(biāo)高1 060 m，頂部水平標(biāo)高1 220 m，總高程160 m，每個(gè)臺(tái)階高度20 m，自然安息角33°，每個(gè)臺(tái)階寬度為40 m。東一排土場(chǎng)最終幫坡角為19°，1060 臺(tái)階、1080 臺(tái)階、1100 臺(tái)階3 個(gè)臺(tái)階組成的局部幫坡角為33°。另外，排水系統(tǒng)不佳，邊坡常年受到雨水沖刷，多個(gè)臺(tái)階形成了大小不一的沖溝，1060 平盤出現(xiàn)裂縫且平盤邊緣沉降嚴(yán)重；1080平盤寬度窄、無反坡且已產(chǎn)生橫向嚴(yán)重裂縫；3 個(gè)臺(tái)階不同程度存在坡面沖溝、片幫垮塌[4]。

2 邊坡穩(wěn)定性

2.1 影響因素

排土場(chǎng)邊坡是由松散的土和巖石混合排棄后堆積形成，其穩(wěn)定性不但受制于混合物料的強(qiáng)度和排棄后空間的分布規(guī)律，而且還受到排土場(chǎng)地地表斜率、場(chǎng)地基礎(chǔ)巖土體抗剪強(qiáng)度、堆積坡度和高度、排棄巖土體的化學(xué)成分、水流滲透壓力及動(dòng)水壓力等因素影響。東一外排土場(chǎng)邊坡屬典型的土質(zhì)邊坡，主要受載荷和降水影響[5]。

1）載荷影響。邊坡的穩(wěn)定性在一定程度上受到荷載的影響。東一外排土場(chǎng)失穩(wěn)區(qū)涉及1060、1080、1100 3 個(gè)臺(tái)階。1060 臺(tái)階～1080 臺(tái)階高度約20 m，頂部平盤寬度7～11 m；1080 臺(tái)階～1100 臺(tái)階高度約20 m，頂部平盤寬度6～15 m；1100 臺(tái)階～1120 臺(tái)階高度約23 m，頂部平盤寬度68～84 m。1100 臺(tái)階～1120 臺(tái)階荷載較大，是造成排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)的重要因素之一[6]。

2）水的作用。水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，排土場(chǎng)50 %以上滑坡受水流影響，大部分滑坡發(fā)生在雨后。邊坡受到水的威脅主要表現(xiàn)在：巖石被軟化、強(qiáng)度被降低，以及水產(chǎn)生的靜水壓力與動(dòng)水壓力對(duì)邊坡作用。靜水壓力是飽水巖體受到浮力而產(chǎn)生浮重，減輕了邊坡本身的質(zhì)量，當(dāng)邊坡的穩(wěn)定性不足以被邊坡的自重維持時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性就會(huì)下降，動(dòng)水壓力作為體積力是指巖石顆粒受到在流通過程中滲流水的滲透力的作用，動(dòng)水壓力的方向與流線方向平行，坡體的內(nèi)部會(huì)因?yàn)槌Ｄ甑那治g和流動(dòng)而被掏空，降低了邊坡的穩(wěn)定性，失穩(wěn)現(xiàn)象容易發(fā)生[7]。

3）時(shí)間效應(yīng)。露天礦邊坡的變形和破壞大多與巖體中軟弱夾層的時(shí)效蠕變特征有著較大的關(guān)系，其抗剪強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而降低。如剪力不超過層面的長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；如剪力超過層面的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度時(shí)，邊坡便發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，最后達(dá)到加速蠕變而發(fā)生滑坡。東一外排土場(chǎng)排棄到界已4 年，時(shí)間效應(yīng)是影響其滑坡原因之一[8]。

2.2 穩(wěn)定性系數(shù)

分析東一外排土場(chǎng)西南側(cè)邊坡工程地質(zhì)條件，該處邊坡排棄物料為松散黃土，邊坡基底為原始沉積形成的第四系黃土，黃土下伏黏土層、泥巖層。計(jì)算所選取的物料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)東一排土場(chǎng)工程地質(zhì)模型，選取失穩(wěn)區(qū)剖面進(jìn)行數(shù)值分析。剖面計(jì)算模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為411 m，計(jì)算中排棄物料、黃土、泥巖和基底均采用摩爾庫倫模型。

剖面上層為排棄物料，密度較大，中間層屬于黃土層，底下夾雜1 層黏土層。邊坡的塑性區(qū)主要分布在下伏黃土層以及排棄物料的坡面上，因排土場(chǎng)下伏黃土較厚，本身黃土的抗壓力相對(duì)較小，與基底夾雜的黏土層抗滑力較弱，隨著排棄堆載高度的增大，黃土基底發(fā)生沉降，造成此處坡面發(fā)生剪切破壞。計(jì)算中排棄物料、黃土、泥巖和基底均采用摩爾庫倫模型計(jì)算，以利用FLAC3D軟件模擬豎直張裂縫-近圓弧形破壞的邊坡破壞模式進(jìn)行計(jì)算論證，論證結(jié)果顯示邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)FS＝1.39，滿足規(guī)范要求。但邊坡下部3 個(gè)臺(tái)階組成的局部邊坡最危險(xiǎn)滑面穩(wěn)定性系數(shù)FS＝1.02，小于設(shè)計(jì)規(guī)范1.2～1.5 的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，邊坡易沿原始沉積黃土層坡面發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而引起上部排棄形成的黃土臺(tái)階跟隨滑動(dòng)產(chǎn)生整體滑坡。

