露天煤礦排土場綜合治理方案研究
——以云南省文山州普陽煤礦1號排土場為例

高志軒，陳 濤，舒繼森，韓 流

(1.文山州煤業有限責任公司普陽煤礦，云南省文山州，663400；2.中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116 )

露天礦排土場作為典型大型人工堆積體，自身結構復雜，受地形、地質(工程地質、水文地質)、氣候條件影響較大[1-2]。排土場穩定性受不同因素影響，目前沒有相對統一的標準來衡量[3]。比如，北方干旱地區旱季和雨季的降雨量都比較小，而南方地區旱季和雨季分明，年降雨量較大，且同年最大月度降雨量接近旱季的10倍，有的年份在24 h內的降雨量超過150 mm，降雨成為影響南方排土場(或人工堆積體)主要因素之一；又如，北方露天礦山多處于地形平坦地區，排土場地形對其穩定性影響較小，而南方露天礦山排土場多處于溝谷之中，溝谷寬度、坡度、泉眼及河流分布、基地巖性等對排土場穩定性產生重大影響。

眾多學者指出，降雨是排土場邊坡發生失穩的主導原因之一[4]。在降雨過程中，邊坡巖土體表面的體積含水量會迅速增加，雨水也可能沿著邊坡裂縫迅速浸潤內部巖土體[5]，造成巖土顆粒間的接觸面積加大，使得原來的點—點接觸變成線—面間的組合接觸[6]，從而削弱巖土體的有效應力，致使孔隙水壓力增大，進而加大了滑體的下滑力，削弱了巖土體的抗滑力[7]。露天煤礦排土場矸石、殘煤等物質極易發生自燃[8]，產生大量有害氣體，造成孔隙壓力增大，降低了抗剪強度，最終導致滑坡事故發生。露天煤礦排土場在礦山服務周期內處于動態發展狀態，采礦工程活動(爆破、卡車重載和排土工藝等)會使邊坡的應力始終處于改變之中，當超過邊坡極限穩定狀態，邊坡極易發生滑坡。南方露天礦排土場受地形條件限制，往往建設在山谷溝壑間，基底形態差異性較大，其基底巖性大多為第四系殘積層和沖積層(如龍橋排土場、普陽煤礦1號排土場等)，該巖性屬于軟弱巖層，其物理力學性質受外界因素影響極易發生改變，從而隨著排土物料的次序、堆載高度、坡面形態等改變發生地基軟化，進而沿基底發生滑動破壞。

普陽煤礦1號排土場是我國南方露天礦典型散體軟巖物料山坡排土場，其綜合治理方案可為類似排土場邊坡變形破壞治理提供借鑒。

1 煤礦概況及滑坡情況

1.1 煤礦概況

普陽煤礦1號排土場始建于1985年，現狀最高排棄標高為1 030 m，排土高差225 m，總排棄物料達4 700余萬m3。該排土場屬于典型的山坡排土場，谷深、坡陡、泉眼密集，加之原始地表植被及表土層未做有效處理，其排土場基底巖性極差，排土過程未充分考慮巖性等問題，造成該排土場目前穩定性欠佳，綜合治理難度較大[9-11]。

1.2 滑坡情況

1990年6月30日普陽礦區發生了洪災，1號排土場暗涵冒頂堵塞，暗涵蓋板及溝幫垮塌，導致排土場積水，造成了排土場的邊坡安全隱患。1994年8月16-19日，普陽礦區連降大雨，8月20-23日1號排土場出現滑坡，滑體長170 m，寬100 m，滑坡體方量約11萬m3，滑坡前緣觸及公路，該滑坡破壞了原修建的擋土壩和暗涵工程。1994年滑坡情況如圖1(a)所示?；掳l生后煤礦于1994年在滑坡體前沿重新修建了1座擋土壩，對滑坡體進行治理。

