煤矿地区的滑坡灾害及其防治技术_王恭先.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract Because of special geological structure, coal mining area is one of areas with the most serious landslide disaster in China. The paper listed some living examples of landslide disasters in open pit slope, subsidence area of gob and factory district, analyzed the mechanism and features of the common loess landslide, accumulated layer landslide, bedrock bedding landslide and insequent landslide in coal mining area. The special structure of strata and slope is the geological foundation of landslide, groundwater is an important influencing factor for landslide, un- scientific human engineering activities are the inducement for landslide. For prevention and control of landslide disaster, it is necessary to deepen geological works during selection of lines, plants and site, to find out the scope and nature of old and new landslides, to assess the stability of landslides by combining engineering geology and mechanical calculation so as to put forward recommendation about prevention and control measures. At the same time, engineering measures such as water drainage, weight reduction, back pressure , supporting and retaining, commonly adopted in control of landslide in China, and problems needed to be deeply studied in future were in- troduced. Keywords Coal mining area; landslide; geological hazard; prevention and control technology 由于特殊的地形地质条件，我国是世界上滑坡 灾害较严重的国家之一，常常中断交通，堵塞河道， 摧毁厂矿，掩埋村镇，给人民生命财产造成重大损 失。煤矿地区由于特殊的地质结构，是滑坡灾害的 重灾区，如 20 世纪 60 年代辽宁省抚顺西露天煤矿 曾发生西大卷滑坡，严重影响了生产，目前开挖深 度达 400 m 以上，边坡变形已达坑外 1 200 m，石油 一厂等被迫搬迁[1]。陕西省王石凹煤矿通风井曾被 滑坡错断，严重影响井下工人安全。20 世纪 80 年 代又发生韩城发电厂陕西第二电厂，为坑口电厂 因横山煤矿采空塌陷引起滑坡而严重变形，被迫停 产数月，治理滑坡花费 5 000 余万元。2006 年北京 市西山 1 400 年历史的戒台寺因坡下采煤塌陷山坡 蠕滑而严重变形， 仅保护寺庙安全工程就花费 6 000 ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 46 卷 余万元。怎样预防煤矿地区的滑坡和进行有效治理 已引起各级政府、企业和技术人员的重视。