高志轩1，陈 涛2，舒继森2，韩 流2
(1.文山州煤业有限责任公司普阳煤矿，云南省文山州，663400；2.中国矿业大学，江苏省徐州市，221116 )
摘 要 南方露天煤矿排土场多处于沟谷之中，其稳定性受降雨影响较大，有效治理其滑坡失稳问题对保障露天煤矿安全生产非常重要。以云南省文山州普阳煤矿1号排土场为例，阐述了排土场边坡综合治理方案，分析了该排土场边坡位移监测情况，提出了不同的治理方案并进行了技术、经济比较及论证，得到了适合1号排土场边坡治理的综合方案——即全基岩内疏水隧洞方案。结果表明：边坡监测点位移变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，边坡稳定并不存在滑坡，1号排土场深部目前总体处于稳定状态，传感器变形的原因可能是排土物料不均匀沉降、工程机械扰动等因素造成。
关键词 露天煤矿排土场；边坡综合治理；位移监测；自然沉降；疏水隧洞
露天矿排土场作为典型大型人工堆积体，自身结构复杂，受地形、地质(工程地质、水文地质)、气候条件影响较大[1-2]。排土场稳定性受不同因素影响，目前没有相对统一的标准来衡量[3]。比如，北方干旱地区旱季和雨季的降雨量都比较小，而南方地区旱季和雨季分明，年降雨量较大，且同年最大月度降雨量接近旱季的10倍，有的年份在24 h内的降雨量超过150 mm，降雨成为影响南方排土场(或人工堆积体)主要因素之一；又如，北方露天矿山多处于地形平坦地区，排土场地形对其稳定性影响较小，而南方露天矿山排土场多处于沟谷之中，沟谷宽度、坡度、泉眼及河流分布、基地岩性等对排土场稳定性产生重大影响。
众多学者指出，降雨是排土场边坡发生失稳的主导原因之一[4]。在降雨过程中，边坡岩土体表面的体积含水量会迅速增加，雨水也可能沿着边坡裂缝迅速浸润内部岩土体[5]，造成岩土颗粒间的接触面积加大，使得原来的点—点接触变成线—面间的组合接触[6]，从而削弱岩土体的有效应力，致使孔隙水压力增大，进而加大了滑体的下滑力，削弱了岩土体的抗滑力[7]。露天煤矿排土场矸石、残煤等物质极易发生自燃[8]，产生大量有害气体，造成孔隙压力增大，降低了抗剪强度，最终导致滑坡事故发生。露天煤矿排土场在矿山服务周期内处于动态发展状态，采矿工程活动(爆破、卡车重载和排土工艺等)会使边坡的应力始终处于改变之中，当超过边坡极限稳定状态，边坡极易发生滑坡。南方露天矿排土场受地形条件限制，往往建设在山谷沟壑间，基底形态差异性较大，其基底岩性大多为第四系残积层和冲积层(如龙桥排土场、普阳煤矿1号排土场等)，该岩性属于软弱岩层，其物理力学性质受外界因素影响极易发生改变，从而随着排土物料的次序、堆载高度、坡面形态等改变发生地基软化，进而沿基底发生滑动破坏。
普阳煤矿1号排土场是我国南方露天矿典型散体软岩物料山坡排土场，其综合治理方案可为类似排土场边坡变形破坏治理提供借鉴。
普阳煤矿1号排土场始建于1985年，现状最高排弃标高为1 030 m，排土高差225 m，总排弃物料达4 700余万m3。该排土场属于典型的山坡排土场，谷深、坡陡、泉眼密集，加之原始地表植被及表土层未做有效处理，其排土场基底岩性极差，排土过程未充分考虑岩性等问题，造成该排土场目前稳定性欠佳，综合治理难度较大[9-11]。
2007年8月，受降雨影响，排土场下部再次发生变形滑动，滑坡体前缘高程804 m，后缘高程829 m，纵向长186 m，平均宽度75 m，面积13 950 m2。滑体厚度3.80～8.10 m，滑体平均厚度6.52 m，滑坡体方量约9万m3，为一中型浅层土质滑坡。滑坡发生后为避免滑坡体外围大气降雨汇水进入滑坡体进而诱发再次滑坡，煤矿沿滑坡体周边修建了复式排水沟拦截滑坡体外围大气降雨汇水。复式排水沟修建长度296 m。
2008年煤矿对滑坡体进行治理，于1号排土场前缘施工了17颗抗滑桩，抗滑桩施工完成后，该滑坡体至今未见开裂变形，该滑坡现状基本稳定，同时抗滑桩未见变形迹象，运营状态良好。2008年后滑坡情况如图1(b)所示。
图1 1994年和2008年滑坡情况
普阳煤矿1号排土场目前已建立了国内先进的边坡三维立体监测系统。监测系统包括地表位移自动监测系统、地下位移自动监测系统。1号排土场建立了13个排土场边坡动态监测点，其中10个地表位移自动监测点(GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10)，3个深部位移监测点(SK10、SK11、SK12)。1号排土场监测系统布置如图2所示。对监测数据进行处理得到普阳煤矿1号排土场边坡位移监测点位移轨迹见表1。
图2 排土场边坡动态监测系统
表1 排土场GPS01～GPS10地表位移监测点位移轨迹
