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中润煤业外排土场南帮边坡抗滑桩治理方案研究

2025-06-10 51 上传者：管理员

摘要：为了保障中润煤业外排土场南帮的边坡安全，以中润煤业外排土场南帮边坡为研究对象，采用极限平衡法分析了中润煤业外排土场南帮边坡稳定性，划定了中润煤业外排土场南帮边坡治理范围；基于中润煤业外排土场南帮工程地质及作业环境等限制条件，确定了以钢轨抗滑桩加固为主的边坡治理方案，研究了钢轨抗滑桩的抗滑能力，探讨了钢轨抗滑桩的间距、排距、锚固深度及桩长。结果表明：以钢轨抗滑桩加固为主的边坡治理方案可提升中润煤业外排土场南帮边坡稳定性，使其满足稳定系数要求；当钢轨抗滑桩间距、排距大于3 m，锚固深度大于5m时，抗滑桩加固方案治理效果明显。

关键词：
抗滑桩加固
极限平衡法
稳定系数
边坡安全
锚固深度
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露天矿开采后,随着排弃高度的增加,外排土场的边坡稳定性往往会降低,容易发生沉降､塌陷等不良地质现象,甚至对采场边坡的稳定性造成影响[1]｡如何对外排土场开展有效的治理工作是露天煤矿重点关注问题,多年来国内外众多专家对此开展了研究｡祁有涛等[2]以红沙泉露天煤矿外排土场为研究对象,采用极限平衡和数值模拟等手段开展稳定性分析及治理研究工作,确定了以毛石混凝土挡墙的治理手段可提升外排土场边坡稳定性;乔东亮等[3]针对魏家峁露天煤矿东外排土场到界边坡失稳滑坡问题,采用削坡减载的工程措施,解决了因边坡滑坡导致的道路掩埋和河流堵塞问题;刘玉凤等[4]以阴湾排土场西帮边坡变形为研究背景,依据现场工程地质条件,设计了抗滑桩加固､排土压脚2种边坡工程治理手段,通过方案比选,最终确定了以排土压脚的治理方案,解决了阴湾排土场西帮边坡变形问题｡

从现有工程技术手段来看,现场多数以削坡压脚为主要治理手段[5-8],而对抗滑桩加固方案还未有较为成型的研究体系｡为此,对中润煤业外排土场南帮边坡抗滑桩治理进行研究｡

1、边坡稳定性评价

中润煤业外排土场位于采场西侧,已形成5个排土台阶,到界平盘分别为+760､+740､+720､+700､+676m水平平盘,最大排弃高度约为90m,整体边坡角19°~22°｡整体地势较为平坦,相对高差最大为9.94m,覆盖层为第四系冲洪积圆砾,下伏新近系泥岩､泥质粉砂岩､砂岩,地层中无淤泥等软弱土层,土质较好,层位稳定｡岩土层受构造剥蚀及坡面水流冲刷切割作用较弱,勘察时未见明显的潜在滑动面或软弱(夹层)结构面,外排土场及附近不存在断裂构造､滑坡､泥石流､崩塌､陷落､液化土层等不良地质作用,未发现明显渗水点,场地整体稳定｡

结合以往地质资料分析,本次研究在中润煤业外排土场南帮选取3个典型工程位置构建边坡工程地质简化模型｡边坡岩土体物理力学参数见表1,剖面位置选取平面图如图1所示,WP-1剖面边坡工程地质简化模型如图2所示,WP-2剖面边坡工程地质简化模型如图3所示,WP-3剖面边坡工程地质简化模型如图4所示

表1边坡岩土体物理力学参数

根据GB51287—2018《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》的规定,考虑中润煤业外排土场南帮地质条件复杂程度､边坡工程规模､边坡稳定分析的不确定性因素､边坡滑坡可能会造成的生命财产损失程度以及边坡的服务年限等,综合确定中润煤业外排土场南帮边坡稳定系数选取为1.50｡煤炭工业露天矿设计规范边坡稳定性系数选取见表2｡

图1剖面位置选取平面图

图3WP-2剖面边坡工程地质简化模型

图4WP-3剖面边坡工程地质简化模型

本次中润煤业外排土场南帮边坡稳定性分析主要依据矿山边坡工程地质､水文地质､构造､岩石力学参数以及边坡破坏模式等进行｡边坡稳定性分析的基本原则如下[9]:①采用极限平衡理论进行边坡稳定系数的计算;②考虑岩体强度对边坡稳定性的影响,进行岩体强度变化的敏感度分析;③采用Morgenstern-Price(摩根斯坦-普赖斯)和Bishop(肖普)2种计算方法进行稳定性计算结果对比分析｡南帮边坡稳定性计算结果见表3｡