作者根 据调查研究和治理滑坡的经验，分析了煤矿地区的 滑坡类型、发生机理和防治技术，以便与从事灾害 防治的学者交流。 1 煤矿地区的滑坡灾害实例 1.1 陕西省韩城发电厂滑坡[2] 韩城发电厂是陕西省第二大电厂，紧邻横山煤 矿，1976 年建厂，1982涺年投产发电。电厂位于水 河阶地上， 靠山脚为进厂铁路和堆煤场。 19821985 年厂区沉降监测发现厂区不是下沉，反而上升，建 筑物变形越来越严重，锅炉基础被抬高，发电机轴 被扭断，被迫停产。是什么原因造成厂区的抬升和 严重变形呢经调查，认为是横山煤矿的采空塌陷 引起了顺倾坡外的砂泥岩发生滑坡，推挤了厂区的 地面抬升和建筑物变形。山坡上倾向坡外的拉张裂 缝长约 300 m，下错近 1 m，并向坡下延伸。坡脚的 铁路路基向外鼓出近 1 m。坡脚的探井揭示地面以 下 4 m、13 m、21 m 有 3 层泥岩泥化带形成了滑带。 滑坡体积达 500 万 m3，上部 50 m 厚为黄土，以下 为顺倾坡外的砂泥岩。滑坡的原因除采空塌陷外， 可能与后山红旗渠漏水也有关系。治理方案、应急 措施为先在上部减重刷方黄土 70 万 m3， 减小滑坡推 力，使滑坡位移减缓，厂房维修后恢复了发电。根治 措施， 首先是横山煤矿靠近厂区不能再开采煤层， 红 旗渠防水堵漏。其次，滑坡上部再减重 20 万 m3，减 小滑坡推力，在坡脚设一排截面 3.5 m5.0 m 的抗 滑桩。治理滑坡本应首先考虑排地下水，但因采空 塌陷地下水漏失，当时无法实施。4 年后滑体挤紧， 地下水位上升，又在桩后设计深层排水隧洞。共花 费 5 000 余万元。如图 1 所示。 图 1 韩城发电厂滑坡示意图 Fig.1 Schematic landslide in Hancheng power plant 1.2 北京市西山戒台寺滑坡[6] 戒台寺是北京市西山两大著名寺庙之一，有 1 400 年历史，位于一长 1 200 m 的山梁上部。山梁 岩体为石炭-二叠系的砂泥岩夹煤层，层面倾向坡 下。由于山坡脚下煤矿采煤造成采空塌陷，山坡失 去支撑，砂泥岩向下蠕滑，山坡上出现了 4 道大裂 缝，108 国道被错断，最上一道裂缝达寺庙内，造 成寺庙建筑物严重变形破坏，如图 2 和图 3 所示， 这引起国家文物局和北京市领导的高度重视，立即 封闭了煤矿，要求一定要保住寺庙安全。 勘察和监测表明，寺庙下方已松动的岩体深达 46 m，并分多条滑动。在治理上，先用锚索地梁加 固，减缓坡体位移和建筑物破坏，为抗滑桩施工创 造条件。根治措施为① 在寺庙下方施工一排长 64 m 的锚索抗滑桩稳定滑坡； ② 完善寺内外排水系统， ③ 对变形建筑物的地基注浆加固，共花费 6 000 余万 元。2007 年施工完成，目前情况良好，保住了寺庙 安全。 图 2 北京戒台寺山坡示意图 Fig.2 Schematic hillside of Jietaisi in Beijing 图 3 戒台寺建筑物破坏情况 Fig.3 Damage of buildings in Jietaisi 1.3 兰州市海石湾煤矿工业广场滑坡[3] 工业广场选址在一个大型黄土老滑坡的最上一 级平台上，滑坡长 400 m，宽约 300 m，厚 38 m， 体积约 450 万 m3。工业广场上布设有直径 10 m 的 主井、副井、通风井和变电站等重要设施。建设前 ChaoXing 第 2 期 王恭先等 煤矿地区的滑坡灾害及其防治技术 3 评价老滑坡是稳定的，但未评价工程改造后的稳定 性。 1995 年 8 月， 井挖深到 200 余米时滑坡复活了， 如图 4 所示，一根主井架被拉倒，锅炉房被破坏， 场坪被拉裂。滑坡复活的原因是三个井出渣带出的 大量地下水渗入滑体软化了老滑带土。为保工业广 场安全，在其下方设一排埋入式抗滑桩，桩顶低于 地面 57 m，花费 3 000 余万元。 图 4 海石湾煤矿工业广场滑坡示意图 Fig.4 Schematic landslide in the industrial square of Haishiwan mine 1.4 内蒙古准格尔煤矿储煤仓滑坡[5] 准格尔煤矿的 9 个储煤仓位于一黄土梁上，储 煤 30 万 t，其下方 20 m 为运煤铁路。20 m 高的黄 土边坡，上部为 10 余 m 厚的黄土，下部为新近系 的红色泥岩，由于黄土易渗水，泥岩隔水易软化， 开挖后发生了滑坡，后缘拉裂缝距储煤仓不足 10 m， 一旦滑坡扩大，将威胁煤仓安全。曾在坡脚施工了 一排抗滑桩，但未能稳定滑坡。