监测点累计水平位移/mm累计高程变动值/mm位移方向/(°)临空面倾向/(°)监测边坡GPS0161.2-177.932.046东侧GPS0280.0-152.056.00北侧GPS0372.8-55.616.00北侧GPS0429.1-75.6316.00北侧GPS0540.8-29.913.046东帮GPS0634.7-71.7333.00北侧GPS0711.6-56.8127.00北侧GPS0851.5-24.7215.00北侧GPS0929.3-47.423.00北侧GPS1027.2-23.473.00北侧SK1010-10.5-233.90北侧10-22.0-211.50北侧10-339.6-220.90北侧SK1111-132.4-81.40北侧11-252.2--1.50北侧11-31.5-322.70北侧SK1212-122.2-81.10北侧12-2293.4-292.60北侧12-37.1-82.50北侧
从表1可以看出，1号排土场边坡监测点累计高程变动值最大为GPS01号监测点-177.9 mm，最小为GPS10号监测点-23.4 mm，日高程下降值为0.07～0.52 mm/d。
排土场边坡监测点高程下降的原因是排土物料的自然沉降，结合边坡监测点布置位置可以看出，各监测点位置形成台阶的先后顺序为GPS09、GP08、GPS10、GPS05、GPS07、GPS06、GPS04、GPS03、GPS02、GPS01，边坡监测点累计高程下降值与监测点位置台阶形成的时间总体呈负相关。由于新堆弃的岩土密实性小、孔隙大，经压实后排土台阶顶面下沉。即后期形成的排土台阶因沉降时间短，尚未沉降完成，因此累计高程变动值大，初期形成的排土台阶因经过前期长时间沉降，沉降已趋近完成，累计高程变动值小。边坡监测点高程下降值与监测点位置台阶形成时间关系如图3所示。排土物料的自然沉降为排土场的自然特性，不影响整个排土场的稳定性。
2.2.1 东侧边坡水平位移分析评价
1号排土场东侧边坡临空面倾向为46°，边坡由GPS01、GPS05两个监测点监测，监测点水平位移为40.8～61.2 mm，位移量为0.12～0.18 mm/d，位移方向为13°～32°，具体见图2，其中GPS01点位移方向指向沟谷，GPS05点地势较平缓，受沟谷影响小。东侧边坡监测点水平位移方向多变且与临空面倾向不一致，分析认为东侧边坡位移为排土场自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，边坡稳定，不存在滑坡。根据矿山现场巡查反馈，1号排土场东侧边坡没有变形、底鼓、裂隙等现象，东侧边坡稳定。
2.2.2 北侧边坡水平位移分析评价
1号排土场北侧边坡临空面倾向为0°，边坡由GPS02、GPS03、GPS04、GPS06、GPS07、GPS08、GPS09、GPS10等8个监测点监测，监测点水平位移为11.6～80.0 mm，位移量为0.035～0.240 mm/d，位移方向为16°～333°，其中GPS02、GPS03、GPS07、GPS09、GPS10等沟谷西侧的边坡监测点位移方向总体向东或东北，指向沟谷，GPS04、GPS06、GPS08等沟谷东侧的边坡监测点位移方向总体向西或西北，指向沟谷。北侧边坡地表位移监测点水平位移方向多变且与临空面倾向不一致，位移方向总体指向沟谷方向，GPS07、GPS08号监测点位移方向与边坡临空面倾向相反，分析认为北侧边坡位移为排土场自然沉降引起，位移方向受原始地形控制，边坡稳定，不存在滑坡。根据矿山现场巡查反馈，1号排土场北侧边坡没有变形、底鼓、裂隙等现象，808水平原有抗滑桩、挡土坝未见变形迹象，运营状态良好。北侧边坡现状基本稳定。
1号排土场深部位移监测点位移方向如图4所示。
图4 深部位移监测点位移方向示意
由图4可以看出，1号排土场深部位移监测点位移方向与边坡临空面方向不一致，且同一监测点不同深度传感器位移方向各异，监测数据并不具备整体变形特征。分析认为1号排土场深部目前总体处于稳定状态，传感器变形的原因可能是排土物料不均匀沉降、工程机械扰动等因素造成。SK12的第2个传感器累计位移量达293.4 mm，位移量相对较大，须引起高度重视并加强该区域边坡监测和现场巡查，一经发现变形、裂缝，立即采取应急措施以保障下游村庄、道路安全。
3.1.1 方案布置
在边坡工程的滑坡治理中，采用抗滑桩穿过滑坡体深入基底，增加滑体的抗滑力，是提高边坡稳定性的常用方法。对于普阳煤矿1号排土场边坡，在858水平采用抗滑桩工程方案分为858水平抗滑桩方案和858水平高压旋喷桩方案，其方案布置情况如图5所示。本次设计采用简化Bishop法对3-3＇剖面边坡稳定系数F提高至1.20时，858水平抗滑桩位置剩余下滑力进行了计算，经计算抗滑桩前的剩余下滑力为35 750 kN。858水平抗滑桩方案的滑面稳定验算结果如图6所示。