3 綜合治理方案

綜合考慮村民道路通行安全、減小邊坡載荷、減少大氣降水影響，經(jīng)實(shí)地勘察，對(duì)于東一排土場(chǎng)滑坡采用村民道路改道、削坡減載、完善排水系統(tǒng)的綜合治理方案。

3.1 村民道路改道

原村民路自西向東環(huán)繞東一排土場(chǎng)，從東一排土場(chǎng)最下部1 060 m 水平逐漸爬升至1 120 m 水平平盤，村民道路寬6 m。實(shí)地觀測(cè)，偶有村民及車輛從下部經(jīng)過，存在很大安全隱患。所以決定將原村民路進(jìn)行改道處理。村民改道充分利用原有坡道和地形條件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況定出改道后路線，改道后村民路長(zhǎng)為1 000 m，路寬為6 m，從高危邊坡西側(cè)1 070 m 水平處利用原坡道折返至1 120 m 水平平盤，再經(jīng)聯(lián)絡(luò)路、1120 平盤，最后于1120 平盤東側(cè)與原村民路相接。改道所需坡度需填方8 940 m3。改道后村民路需用矸石鋪墊、平整、碾壓，砂石鋪墊厚度0.7 m。同時(shí)，東一排土場(chǎng)入口經(jīng)1100 平盤至新修村民路也需修1 條寬為6 m 道路，道路長(zhǎng)度為1 300 m，砂石鋪墊厚度0.7 m，也需用矸石鋪墊、平整、碾壓。2 條道路所需砂石量9 660 m3?？偣こ塘?.86 萬m3。

3.2 削坡減載

削坡減載措施綜合考慮后續(xù)改路、削坡物料就近處理、已形成臺(tái)階坡底不動(dòng)的原則，將1100 臺(tái)階～1120 臺(tái)階施工形成2 個(gè)10 m 高的臺(tái)階，形成的中間平盤標(biāo)高為1 110 m 水平，形成的臺(tái)階坡面33°，削坡完成后1100 臺(tái)階～1110 臺(tái)階保留原剩余坡面。削坡總挖方量約6.2 萬m3，挖方量用于連通南北2個(gè)1 120 m 水平平盤，運(yùn)輸距離100 m。連通段寬度30 m，基本實(shí)現(xiàn)挖填平衡，連通后道路需用設(shè)備推平碾壓，削坡后臺(tái)階需用反鏟刷坡[9]。

在邊坡進(jìn)行削坡減載后，整體邊坡角由33°減小到25°，經(jīng)過用FLAC3D軟件進(jìn)行驗(yàn)算，得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由治理前的1.02 提高到1.22，滿足露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范中外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 防治水措施

東一排土場(chǎng)排水系統(tǒng)不完善，常年受雨水沖刷，形成多條沖溝。東一排土場(chǎng)1160 臺(tái)階、1140 臺(tái)階、1120 臺(tái)階、1100 臺(tái)階、1080 臺(tái)階都有較大沖溝，有的臺(tái)階不止1 個(gè)沖溝。為避免發(fā)生失穩(wěn)，防治水措施必不可少。

從經(jīng)濟(jì)有效的角度出發(fā)，先行填堵沖溝位置，再采用截堵措施。凡是有沖溝的地方全部進(jìn)行回填，1160 平盤、1140 平盤、1120 平盤、1100 平盤、1080 平盤邊緣做擋墻和反坡，平盤中間做圍梗，平盤上修筑1 條道路方便綠化施工和邊坡巡視。沖溝回填和圍梗采用就地取土方式，填完沖溝需推平碾壓，圍埂需用鏟斗拍壓整形。

道路用砂石鋪墊、平整、碾壓，砂石來源于采場(chǎng)，砂石運(yùn)輸費(fèi)用包含在剝離項(xiàng)目中。擋墻高度同原擋墻高度不低于1.5 m；平盤邊緣反坡坡度3%～5%；圍梗上頂寬度0.5 m，下底寬度1.5 m，高度0.5 m，圍梗間距50 m，遇較窄平盤，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行加密處理。計(jì)劃沖溝填方5.13 萬m3，圍梗工程量為2 110 m3。平盤道路長(zhǎng)3 807 m，寬6 m，厚0.45 m，工程量1.028 萬m3。

通過東一外排土場(chǎng)西南側(cè)邊坡綜合治理，提高了邊坡穩(wěn)定性，降低了邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，保障了下部行人車輛安全，消除了滑坡物料堵塞罐子溝河道的安全隱患。提高了村民道路的路面質(zhì)量，方便了附近村民安全出行，企業(yè)在當(dāng)?shù)厣鐣?huì)贏得了較好的口碑。同時(shí)，通過施工治理，排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡得到綜合防治，水土流失得到有效控制，調(diào)水保土效益顯著。

4 結(jié)語

對(duì)魏家峁露天煤礦東一外排土場(chǎng)西南側(cè)邊坡重要性進(jìn)行了論述，計(jì)算了失穩(wěn)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.02。通過分析此處邊坡失穩(wěn)的主要影響因素，針對(duì)性的采取了削坡減載、建立排水系統(tǒng)、村民路改道措施，將此區(qū)域邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.22，提高了邊坡穩(wěn)定性，降低了邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，水土流失得到有效控制，調(diào)水保土效益顯著。所采用的研究方法及所得結(jié)論對(duì)類似礦山到界外排土場(chǎng)失穩(wěn)邊坡治理有一定實(shí)踐價(jià)值。