抚顺东露天煤矿第四系边坡锚索加固设计

于江浩，李 明，宋永威

（1.中煤工科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

随着我国露天煤矿开采的不断发展，出现了大量的片帮、滑坡等地质灾害，给露天煤矿生产带来了巨大的安全隐患。露天煤矿边坡失稳是多种地质因素综合作用的结果，这就使得必须针对各个矿山的具体情况采取合理的治理措施[1-2]。目前大多数露天煤矿均采取扩帮剥离、内排压脚、疏干排水等护坡措施，效果良好。但某些露天煤矿因矿界、边坡下部存在待采煤层等原因，无法通过扩帮、压脚等手段达到最优的经济效益，使得大量煤层未被采出，造成巨大经济损失。而目前我国公路边坡大多数采用预应力锚索加固边坡的护坡方式，效果显著，并且取得了丰富的经验。为此，针对抚顺东露天煤矿在无法采取扩帮、内排压脚护坡措施的情况下，借鉴了公路边坡锚索加固的经验，将锚索加固措施应用到了矿山边坡，取得了良好的效果，最终得出了抚顺东露天煤矿边坡锚索加固的设计参数，为同类型的露天煤矿边坡防护提供借鉴。

1 工程概况

1.1 边坡现状

抚顺东露天煤矿位于市区东部，居民建筑与露天矿相邻，在该露天矿南帮地表境界外紧邻1 条交通公路，所以该露天矿南帮边坡的稳定性直接关系到交通公路的安全。经现场调查发现该露天煤矿南帮第四系边坡有不同程度的沉降及数条裂隙。针对目前该露天矿南帮边坡现状，应采取适当边坡加固措施，提高边坡的稳定性，保证该露天矿南帮地表境界紧邻的交通公路的安全。

抚顺东露天煤矿南帮为顺倾边坡，岩层主要由上部的第四系和下部的玄武岩组成，第四系的黏聚力、内摩擦角相对于下部的玄武岩数值较小，力学性质较差，可以断定抚顺东露天煤矿南帮第四系边坡沉降及裂缝是由于最上部的第四系边坡蠕动所致，而下部的玄武岩边坡相对稳定。第四系边坡为南帮最上部的单台阶，该单台阶段高12 m，坡角38°，单台阶坡底平盘宽10 m，第四系与玄武岩分界面角度为17°，第四系边坡坡面有渗水，渗水来源主要为降雨补给。由于下部基岩边坡满足稳定性要求，所以要保证抚顺东露天煤矿南帮边坡的安全，就需要提高第四系边坡的稳定性。需选择合理的加固方案，以提高南帮第四系边坡的稳定性。由于地表境界紧邻交通公路，所以无法采取扩帮剥离的技术手段。又因南帮下部有煤层需开采，及第四系单台阶坡底平盘宽紧10 m，不具备内排压脚空间。第四系边坡为单台阶，段高较小，坡角较陡，所以不具备施工抗滑桩的条件，而锚索加固就较为合理，因第四系岩层平均厚度仅为5 m，可以将锚索锚固在基岩层内，在坡面位置施加预应力提高第四系边坡的稳定性。另外可以在第四系边坡坡脚处施工水平放水孔，疏干岩层内的孔隙、裂隙水，进一步提高第四系边坡的稳定性。

1.2 地质条件

抚顺东露天煤矿南帮上部第四系为黄色、灰黄色。主要由砾石、粗砂、粉砂土、黏土组成。砾石最大长度达10 cm，磨圆度较光滑，主要成分为石英，硬度较大，锤击不碎。下部基岩主要为玄武岩，灰绿色、灰黑色，隐晶质，块状构造。玄武岩表层存在不同程度的风化，风化带厚度平均1 m。抚顺东露天煤矿南帮岩土体物理力学性质指标见表1。

表1 岩土体物理力学强度指标

安全储备系数选取主要参考GB 50197—2015煤炭工业露天矿设计规范。

2 预应力锚索参数设计

2.1 锚固力

锚索的锚固力是根据滑体在锚固力、岩体自重的作用下滑面上的平衡条件求出的。

式中：p 为锚索锚固力，kN；K 为边坡稳定系数；W 为锚索所锚固的岩石重力，kN；β 为滑面倾角，（°）；φ 为滑面处岩体内摩擦角，（°）；C 为滑面处岩体黏聚力，kPa；L 为锚索所锚固的滑面长度，m；ψ 为锚固力与滑面夹角。