图5 858水平抗滑桩工程方案
图6 858水平抗滑桩方案的滑面稳定验算结果
3.1.2 方案评价
抗滑桩最大长77 m，远远超出规范及现有施工经验。虽然858水平高压旋喷桩方案弥补了抗滑桩施工难度大的问题，但是高压旋喷桩治理措施实施后会造成其地形上游方向出现地下水聚积，抬升上游地下水位标高，实施的时候必须采取相应的排水措施。考虑到858水平附近高压旋喷桩方案工程投资巨大，矿山难以承受，因此，不推荐858水平附近高压旋喷桩方案进行边坡治理。
3.2.1 方案布置
排土场边坡稳定系数较低的原因是排土场下部岩体软弱，抗滑能力不足。将矿山剥离强度较高的灰岩、泥灰岩用于排土场底部压脚，有利于边坡稳定。排土压脚及抗滑桩平面位置如图7所示。方案在压脚123万m3的情况下，计算了8个滑动面，上部866～1 030台阶，边坡最小稳定系数由1.090增大至1.227，上部边坡稳定系数得到大幅提高，如图8所示。因为排土压脚增加了底部水平的下滑力，808～866水平边坡稳定系数降低，出现0.971的稳定系数，存在滑坡危险，为保障排土场底部边坡稳定需配套实施抗滑桩，抗滑桩平均桩长35 m，最大长度45 m，共49根，断面按2.5 m×3.5 m计算。
图7 排土压脚及抗滑桩平面位置
图8 排土压脚及抗滑桩方案的滑面稳定验算结果
3.2.2 方案评价
用强度较高的灰岩、泥灰岩排土压脚确实可以提高排土场上部边坡的稳定系数，但排土场底部边坡稳定系数会降低。底部须施工抗滑桩方可整体提高排土场边坡稳定系数。该方案将破坏排土场底部现有的疏干、排水和植被，且投资较大，抗滑桩施工难度同样较高，方案还将破坏排土场858水平以下的植被、排水设施。因此不推荐排土压脚+抗滑桩方案。
3.3.1 方案布置
本方案隧洞全部在基岩内开挖，即隧洞水平全长596.76 m，巷道基本建在中风化灰岩中，出口段明沟加盖板，长度200 m。全基岩疏水隧洞方案平面布置如图9所示。不设放水孔段横断面尺寸为1.8 m×2.2 m(净宽×净高)的半圆拱断面；设置放水孔段隧洞，放水孔排间距按10 m计算，0.5%纵坡段时，横断面尺寸为2.5 m×2.5 m(净宽×净高)的半圆拱断面；陡坡段整机尺寸，横断面尺寸为4.0 m×2.5 m(净宽×净高)半圆拱断面。变断面处暂按突变考虑，对突变处前后各1 m段进行加固处理。
图9 全基岩疏水隧洞方案平面布置
根据全基岩内疏水隧洞方案，1号排土场综合治理后，边坡稳定系数将得到提高，不同疏干效果情况下边坡稳定系数不同，疏水70%、80%、90%和100%时的现状边坡简化Bishop法边坡稳定计算结果分别为1.241、1.254、1.260、1.264，如图10所示。在边坡达到预计的疏水效果的情况下(排土场底部基本不积水，疏水效果100%时)，现状边坡稳定系数可达到1.264，排土场在继续排土至1 100水平的情况下，边坡稳定系数为1.208。即排土场在采取综合治理措施后，疏水效果理想的情况下边坡稳定系数能达到规范规定要求，可以继续排土2 100万m3至1 100水平。
图10 不同疏干水效果的滑面稳定验算结果
3.3.2 方案评价
本方案有利于收集、排除排土场地下水，工程地质条件良好，隧洞全部位于中风化基岩中，位于潜在滑动面下，不小于7.12 m，隧洞不受排土场变形、滑坡的影响，隧洞支护简单、施工较容易、施工工期较短、投资少。经综合考虑研究，推荐全基岩疏水隧洞方案。
3.4.1 针对局部位置低洼不利于排水的治理方案
因征地限制，排土场东侧形成了一中间低四周高的洼地，受地形限制排土场东部大气降雨一直是直接渗入排土场。为减少大气降雨渗入，保障排土场边坡安全，本方案将洼地进行填平处理，以有利于排水。设计填方量12万m3，采用矿山剥离物。
3.4.2 针对排土场南部形成反坡、存在台阶垮塌堵塞排水沟的治理方案
1号排土场目前排弃最高水平1 030 m，排土场南侧现排土形成反坡，反坡的坡脚分布有1条防洪沟拦截排土场南侧外围汇水。随着矿山今后继续排土，这条防洪沟将被排土覆盖。考虑到1号排土场今后最高排弃标高为1 100水平，为了拦截最高排弃水平外围的大气降雨汇水，矿山在排土场南侧新建1 120水平截水沟，原防洪沟改为盲沟，继续发挥排水功能。
(1)根据排土场边坡滑坡现场调查和边坡监测数据，对地表位移监测点高程变动值、水平位移和深部位移监测点位移分析评价，得出排土场边坡监测点高程下降和水平位移值变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，边坡稳定并不存在滑坡，1号排土场深部目前总体处于稳定状态，传感器变形的原因可能是排土物料不均匀沉降、工程机械扰动等因素造成。
