新疆天池能源南露天煤矿高陡边坡锚索加固技术

2023-09-21沈建明于江浩

露天采矿技术 2023年4期

沈建明，于江浩

（1.新疆天池能源有限责任公司，新疆昌吉 831100；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

目前，在露天煤矿应用的边坡加固技术有预应力锚索及抗滑桩加固技术，2 种加固技术应用效果均较为良好，但相比抗滑桩加固，预应力锚索加固技术经济效益更为显著。为此，针对西帮边坡，借鉴以往预应力锚索加固经验，进行了大面积高陡边坡锚索加固技术应用，加固效果良好，最终将南露天煤矿西帮边坡坑底原煤全部采出[1]。

1 工程概况

新疆天池能源有限责任公司南露天煤矿地处新疆准东煤田大井矿区西南部，帐篷沟背斜东翼南部[2]。2017 年9 月，西帮按设计采煤至520 m 水平，揭露的煤层底板倾角约为36°，与到界边坡设计所依据的地质勘查资料偏差较大。为此，2018 年1 月，露天矿针对西帮开展了工程地质补充勘查工作。经查明：西帮430～520 m 水平煤层底板倾角高达30°～38°；边坡赋存1 层黏土质泥岩和多层砂质泥岩。上述因素对西端帮边坡稳定极为不利，受其影响，2017—2018年，西帮520 m 水平下部边坡多次出现片帮现象。由于西帮地表建有调度楼等建筑物，无法大范围扩帮剥离，而底部煤层采出后边坡存在极大整体失稳的可能，短时间内又无法完成内排压脚。为了顺利将西帮1 200 t 原煤采出，综合考虑采用扩帮剥离+锚索加固+内排压脚的综合开采方案，保证煤层采出后，西帮边坡稳定性系数1.05 以上，并尽快内排压脚，压脚后西帮整体边坡稳定性系数达到1.20 以上。

根据现场踏勘及槽探揭露，西帮坡面为黏土质泥岩，深部为泥岩与砂岩互层构成，砂岩完整性好，相对较硬；泥岩为弱胶结，手捻易碎，呈砂状，微湿，为主要弱含水层，受其浸泡，下伏泥岩顶板接触面相对较软。成岩作用差及受水浸泡的泥岩为西帮主要弱层。西帮岩体主要是泥砂岩互层结构，弱层间距为4～6 m，单一岩层内层理发育，使其地质条件更为复杂。

根据滑坡反分析及岩土体物理力学试验成果，西帮边坡岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学强度指标

2 边坡综合治理

2.1 扩帮剥离

西帮煤层底板为黏土质泥岩，力学强度较低，已经发生多次片帮，设计将此层3 m 厚黏土质泥岩全部剥离。西帮地表设有调度楼等建筑物，需留设足够的安全距离，扩帮剥离后，西帮边坡缓帮至30°，留有4 个运输平盘：580 平盘、540 平盘、520 平盘、484 平盘；1 个保安平盘：430 平盘。扩帮剥离后西帮计算模型如图1，经稳定性计算，扩帮剥离后西帮边坡稳定性系数达到1.0，处于极限平衡状态。

图1 扩帮剥离后西帮计算模型

2.2 锚索加固

为进一步提高边坡稳定性，对西帮边坡进行锚索加固设计。设计锚索应穿过西帮弱层岩体达到稳定层，锚索长度35～45 m。

1）预应力锚索最优锚固角。预应力锚索最优锚固角主要由现场施工条件确定。根据经验，计算得到的锚索倾角可使锚索工程经济效益最大[3-4]，由此计算得最优锚固倾角为下倾14.4°～22.4°。

2）设计锚固力、间排距的确定。锚索锚固力在滑面处将产生抗滑力和垂直滑面的法向阻力，利用极限平衡理论得到锚索锚固力[5-6]。研究西帮岩土体物理力学指标时，得到的是含水状态下岩石的强度指标，泥岩黏聚力为29 kPa,内摩擦角为16.8°，故此处不考虑静水压力及扬压力，滑面倾角为36°，锚索与滑面的夹角为54°，滑面长为345 m，设计孔距4 m，4 m 厚度滑体自重为43 920 kN，不考虑地震加速度对边坡稳定性的影响下，边坡稳定性系数提高至1.05 时，经计算需要的锚固力为7 398 kN。共施工14排锚索，每束锚索锚固力为528 kN，取整数为设计每束锚索550 kN。

3）锚索钢绞线。本次锚索加固工程选用钢绞线传递预应力，选用的7 丝标准型钢绞线应符合GB/T 5223—1995、GB/T 5224—1995 国标的要求，设计每束锚索锚固力550 kN，而直径15.2 mm 的钢绞线极限荷载为220 kN，故每束锚索需3 根钢绞线，可以保证1.2 倍的保险系数[7-8]。

4）锚固段长度。锚索注浆分为锚固段及自由段，当锚固段设计过小时，易造成黏结强度不足，张拉时无法提供550 kN 的锚固力，锚固段过长时造成水泥浆浪费。根据相关岩体锚固工程经验，内锚段长度一般为4～5 m[9-10]，本次锚索加固弱层间的砂岩为锚固段，长度4～6 m，符合经验要求。为了确保设计的锚固段长度能够达到锚索张拉应力550 kN 的要求，进行了锚索张拉试验，施工了5 个15 m 深钻孔进行极限拉拔试验，通过拉拔试验确定，在锚固段5 m 的情况下，锚索极限拉拔力可达1 124 kN，对应设计锚固力有2.0 的安全系数。