根据煤炭工业露天矿设计规范边坡稳定性系数选取表，抚顺东露天煤矿南帮第四系边坡稳定系数应该达到1.5 以上，故K=1.5。

根据南帮第四系边坡工程地质简化模型，第四系截面积为48 m2，设计锚索孔距5 m，第四系岩层密度1.8 t/m3，计算得所锚固的岩石重力为4 320 kN，设计锚索3 排，则每孔锚索所锚固的岩石重力为1 440 kN，即W=1 440 kN。

根据工程地质简化模型，第四系与玄武岩分界面角度为17°，故β=17°。

该露天矿南帮第四系边坡滑面处岩体为第四系，根据岩土体物理力学强度指标，第四系内摩擦角11.8°，黏聚力8.6 kPa，故φ=11.8°，C=8.6 kPa。

根据工程地质简化模型，第四系与玄武岩分界面处滑动带长20 m，设计3 排锚索，计算得每孔锚索所锚固的滑面长度为6.6 m，故L=6.6 m。

2) 本文所提出的重载转动副可装配性评价方法可以有效地指导雷达天线举升机构中重载转动副的装配规划，避免由于设计偏差及装配顺序不合理而导致的不可装配性，提高了整机的装配成功率。并且该可装配性分析过程不仅只适用于此类转动副也同样适用于间隙配合的装配体，具有一定的工程应用价值。

预应力锚索加固的机理是对滑体提供抗滑力，而锚索的锚固角对抗滑力的大小有很大的影响，为了获得良好的加固效果，降低加固成本，有必要充分发挥锚索的加固作用。所以设计中应充分重视锚固角，以便获得预应力锚索对边坡的良好加固效果。而最优锚固角一般通过技术经济综合分析，按单位长度锚索提供抗滑增量最大时的锚索下倾角为最优锚固角。根据现场施工条件，此次锚索加固锚固角为18°，锚固力与滑面夹角为锚固角与滑面倾角的和，滑面倾角为17°，计算得锚固力与滑面夹角为35°，故ψ=35°。代入式（1）得，p=353 kN。设计每孔锚索预应力为400 kN。

2.2 锚固段长度

设计采用锚索钻孔直径D=0.15 m，每孔采用3根钢绞线，单根钢绞线直径d=0.015 2 m；注浆材料用M30 水泥砂浆。锚索锚固段置于弱风化的较硬岩中，岩石为玄武岩。内锚固段长度不宜大于10 m。

锚索体从胶结体中拔出时，计算锚固长度Lm1：

胶结体与锚索体一起沿孔壁滑移，计算锚固长度Lm2：

设计中最后取锚固长度L=Max（Lm1，Lm2）

式中：T 为设计锚固力，取值400 KN；K 为安全系数，取值2.0；n 为钢绞线根数，取值3；d 为钢绞线直径，取值15.2 mm；D 为孔径，取值150 mm；C1为砂浆与钢绞线允许黏结强度MPa；C2为砂浆与岩石的胶结系数MPa。

根据相关岩体锚固工程经验，对于K 值在边坡和治理工程中，锚索孔作为灌浆孔，灌浆较为方便，灌浆质量容易保证，故此安全系数K 可以取小值，本次工程考虑实际工程状况，取值为2.0[3-4]。对砂浆与钢绞线允许黏结强度C 取值，主要考虑因素为岩土体与砂浆的黏结质量，根据大量已建的工程经验，水泥砂浆抗拉强度达到32 MPa，极限黏结强度可达到3.2 MPa，容许的黏结强度为1.6 MPa。

式（2）、式（3）表明：锚固段长度由胶结体与孔壁之间的摩擦力确定；实际上，胶结材料同孔壁之间的摩擦力并不是均匀分布的，无论是解析法还是数值模拟法研究都表明：锚固段沿孔壁的剪应力呈倒三角形，但是沿锚固段长度迅速递减；所以并不是锚固段越大，其抗拔力就越大，当锚固段长度长到一定程度，抗拔力提高并不明显，因此实用规范也特别规定锚固段长度不宜超过l0 m[5-6]。在此次第四系边坡锚索加固工程中，可以根据其地质条件及以往经验，取其经验值。由于锚索界面为钢绞线，第四系主要为黏性土，根据相关黏结强度取值标准，C1、C2取值分别为1.6、0.8。将C1代入式（2）计算得锚固长度2.79 m，根据式（3）计算得锚固长度为2.12 m，初步设计锚固长度为3 m。

