深凹露天矿边坡地下承压水泄压技术

李惠发,冯 萍

（抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113001）

露天矿边坡稳定是制约矿山正常生产的重要因素，其中水的因素尤为重要，以往露天矿的滑坡历史中，因水导致的滑坡案例举不胜举。雨后、雨季和解冻期等季节性因素以及疏干排水措施不当均会导致滑坡产生。在采剥及治理过程中，由于地区降水量的影响及部分岩层遇水软化的特征，导致边坡内形成上层滞水，地下水水位上涨，存在滑坡安全隐患，对日常安全生产工作存在潜在威胁。阜新海州露天矿1975 年以前的39 次滑坡中，有24 次有水的影响，如雨水过大，水沟中的水向弱层渗漏，冲积层地下水浸入岩层，旧巷道水向边坡渗透等[1-3]；平庄西露天煤矿工作帮1975 年8 月14 日第24 次滑坡是连续3 d 降雨，雨水渗入绿泥岩层面及滑体而发生的；哈密三道岭露天煤矿地处干旱的新疆，但第四系戈壁砂砾石透水性强，非工作帮第三系岩层是含水层，受当地工业民用水、天山融雪水补给，地下水活动是该矿3.5 km 长非工作帮全线滑动的主要原因；抚顺西露天矿1993—1994 年北帮E800 变形的加速及滑坡最终形成皆伴随着暴雨或者连续降雨。由此可见，保障露天矿边坡稳定的一个重要条件就是消除水对边坡的不利影响。尤其是露天矿开采至末期，随着开采不断降深，边坡不断加高加陡，逐渐形成深凹地形；地表水及地下水受重力影响高产生应力累积，诱发的岩体损伤，导致边坡不稳定，进而发生滑坡。柳昆鹏[4]研究了输干井联合水平放水孔排渗法在滑坡治理中的应用；董志龙等[5]以抚顺东露天煤矿第四系边坡为研究对象，进行了疏排水设计。因此，以抚顺西露天矿北帮的水文地质条件情况调查为依据，在抚顺西露天矿边坡治理中不同疏干排水方案的对比研究的基础上[6-8]，对深凹露天矿地下承压水泄压技术进行研究。

1 工程概况

抚顺西露天矿北帮水文地质条件十分复杂，第四系冲积层溢流和白垩系砂岩构造裂隙含水单元越流构成了边坡水补给源。前者通常依靠永久性或临时性的截排水沟和泵站排水即可疏导，而后者形成的地下承压水则必须随着日常生产过程中采区的不断变化而不断调整方能持续截排引流，是生产过程中疏干排水的重点工作。疏干装置与岩体间的水力联系决定了疏干排水装置排泄量的设定。通常来说，当水力性质一定时，岩体不连续面、优势渗流带的联系与距疏干装置某一距离处的压力释放是成正比的，前者联系越好，压力释放越大。因此，承压水的泄压技术研究，必须在彻底调查地质资料后，清楚掌握水文地质特征，同时考虑局部的渗流条件及截交较多的流迹，根据穿透岩石特性最终确定技术参数。

2 地质条件

2.1 水文地质特征

西露天矿北帮上部地表第四系冲积层，渗透性良好，覆盖于渗透性较差的裂隙基岩上，该层与下部基岩形成一个较为复杂的含水系统。该系统边界清晰，南部的矿坑北帮边坡为其排泄边界，北面的浑河为其补给边界，与大气降水及工业、民用废水等多个含水单元共同构成了一个立体的、水力联系密切的地下含水系统。

北帮冲积层水文地质条件与浑河河床毗邻，与河床之间冲积层呈连续分布，呈2‰的坡度缓向矿坑，成为定水头充水补给源。北帮基岩分别被2 条深大断裂F1及F1A所切割。F1A和F1断层性质均为压性逆断层，断层带由构造角砾岩及少量断层泥组成，泥质、钙质胶结，原则上为相对隔水层。断层F1和F1A将北帮基岩划分为4 大水文地质单元，分别为第四系冲积层含水单元、太古界片麻岩构造裂隙含水单元、白垩系砂岩构造裂隙含水单元和第三系绿色泥页岩上部构造裂隙和下部的导水裂隙含水单元。

2.2 地质构造

研究区内主要有2 个断层，分别为F1断层和F5断层。

F1断层是区域构造断裂，断层破碎带随下盘岩性的变化宽度不一。W1200 以西，下盘岩石较脆（油页岩和煤层），破碎带宽度约为10 m，且角砾岩发育；W1200 以东，下盘岩石为绿泥岩组，破碎带宽度较窄，但断层南翼岩层拖拉揉皱带东西方向影响范围较大。受该断层影响，W1800 至E1300 范围内的北帮上部边坡出现了不同程度的变形与破坏问题。

F5断层位于西露天矿中部，近南北走向，产状SW240°∠38°，为张扭性正断层，垂直断距15～22 m，水平断距42～59 m。F5断层是南帮边坡变形的东侧边界，在南帮及坑底出露较为明显，至北帮逐渐尖灭，但其对北帮影响却未减轻，甚至更为恶劣。受F5断层张扭动力作用，该区域岩体损伤严重，节理裂隙发育，强度急剧降低。经过历次滑坡，该处边坡岩体愈加松散破碎，为地下水赋存提供了优良条件。北帮E800～E1300 附近发生的一系列滑坡与该区域岩层受F5断层扰动影响不无关联。