(2)通过对858水平抗滑桩方案、858水平附近高压旋喷桩方案、排土压脚结合抗滑桩方案和全基岩内疏水隧洞方案进行了比较及论证，最终推荐全基岩疏水隧洞方案作为排土场边坡综合治理主方案，并以针对局部位置低洼不利于排水的治理方案和排土场南部形成反坡、存在台阶垮塌堵塞排水沟的治理方案作为配套方案。
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GAO Zhixuan1, CHEN Tao2, SHU Jisen2, HAN Liu2
(1. Puyang Coal Mine, Wenshan Prefecture Coal Industry Co., Ltd., Wenshan, Yunnan 663400, China;2. China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)
Abstract Most of the dumps of open-pit coal mines in South China are located in valleys, and their stability is greatly affected by rainfall. Effective treatment of landslide instability is of great importance to ensure the safety production of open-pit coal mine. Taking No. 1 dump of Puyang Coal Mine in Wenshan prefecture in Yunnan province as an example, this paper expounds the comprehensive treatment scheme for the dump slope, analyzes the displacement monitoring of the dump slope, puts forward different treatment schemes and makes technical and economic comparison and demonstration, and obtains a comprehensive scheme suitable for the treatment of the No.1 dump slope, that is, the drainage tunnel scheme in the whole bedrock. The results show that the reason for the displacement change of the monitoring points of the slope is the natural settlement of the waste materials, and the displacement direction is controlled by the original terrain, and there is no landslide at the slope; the deep part of the No. 1 dump is generally in a stable state at present, and the deformation of the sensor may be caused by the uneven settlement of the waste materials and the disturbance of engineering machinery.
Key words open-pit coal mine dump; slope comprehensive treatment; displacement monitoring; natural settlement; drainag tunnel
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基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51804298)，国家自然科学基金面上项目(51774271，51674245)