锚固段应穿过滑动带（第四系与玄武岩分界面），考虑到第四系厚度较小，玄武岩又存在1 m 厚的风化带，故设计锚固段长度4 m，3 排锚索自由段长度从上之下分别为5、4、2 m[7-8]。在锚索自由段位置设置对中支架，锚固段采用对中隔离支架，起到将钢绞线可靠分离的作用，对中支架的间距为2 m，对中隔离支架间距为1.5 m。

2.3 注浆材料

现场注浆材料采用32.5 MPa 水泥，水泥浆水灰比为0.5，因本次工程为永久性工程，所以注浆体中的硫酸盐含量不超过4%，氯化物含量不超过使用水泥质量的0.1%。

因第四系地层承载力较小，无法满足设计预应力锚索锚固力400 kN 的要求，故采用全孔注浆形式，在自由段位置处将钢绞线用聚乙烯塑料管包裹住，作为钢绞线与水泥浆的隔离层，保证全孔所注水泥浆在提供足够地层承载力的基础上，自由段钢绞线仍能传递预应力至锚固段。

2.4 边坡稳定性

利用GeoStudio-SOLPE 软件对抚顺东露天煤矿第四系边坡进行稳定性计算，该软件是采用Morgenstern-Price（摩根斯坦-普瑞斯）法来确定边坡的安全系数。其中利用的模型为前文中第四系边坡工程地质模型，基本参数为该露天矿南帮岩土体物理力学性质指标和预应力锚索设计参数。第四系边坡稳定性计算结果1.53，在锚索加固后第四系边坡满足安全储备系数要求。

3 预应力锚索施工设计

预应力锚索加固设计如图1。

图1 预应力锚索

在施工锚索钻孔时，钻孔孔位偏差不得超过100 mm，钻孔孔口处倾角不得超过设计倾角3°，钻孔在钻进长度方向上的孔斜偏差不得超过钻孔深度的2%，钻孔孔深应大于设计孔深500 mm，钻孔的钻头直径不超过设计钻孔直径3 mm。

为防止注浆时压力过高导致地层破裂对第四系边坡上部交通公路造成危险，在第四系钻孔内部进行注浆时，注浆压力不得超过0.02 MPa。

锚索张拉利用液压千斤顶提供预应力，锚头结合锁片锁死，张拉分为3 级，第1 级张拉至80 kN，第2 级张拉至200 kN，第3 级张拉至400 kN。张拉时，每级稳压3 min，同时记录钢绞线伸长量。

在第四系边坡锚索加固工程中应均布分配一定数量的锚索应力计，对锚索所受到的应力进行实时监测，起到第四系边坡预警的作用[9]。

由于第四系边坡为松散黏土，强度指标较低，容易发生浅层剥落，蠕滑等现场，所以应采用钢筋混凝土格构形式提高边坡锚索加固整体性，格构内可以进行坡面绿化植被，与周围的环境相一致，同时可阻止坡面水土的流失，减少大气降水的下渗，使格构始终保持对坡面的预压应力，同时作为松散地层边坡中广泛采用的一种外锚头形式，既有利于预应力在边坡表层附近的均匀地传递、避免过分的应力集中和因岩土过大压缩变形所引起的预应力损失，又能加强各锚索之间的相互联系，保证锚索在抗滑中的均匀性、连续性及整体性，格构间则易于绿化以满足景观设计的要求。

4 结语

1）分析了抚顺东露天煤矿南帮第四系边坡工程地质条件，第四系力学指标较弱是影响边坡稳定性的主要因素，比较各种加固措施对提高边坡稳定性的可行性，最终选择锚索加固的方式最为合理。

2）对锚索加固方式的基本参数给出了设计，第四系边坡在采取锚索加固方式后稳定性系数可以达到1.50 以上。

3）针对第四系边坡锚索加固参数给出了施工设计、监测方式，以及通过格构梁的方式提高边坡锚索加固整体性，起到更好的加固效果。