3 地下承压水泄压技术

3.1 承压水赋存概况调查

以地下承压水流理论为依据，通过钻孔抽水观察，掌握研究区内各含水岩层水文情况，以便后续地下承压水泄压技术研究提供技术依据。

1）设置试验孔。为简化施工程序，利用滑坡体内爆破钻孔作为简易水文孔进行抽水试验，并采取无观测孔的单孔非稳定流抽水试验。抽水过程中，保持出水量固定，观测动静水位变化。其目的层为隔水层以上岩层。根据滑体工程地质、水文地质条件及滑坡特征，确定E2200－1、E2200－2、E2250－3、E2300－4、E2350－5、E2400－6 及E2450－7 勘查孔作为本次水文试验孔。

2）试验方法。首先需要对钻孔进行反复清洗，直至孔口溢出清水为止。之后进行1 次最大的水位降深，抽水时应尽设备能力做最大降深，降深次数一般不少于3 次，抽水点应做到合理分布，每次水位降深间距不应小于3 m。各点抽水的水位、流量的稳定时间不少于8 h，以便掌握水位降低值与涌水量的数量关系，为正式抽水时合理选择降深水位作为参照依据。正式观测试验时，如果静止水位呈单向变化，并连续4 h 内水位变化不大于2 cm/h；或者水位升降幅度与自然水位变化一致，即可停止观测。当水位难以静止时，必须累计观测至少72 h 方可停止观测。所有试验数据记录备查[9]。

3）试验成果分析。水位勘察孔内第三系绿色泥页岩上部构造裂隙和下部的导水裂隙含水单元，水位较高，边坡涌水较大，受岩体内潜在滑动面上水压力的影响，不利的地下水条件将引起的边坡稳定性降低。抽水试验参数见表1，滑坡区水文地质参数见表2。

表1 抽水试验参数

表2 滑坡区水文地质参数

3.2 承压水泄压方案

根据承压水赋存调查结果，以保障边坡安全为准则，将危险区段内的水压力降低到切实可行的程度。通过反复搜索计算，确定边坡潜在失稳滑动面，并将疏干范围确定为潜在滑面以下20 m。潜在滑面及疏干范围如图1。

图1 潜在滑面及疏干范围

针对深凹露天矿高陡边坡，根据第四系渗透性能、地下水水力联系、现场施工条件，重点研究边坡地下承压水泄压技术，选择单排放射状布置泄压孔穿透单层或多层含水岩层底板的技术方法，将不同含水层中的地下承压水释放出来，提高边坡稳定性，避免发生较大的滑坡现象。

首先，沿边坡走向每40 m 施工1 个钻孔，观察单孔出水流量及边坡疏干效果，若水量较大且边坡疏干效果理想，则停止施工。若水量较大，但边坡疏干程度一般，则将孔间距加密为20 m。根据地层情况、台阶高度及潜在滑面深度，泄压孔孔深设计为50 m，钻孔宜按5°～8°倾角向上倾斜施工，以靠重力自清孔中泥沙，直径一般为80～120 mm。

露天矿高陡边坡地下承压水泄压工艺如图2。

图2 露天矿高陡边坡地下承压水泄压工艺

根据施工区域岩体特点及要求深度，对工程钻机和配套降温水泵进行选型，将降温水泵出水管与钻头后方冷却口连接，在钻机钻进过程中从冷却口向钻头进水冲刷岩粉同时冷却钻头，在设计好开孔直径及开孔角度后，将加工好的两端带有丝扣的井口支撑管连接钻机开始钻进，若井口周围岩性较差的坡体厚度较大，则需利用之前加工好的丝扣部分连接多根井口支撑管，深度达到稳定岩体后，将井口支撑管预留在坡体外部一段，脱离钻机并留在岩体内，钻机退回，此段井口支撑管起到支撑保护和封闭引水的作用，然后连接钻机、钻杆、钻头插入井口支撑管开始向岩体内部施工泄压孔，达到目标深度后，将钻杆和钻头升上退回，将加工后的疏水管深入岩体一侧头部用软木塞封堵后，沿放水孔插入，后续疏水管与前端岩体内部疏水管利用快速接头连接，疏水管管壁以梅花形式错位布置疏水孔，直至距离孔口剩余1 根疏水管长度，连接1 根无孔疏水管放入井口支撑管，在封口顶盖一侧焊接出水管后，用封口顶盖以丝扣连接井口支撑管中，在坡体与井口支撑管出水口之间砌筑水泥保护平台以加固出水口稳定性，防止上部坡体掉落岩石对井口支撑管造成破坏，随即用导水管连接出水管，将水引至指定水沟排放。

本技术与以往疏干排水法相比，按每百米深度计算，不同岩层情况从施工至最后成孔出水仅需1～1.5 d 即可完成，且穿透多层岩体，具有施工成本低，施工速度快、泄水压效果好，场地限制因素少、后期不需要维护的特点。

4 结语

水是影响露天矿边坡稳定的一个重要因素，尤其是开采末期的深凹露天矿，垂直高差大，高应力累积及诱发的岩体损伤机理十分复杂，高陡边坡内地下承压水富集，极易诱发滑坡安全隐患。对此类边坡，超前预判，利用机械设备探入地下承压水泄压区域含水岩层深部，穿透单层或多层含水岩层底板将泄水管置入岩层深部，导出承压水，可以消除岩层中地下承压水造成的滑坡隐患，提高边坡稳定系数，保证边坡安全。