2007年8月，受降雨影響，排土場下部再次發生變形滑動，滑坡體前緣高程804 m，后緣高程829 m，縱向長186 m，平均寬度75 m，面積13 950 m2?；w厚度3.80～8.10 m，滑體平均厚度6.52 m，滑坡體方量約9萬m3，為一中型淺層土質滑坡?；掳l生后為避免滑坡體外圍大氣降雨匯水進入滑坡體進而誘發再次滑坡，煤礦沿滑坡體周邊修建了復式排水溝攔截滑坡體外圍大氣降雨匯水。復式排水溝修建長度296 m。

2008年煤礦對滑坡體進行治理，于1號排土場前緣施工了17顆抗滑樁，抗滑樁施工完成后，該滑坡體至今未見開裂變形，該滑坡現狀基本穩定，同時抗滑樁未見變形跡象，運營狀態良好。2008年后滑坡情況如圖1(b)所示。

圖1 1994年和2008年滑坡情況

2 邊坡位移監測分析

普陽煤礦1號排土場目前已建立了國內先進的邊坡三維立體監測系統。監測系統包括地表位移自動監測系統、地下位移自動監測系統。1號排土場建立了13個排土場邊坡動態監測點，其中10個地表位移自動監測點(GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10)，3個深部位移監測點(SK10、SK11、SK12)。1號排土場監測系統布置如圖2所示。對監測數據進行處理得到普陽煤礦1號排土場邊坡位移監測點位移軌跡見表1。

圖2 排土場邊坡動態監測系統

表1 排土場GPS01～GPS10地表位移監測點位移軌跡

2.1 地表位移監測點高程變動分析

從表1可以看出，1號排土場邊坡監測點累計高程變動值最大為GPS01號監測點-177.9 mm，最小為GPS10號監測點-23.4 mm，日高程下降值為0.07～0.52 mm/d。

排土場邊坡監測點高程下降的原因是排土物料的自然沉降，結合邊坡監測點布置位置可以看出，各監測點位置形成臺階的先后順序為GPS09、GP08、GPS10、GPS05、GPS07、GPS06、GPS04、GPS03、GPS02、GPS01，邊坡監測點累計高程下降值與監測點位置臺階形成的時間總體呈負相關。由于新堆棄的巖土密實性小、孔隙大，經壓實后排土臺階頂面下沉。即后期形成的排土臺階因沉降時間短，尚未沉降完成，因此累計高程變動值大，初期形成的排土臺階因經過前期長時間沉降，沉降已趨近完成，累計高程變動值小。邊坡監測點高程下降值與監測點位置臺階形成時間關系如圖3所示。排土物料的自然沉降為排土場的自然特性，不影響整個排土場的穩定性。

2.2 地表位移監測點水平位移分析

2.2.1 東側邊坡水平位移分析評價

1號排土場東側邊坡臨空面傾向為46°，邊坡由GPS01、GPS05兩個監測點監測，監測點水平位移為40.8～61.2 mm，位移量為0.12～0.18 mm/d，位移方向為13°～32°，具體見圖2，其中GPS01點位移方向指向溝谷，GPS05點地勢較平緩，受溝谷影響小。東側邊坡監測點水平位移方向多變且與臨空面傾向不一致，分析認為東側邊坡位移為排土場自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，邊坡穩定，不存在滑坡。根據礦山現場巡查反饋，1號排土場東側邊坡沒有變形、底鼓、裂隙等現象，東側邊坡穩定。

圖3 邊坡監測點位移與監測點位置臺階形成時間關系

2.2.2 北側邊坡水平位移分析評價

1號排土場北側邊坡臨空面傾向為0°，邊坡由GPS02、GPS03、GPS04、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10等8個監測點監測，監測點水平位移為11.6～80.0 mm，位移量為0.035～0.240 mm/d，位移方向為16°～333°，其中GPS02、GPS03、GPS07、GPS09、GPS10等溝谷西側的邊坡監測點位移方向總體向東或東北，指向溝谷，GPS04、GPS06、GPS08等溝谷東側的邊坡監測點位移方向總體向西或西北，指向溝谷。北側邊坡地表位移監測點水平位移方向多變且與臨空面傾向不一致，位移方向總體指向溝谷方向，GPS07、GPS08號監測點位移方向與邊坡臨空面傾向相反，分析認為北側邊坡位移為排土場自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，邊坡穩定，不存在滑坡。根據礦山現場巡查反饋，1號排土場北側邊坡沒有變形、底鼓、裂隙等現象，808水平原有抗滑樁、擋土壩未見變形跡象，運營狀態良好。北側邊坡現狀基本穩定。