5）对中支架。西帮边坡治理在锚索编制的过程中需设置对中支架，防止设计的3 根钢绞线互相缠绕。对中支架可以采用钢材加工或者成品支架。对中支架之间的间隔为1.5～3.0 m。根据施工经验，本次设计锚固段按1.5 m 设置1 个对中支架，自由段按2.0 m 设置1 个对中支架。

6）锚索加固边坡稳定性计算。扩帮剥离后，西帮边坡520 m 水平以上泥岩弱层数量相对520 m 水平以下更少，岩石力学强度更大，同时520 m 水平至地表580 m 水平，边坡高60 m，边坡高度较小，边坡潜在的滑面剪出口位置应在520 m 水平以下。同时430 m 水平为泥岩弱层倾角变化的分界点，430 m水平以上泥岩弱层倾角约36°，430 m 水平以下泥岩弱层倾角逐渐变缓至7°，潜在滑面的后缘应在430 m水平以上，并且430 m 水平至坑底局部边坡高度60 m，边坡高度相对较小，同时430 m 水平以下煤层采出后能更快速地回填压脚，不存在430 m 水平至坑底局部片帮的可能。综合以上条件，设计锚索14 排，全部集中在430 m 水平至520 m 水平，排距6 m，长度35～45 m，相邻锚索不宜等长设计，可根据岩体强度和完整性交错布置，长短差在2～5 m。本次设计选定为3 m。锚索加固后西帮计算模型如图2，按照设计锚索加固方案，对西帮边坡进行稳定性计算，锚索加固后，西帮边坡稳定性系数可以达到1.05。

图2 锚索加固后西帮计算模型

2.3 回填压脚

根据工程地质补充勘探成果，边坡岩层倾角变缓位置为430 m 水平，西帮边坡治理后，潜在滑面的剪出位置主要为430 m 水平，因此，为起到内排压脚的作用，前期内排台阶至少排至430 m 水平，后期可随着东西向排弃空间的扩大，逐步抬高排弃标高。

内排基底主要为煤层底板黏土质泥岩，力学强度相对较低，平均厚度3 m，应将其剥离，使内排基底为强度较高的砂岩，保证内排土场自身以及西帮整体边坡的稳定性。

2.4 防治水

1）地表水防治。根据气象和水文资料，矿区属大陆干旱荒漠气候，平均年降水量106 mm，年蒸发量1 202～2 382 mm，5—8 月偶有雷阵雨，冬季积雪稀少，矿区地下水亦无地表河流补给，矿区总体汇水量较小。但为有效截排汛期坡表汇水，于地表-斜坡道坡脚处、490～480 m 水平平盘和430 m 水平平盘设置3 条水沟，水沟坡度按台阶走向坡度留设，最小坡度为5‰，满足规范要求[11]，水沟距坡底线1 m，上宽1.5 m，下宽1.2 m，深0.8 m。

2）地下水防治。通过锚索钻孔施工发现，508 m水平南侧部分钻孔放置3 d 后孔内有少量积水，而北侧孔内无积水，初步推断，该处边坡与南帮渗水区域有较弱的水力联系。为探查该处地下水赋存是否丰富，在锚索施工过程中，于该处施工了1 眼向上倾斜的钻孔，钻孔倾角8°，未发现有水流流出，可以看出该处水量并不丰富。下部锚索施工过程中密切关注了孔内积水量，在430 m 水平积水较多，故在坡面施工到界后，靠平盘南侧施工1 排水平放水孔，以疏干边坡内自由重力水，同时截断了南帮与西帮之间的水力联系。

3 锚索应力计监测

结合锚索施工孔位布置特点，在满足监测点覆盖范围要求的前提下，优化监测网络布置，提高监测效果[12]，分别在430、484、520 m 水平各布置了1 个锚索应力计。西帮锚索应力计监测曲线如图3。

图3 西帮锚索应力计监测曲

西帮锚索应力计2019 年11 月1 日开始监测。初始安装时，应力集中在锚索孔口岩壁处，在短时间内，孔口岩壁发生塑性变形，同时，钢绞线也产生松弛变形，故锚索初始应力衰减至170 kN。自2019 年11 月1 日至2020 年1 月1 日，锚索应力一直稳定在170 kN,此时煤层已经全部采出，开始内排，边坡处于稳定状态；自2020 年1 月1 日至2020 年2 月15 日，锚索应力处于缓慢增长状态，于2020 年2 月15 日锚索应力达到最大值190 kN,此时内排标高430 m 水平，刚刚排弃至潜在滑面剪出口位置，此阶段由于煤层全部采出，西帮边坡产生变形，应力在潜在滑面剪出口位置释放，故锚索应力处于缓慢增长状态；随后，内排标高逐步提高，西帮边坡开始恢复稳定状态，自2020 年3 月1 日至2020 年3 月15日，锚索应力处于缓慢衰减状态，这是因为西帮边坡在变形过程中产生的裂隙被逐渐压密所致，2020 年3 月15 日至2020 年4 月1 日，锚索应力恢复稳定，保持在180 kN,此时，内排已经压过460 m 水平，西帮边坡持续处于稳定状态。