表2煤炭工业露天矿设计规范边坡稳定性系数选取

表3南帮边坡稳定性计算结果

计算结果表明,除西侧WP-1剖面以外,外排土场南帮现状边坡整体系数均在1.50以下,说明边坡整体发生滑坡的可能性不大,但是考虑距离下部重要建筑设施安全距离不足90m(外排土场高度1.5倍),不满足稳定系数1.50的要求｡为保障外排土场南帮边坡安全仍需进一步采取加固措施,将边坡稳定系数提高至1.50｡

2、抗滑桩治理方案

外排土场南帮边坡底部距离厂房车间等办公区约60m,存在一定安全风险,由于排土空间限制,不具备削坡压脚的施工条件,本次采用抗滑桩加固为主的治理方案｡鉴于中润煤业外排土场南帮边坡治理工程的重要性和紧迫性,以及冬季施工的影响,基于矿方提供的工程地质基础资料,在+680~+700m水平平盘处进行钢轨抗滑桩加固工程施工,既可在冬季前对边坡进行加固,又可通过打钻施工,揭露地层层位及岩性,修正工程地质资料,优化总体抗滑桩治理工程设计｡

根据中润煤业外排土场南帮边坡地质条件特征,为了提高外排土场南帮边坡稳定性,使南帮边坡满足稳定系数满足1.50的要求,以最不利工程位置WP-3剖面为例,采用传递系数法[10]进行滑坡推力计算｡该剖面稳定系数Fs=1.50时的剩余下滑力为675.6kN｡

埋于滑体岩体中的抗滑桩,钢轨与围岩通过混凝土牢固结合在一起,在滑动面上下受弯曲产生抗力,根据国内外岩层中抗滑桩受力状态试验结果,采用相应计算公式估算钢轨抗滑能力,本次抗滑桩治理工程设计方案采用的抗滑力计算公式(1)为[11]:

式中:P为单根抗滑桩的抗滑能力,kN;Wx为钢轨的抗弯模量,cm3;[σ]为钢轨的抗拉强度,kg/cm2;D为钢轨的截面尺寸,cm｡

其中钢轨规格为:50kg/m,D=20.13cm,σ=240MPa,Wx=251.3cm3｡经计算,每根钢轨桩的抗滑能力P=468.1kN｡以每根钢轨抗弯能力为468.1kN计算,沿滑坡体宽度方向每米单宽需埋设钢轨桩1.44根,按边坡加固宽度200m,则需要钢轨桩数为288根｡

抗滑桩间排距主要取决于桩的总数和岩体强度,由于潜在滑体主要为排弃物料,岩体强度较小,桩距与排距主要决定因素为抗滑桩的总数及抗滑力大小｡根据抗滑桩总数和施工场地面积大小,并类比相关工程资料(阜新海州露天矿86站钢轨桩间距为3~5m,白银露天矿为4~5m,大冶铁矿为3m),考虑排弃物料岩体强度较小,本次治理方案确定钢轨桩间排距为3m×3m,呈品字形布置,现场可布设4排抗滑桩,每排72根,因此最终确定施工288根抗滑桩｡

锚固深度以桩体在滑坡推力作用下不被拔出,以及在桩底不会产生新的滑面为条件｡为确定弱层以下最佳锚固深度,根据地质条件和边坡形态,随着抗滑桩锚固段长度的增加,抗滑桩抗滑效果增强,弱层附近的剪应变区域和最大剪应变均减小,在抗滑桩打入软弱夹层面以下5m时能发挥作用,因此锚固段至少应大于5m｡

钢轨抗滑桩治理工程剖面设计示意图如图5所示,治理后外排土场南帮边坡稳定性计算结果见表4｡

钢轨抗滑桩设计共计4排,间距3m,每排72根抗滑桩,每排长度约213m,共计288根,抗滑桩呈“品字型”布置,纵向布置横向钢筋混凝土连系梁｡根据50钢轨截面尺寸及施工难易程度,钻孔直径设计为250mm｡钻孔深入软弱夹层面以下至少5m,第1根钢轨必须采用12.5m长的钢轨｡钢轨之间用鱼尾板连接,钢轨轨腰长边的方向与滑坡推力方向一致,钢轨与钻孔之间采用孔底返浆的方式灌注水泥砂浆｡计算结果表明,治理后各剖面边坡稳定性均满足稳定系数要求,治理效果较为明显｡

图5钢轨抗滑桩治理工程剖面设计示意图

表4治理后外排土场南帮边坡稳定性计算结果

3、结语

鉴于排土空间限制和冬季施工的影响,结合现场实际条件,采用以钢轨抗滑桩加固为主的治理方案可提高外排土场边坡稳定性,通过滑坡推力计算和抗滑桩抗滑能力估算,确定了钢轨抗滑桩的根数､排距､锚固长度､深度等关键参数｡当钢轨抗滑桩间距､排距大于3m,锚固深度大于5m时,抗滑桩加固方案治理效果明显｡治理后的边坡稳定性计算结果表明,各剖面边坡稳定性均满足稳定系数1.50的要求,治理效果显著｡

参考文献:

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