2.3 深部位移監測點位移分析評價

1號排土場深部位移監測點位移方向如圖4所示。

圖4 深部位移監測點位移方向示意

由圖4可以看出，1號排土場深部位移監測點位移方向與邊坡臨空面方向不一致，且同一監測點不同深度傳感器位移方向各異，監測數據并不具備整體變形特征。分析認為1號排土場深部目前總體處于穩定狀態，傳感器變形的原因可能是排土物料不均勻沉降、工程機械擾動等因素造成。SK12的第2個傳感器累計位移量達293.4 mm，位移量相對較大，須引起高度重視并加強該區域邊坡監測和現場巡查，一經發現變形、裂縫，立即采取應急措施以保障下游村莊、道路安全。

3 排土場邊坡綜合治理方案研究

3.1 858水平抗滑工程方案

3.1.1 方案布置

在邊坡工程的滑坡治理中，采用抗滑樁穿過滑坡體深入基底，增加滑體的抗滑力，是提高邊坡穩定性的常用方法。對于普陽煤礦1號排土場邊坡，在858水平采用抗滑樁工程方案分為858水平抗滑樁方案和858水平高壓旋噴樁方案，其方案布置情況如圖5所示。本次設計采用簡化Bishop法對3-3＇剖面邊坡穩定系數F提高至1.20時，858水平抗滑樁位置剩余下滑力進行了計算，經計算抗滑樁前的剩余下滑力為35 750 kN。858水平抗滑樁方案的滑面穩定驗算結果如圖6所示。

圖5 858水平抗滑樁工程方案

圖6 858水平抗滑樁方案的滑面穩定驗算結果

3.1.2 方案評價

抗滑樁最大長77 m，遠遠超出規范及現有施工經驗。雖然858水平高壓旋噴樁方案彌補了抗滑樁施工難度大的問題，但是高壓旋噴樁治理措施實施后會造成其地形上游方向出現地下水聚積，抬升上游地下水位標高，實施的時候必須采取相應的排水措施?？紤]到858水平附近高壓旋噴樁方案工程投資巨大，礦山難以承受，因此，不推薦858水平附近高壓旋噴樁方案進行邊坡治理。

3.2 排土壓腳結合抗滑樁方案

3.2.1 方案布置

排土場邊坡穩定系數較低的原因是排土場下部巖體軟弱，抗滑能力不足。將礦山剝離強度較高的灰巖、泥灰巖用于排土場底部壓腳，有利于邊坡穩定。排土壓腳及抗滑樁平面位置如圖7所示。方案在壓腳123萬m3的情況下，計算了8個滑動面，上部866～1 030臺階，邊坡最小穩定系數由1.090增大至1.227，上部邊坡穩定系數得到大幅提高，如圖8所示。因為排土壓腳增加了底部水平的下滑力，808～866水平邊坡穩定系數降低，出現0.971的穩定系數，存在滑坡危險，為保障排土場底部邊坡穩定需配套實施抗滑樁，抗滑樁平均樁長35 m，最大長度45 m，共49根，斷面按2.5 m×3.5 m計算。

圖7 排土壓腳及抗滑樁平面位置

圖8 排土壓腳及抗滑樁方案的滑面穩定驗算結果

3.2.2 方案評價

用強度較高的灰巖、泥灰巖排土壓腳確實可以提高排土場上部邊坡的穩定系數，但排土場底部邊坡穩定系數會降低。底部須施工抗滑樁方可整體提高排土場邊坡穩定系數。該方案將破壞排土場底部現有的疏干、排水和植被，且投資較大，抗滑樁施工難度同樣較高，方案還將破壞排土場858水平以下的植被、排水設施。因此不推薦排土壓腳+抗滑樁方案。

