急倾斜煤层开采高陡顺层边坡加固综合技术应用

文/齐中元

一、高边坡工程概况

达子营—戈家窑段位于宁武县新堡乡达子营和戈家窑村附近，为昌元煤矿五段划分中的第二段，起始桩号为K1+707.6，止讫桩号为K2+722.2，长度1014.6m。该段人工切坡放台后沿5#煤层底板形成的边坡（亦称下盘边帮），坡顶高程1818m，开挖后坑底高程1600m，高差218m；岩层倾角约70°，各台阶坡度等于岩层倾角，切坡后最终边坡角46°；台阶设计高度15m，平台设计宽度5m；坡面近似于三角形，坑底长度720m；该边坡位于石炭系中统本溪组岩层内，边坡走向和岩层走向一致，属顺层边坡。如图1所示。

图1 治理区开挖形成的边坡剖面图

开挖后形成的高边坡特别是5#煤层底板边坡是否稳定，需在分析边坡工程地质条件的基础上再进行评价，并据此提出治理措施，为综合治理工程的安全施工提供保证。

二、高边坡工程地质条件

1.地形地貌

边坡工程区位于宁武县新堡乡达子营和戈家窑村附近，地貌单元上属低中山。区内地面标高在1675.0m~1825.0m之间，相对高差约150.0m。

2.地层岩性

场地内分布的第四系地层主要为人工填土（Qml）及坡积（Qdl）碎石土层，下伏基岩主要为二叠系（P）粗砂岩、泥质页岩，石炭系（C）粗砂岩、泥质页岩、泥岩、细砂岩、煤层及奥陶系（O）灰岩。

3.水文地质条件

地下水主要为赋存于各岩层中的基岩裂隙水。基岩裂隙水受基岩裂隙发育程度及裂隙充填情况影响，各处富水情况不一，未形成连续水位面。基岩裂隙水稳定水位埋深7.37~22.87m，标高1689.13m~1783.27m。

4.地震

据山西省（78）震字批29号文及山西省区域地震基本烈度图，本区地震烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组。

该治理工程开挖形成底板边坡在本溪组内，如图2所示，软硬岩层相间，互层排列，大部为软岩，只有少量硬岩，但层薄，不稳定，不利于边坡的形成和稳定。

图2 治理区开挖形成底板边坡岩性组合特征

图3 预应力锚索结构示意图

三、高边坡整治加固措施

在深入研究已有工程地质、水文地质资料和周边环境条件的基础上，经实地踏勘，采取卸载减压、预应力锚索加固、架设主被动防护网、预裂爆破开挖、防排水以及稳定性监测等高陡边坡综合整治加固措施。

1.卸载减压

卸载的目的是为减弱5#煤层底板下的石炭系上统太原组和石炭系中统本溪组的岩石因自重对边坡下部造成较大荷载，削弱其剪应力。为此，在治理工程中根据工程地质条件从坡顶逐级放台、放坡至设计标高。

达子营—戈家窑段高边坡共卸载约39.7万m3，降荷91.3万t，大大降低了因岩体自重而产生的下剪力。卸载降荷后，高边坡上部坡度减缓，最终边坡角为42°。

2.预应力锚索加固

为防止高边坡发生溃屈破坏，根据地质勘查成果和最佳安装角、锚索的承载力等要素的计算结果，采用ASTM416-87a型φ15.2mm的高强度低松弛锚索钢绞线。每束锚索6股钢绞线，锚索拉力值1000KN，锚索孔径φ130mm，锚孔垂直于台阶坡面，长度28~30m，自由段经防腐处理后分别套塑料管穿过潜在滑动层；锚固段长7m，置于潜在滑动层以下的稳定岩体中，使岩体不易剪切破坏，通过灌浆（M30）将钢绞线与岩体连为整体，提供抗拔力。预应力锚索结构如图3所示。

设计张拉值和锁定值均为800KN，超张拉值为1.05倍的设计张拉值，分为5级张拉，每级张拉力依次为设计张拉力的25%、50%、75%、100%、105%；每级张拉应保持荷载5min，最后一级保持荷载10min。张拉全部完成后48h内，若测定的预应力损失值超过设计张拉力的10%时，补偿张拉后锁定。