3.3 全基巖內疏水隧洞方案

3.3.1 方案布置

本方案隧洞全部在基巖內開挖，即隧洞水平全長596.76 m，巷道基本建在中風化灰巖中，出口段明溝加蓋板，長度200 m。全基巖疏水隧洞方案平面布置如圖9所示。不設放水孔段橫斷面尺寸為1.8 m×2.2 m(凈寬×凈高)的半圓拱斷面；設置放水孔段隧洞，放水孔排間距按10 m計算，0.5%縱坡段時，橫斷面尺寸為2.5 m×2.5 m(凈寬×凈高)的半圓拱斷面；陡坡段整機尺寸，橫斷面尺寸為4.0 m×2.5 m(凈寬×凈高)半圓拱斷面。變斷面處暫按突變考慮，對突變處前后各1 m段進行加固處理。

圖9 全基巖疏水隧洞方案平面布置

根據全基巖內疏水隧洞方案，1號排土場綜合治理后，邊坡穩定系數將得到提高，不同疏干效果情況下邊坡穩定系數不同，疏水70%、80%、90%和100%時的現狀邊坡簡化Bishop法邊坡穩定計算結果分別為1.241、1.254、1.260、1.264，如圖10所示。在邊坡達到預計的疏水效果的情況下(排土場底部基本不積水，疏水效果100%時)，現狀邊坡穩定系數可達到1.264，排土場在繼續排土至1 100水平的情況下，邊坡穩定系數為1.208。即排土場在采取綜合治理措施后，疏水效果理想的情況下邊坡穩定系數能達到規范規定要求，可以繼續排土2 100萬m3至1 100水平。

圖10 不同疏干水效果的滑面穩定驗算結果

3.3.2 方案評價

本方案有利于收集、排除排土場地下水，工程地質條件良好，隧洞全部位于中風化基巖中，位于潛在滑動面下，不小于7.12 m，隧洞不受排土場變形、滑坡的影響，隧洞支護簡單、施工較容易、施工工期較短、投資少。經綜合考慮研究，推薦全基巖疏水隧洞方案。

3.4 其他治理方案

3.4.1 針對局部位置低洼不利于排水的治理方案

因征地限制，排土場東側形成了一中間低四周高的洼地，受地形限制排土場東部大氣降雨一直是直接滲入排土場。為減少大氣降雨滲入，保障排土場邊坡安全，本方案將洼地進行填平處理，以有利于排水。設計填方量12萬m3，采用礦山剝離物。

3.4.2 針對排土場南部形成反坡、存在臺階垮塌堵塞排水溝的治理方案

1號排土場目前排棄最高水平1 030 m，排土場南側現排土形成反坡，反坡的坡腳分布有1條防洪溝攔截排土場南側外圍匯水。隨著礦山今后繼續排土，這條防洪溝將被排土覆蓋?？紤]到1號排土場今后最高排棄標高為1 100水平，為了攔截最高排棄水平外圍的大氣降雨匯水，礦山在排土場南側新建1 120水平截水溝，原防洪溝改為盲溝，繼續發揮排水功能。

4 結論

(1)根據排土場邊坡滑坡現場調查和邊坡監測數據，對地表位移監測點高程變動值、水平位移和深部位移監測點位移分析評價，得出排土場邊坡監測點高程下降和水平位移值變化的原因是排土物料的自然沉降，位移方向受原始地形控制，邊坡穩定并不存在滑坡，1號排土場深部目前總體處于穩定狀態，傳感器變形的原因可能是排土物料不均勻沉降、工程機械擾動等因素造成。

(2)通過對858水平抗滑樁方案、858水平附近高壓旋噴樁方案、排土壓腳結合抗滑樁方案和全基巖內疏水隧洞方案進行了比較及論證，最終推薦全基巖疏水隧洞方案作為排土場邊坡綜合治理主方案，并以針對局部位置低洼不利于排水的治理方案和排土場南部形成反坡、存在臺階垮塌堵塞排水溝的治理方案作為配套方案。