由于边坡高度较大，开挖会造成坡体一定范围内的地应力重新分布，靠近坡体下部会出现剪应力的集中，以防止因应力集中而发生的岩体溃屈破坏。在坡体下部设置预应力锚索，设计结构为群锚结构，呈矩阵排列，纵向成排，竖向成行，锚索间距5×5m。

高边坡在实施预应力锚索加固后，边坡的稳定性均保持在2年以上，表明预应力锚索对边坡加固后具有长期有效性和经济合理性。

3.预裂爆破开挖

临近最终边坡的爆破采用预裂爆破的方法，最大程度地减少了爆破震动对山体的扰动，且获得较平整的边坡轮廓，取得较好的效果。采取预裂爆破方法，虽然提高了临近最终边坡的局部爆破成本，但大大减轻高边坡因频繁爆破产生的疲劳效应，减少了高边坡的维护工程量，节约了施工成本，维持了边坡的安全稳定。

4.架设防护网及挂网喷护

为防止危岩活石坠落导致人员伤亡事故，根据边坡的实际情况，架设被动式防护网，如图4所示。在开挖过程中，遇到有一定面积的岩体较破碎且完全清除有困难时，可在该位置设置主动防护网。

图4 主被动式防护网支护示意图

在开挖过程中，遇到最终边坡坡面上有一定面积的岩体破碎时，可对该区域进行挂网喷护，如图5所示。

图5 坡面挂网喷护示意图

5.防排水

根据场地特征和地层情况，对于地表和地下水的控制，主要采取如下防治措施。

（1）地表水的控制：一是坡顶外围设置截水沟；二是坡面排水，每级边坡平台上设置排水沟；三是平台表面的硬化阻水，在砌完排水沟或安全挡墙之后，采用水泥砂浆硬化或铺设隔水土工布的方式阻水。

（2）地下水的控制：主要措施是在坡面上设置仰斜式泄水孔，外倾5%，长度7.0~13.0m。

6.边坡稳定性监测

（1）实施边坡变形监测的目的：一是对边坡稳定性进行实时动态监测，为施工提供边坡三维位移数据；二是评价边坡在施工中的稳定性，并作出预测预报，若位移数据异常时，及时发出预警；三是对边坡可能出现变形破坏的区域、规模、滑动方向、发生时间及危害程度，及时做出分析和预报；四是统计边坡位移数据，分析研究边坡变形破坏的规律；五是通过边坡稳定性监测，为工程提供可靠的安全保障。

（2）监测原理及应用软件。利用测量机器人进行边坡监测时，在所监测边坡对面修建监测站，确保与边坡所监测区域通视，在监测区域外布设基准点建立监测控制网，在边坡上布设监测点。测量机器人通过对基准点的测量，应用后方交会法校正基站测量机器人的坐标，然后对监测点进行实时在线监测（测量周期约180个/小时），并将测量数据通过有线和无线通信方式传输到中央处理站，利用徕卡GeoMoSMonitor软件及温度气压传感器对监测数据进行预处理，将数据转换为GSI数据格式，存入数据库中。数据库中的字段包括序号、点名、X坐标、Y坐标、高程H、观测日期等信息，并建立点表、观测循环表等，由徕卡Geo-MoSAnalyzer软件将所采集的数据生成各监测点位移曲线图，由监测人员编制《高边坡稳定性监测日报》和《高边坡稳定性监测周报》以实现对矿区高边坡的实时监控。

通过边坡变形监测方案的实施，准确、及时、直观地对高边坡稳定性进行了监测、预警，为工程各阶段施工的顺利进行提供了可靠的安全技术保障，在实践应用过程中取得了良好的效果。

四、结论

采取卸载减压、预应力锚索加固、架设主被动防护网、预裂爆破开挖、防排水以及稳定性监测等高陡边坡综合整治加固措施，使得昌元煤矿火区和塌陷区综合治理工程的高陡边坡从开始形成到治理结束一直处于稳定状态，此高陡边坡综合整治加固措施及时有效，具有推广应用价值。