1994 年 12 月，作 者等调查后提出滑坡险情警告，引起建设方重视。 1995 年 3 月解冻期，滑坡以每天 5 mm 的速度开始 滑动，情况危机。应建设方要求，采取了排水和坡 脚填土反压措施稳定了滑坡，但占了一条铁路线， 如图 5 所示。建议的永久治理措施为一排抗滑桩和 截水洞与仰斜孔排水。后来未做抗滑桩，而改为坡 脚挡墙，挡墙被推裂，又采用锚索框架加固，恢复 了运煤铁路线。 图 5 准格尔煤矿储煤仓滑坡示意图 Fig.5 Schematic landslide in the storage bunker of Zhunge’er mine 1.5 露天煤矿边帮滑坡 我国的许多露天煤矿开采过程中都发生过边帮 失稳的情况， 煤矿部门进行了较深入的研究和治理。 岩层倾向采坑的边坡滑坡最多，开挖越深，滑坡规 模越大，危害越严重。如抚顺西露天煤矿开挖深已 达 450 m，边坡滑移影响范围达坑外 1 200 m，石油 一厂等建筑物开裂，地面下沉，已被迫搬迁，目前 仍在监测中，如图 6 所示。主要原因是开挖切断了 岩层，失去支撑，硬岩沿软岩夹层发生多层滑动。 开挖后坡体松弛，地表水易渗入，软化软岩夹层也 是原因之一。近水平岩层边坡和反倾向边坡也会发 生沿构造面组合的切层滑坡。露天矿多采用排水、 反压和局部锚固稳定边坡。 图 6 抚顺西露天矿边帮滑坡造成石油一厂严重变形 Fig.6 Serious deation induced by a landslide in the slope of Fushun West Open Pit 1.6 煤矿区一种特殊的大崩塌[6] 2014 年，贵州省凯里附近发生了 200 m 高的 石灰岩陡崖大崩塌，堵塞河道，造成人员伤亡， 如图 7 所示。坡体为石灰岩夹泥灰岩，层面倾向山 内，倾角 6，卸荷裂隙可见深达 6070 m。原因是高 陡边坡下伏 1 m 厚的煤层被开采， 在卸荷裂隙作用下 发生了倾倒型崩塌。两个月内此段发生了两起大崩 图 7 石灰岩陡崖大崩塌 Fig.7 Big collapse of limestone escarpment ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 46 卷 塌，使即将开工的高速公路被迫改移。类似的情况 如长江三峡库区的链子崖危岩体，进行了采空区充 填和边坡锚索加固。这种坡体结构，当煤层较厚时 还会发生错落型滑坡。 2 煤矿地区滑坡的主要类型和发生机理分析 煤矿地区滑坡的主要类型有黄土滑坡、堆积层 滑坡、基岩的顺层滑坡和切层滑坡等。关于滑坡的 发生机理，前人曾提出过斜坡应力状态改变、滑带 土孔隙水压力增高、渐进破坏、残余强度、高陡斜 坡下的软岩蠕变挤出、滑带土的震动液化等理论[3]， 用于解释不同类型的滑坡。我们认为，发生滑坡首 先要有形成滑动带的坡体结构和地层，其次是主滑 带的抗剪强度与剪应力出现了不平衡，或剪应力增 大，如地震、坡脚开挖、坡上堆载等，或滑带土强 度降低，如降雨、灌溉、渠塘水渗漏、水库浸淹、 震动液化等。 2.1 黄土滑坡 黄土地区广布黄土滑坡，有自然因素作用下发 生的滑坡，如河流冲刷，地震和降雨等，与煤矿开 挖等工程活动无关，但对煤矿设施会造成危害。如 陕西省铜川王石凹煤矿的黄土滑坡错断了通风井， 严重威胁井下人员安全。因治理滑坡费用高，采用 了在滑面以下井上作盖板，设斜井通风的方案，避 免了滑坡的危害，如图 8 所示。也有工程活动引起 的老滑坡复活和新生滑坡，如前述的海石湾煤矿工 业广场滑坡和准格尔煤矿储煤仓滑坡。黄土滑坡的 发生机理是沟谷下切或人为开挖形成了临空面，黄 土的大孔隙结构易渗水， 而下伏的泥质岩层强度低， 隔水，受水软化，形成了滑动带，其内摩擦角 10 左右，新近系的泥岩强度更低，黄土饱水后也只有 1416。所以只要接触面倾角大于 10，就会发生 滑坡。有时滑坡前缘剪出口受稳定砂泥岩控制，中 后部沿泥岩和饱和黄土滑动。这类滑坡在黄土分布 区沟谷两岸极为发育，在煤矿建设前应认真评估。 2.2 堆积层滑坡 煤矿地区基岩顶面的覆盖土层， 除黄土、 黏土外， 还有崩、坡、洪积的碎石土，只要土岩界面倾向临空 面，倾角大于 10，基岩顶面的风化层含水，开挖或 堆载后都可能发生堆积层滑坡， 原因是基岩顶面的风 化层受水后强度降低， 形成了滑动带， 其饱水内摩擦 角 810。沟槽中的堆积层因积水，更易滑动。开 挖形成了临空面， 削弱了支撑力， 堆载则增大了坡体 重量和下滑力。 厚层堆积层还会发生沿其中的洪积层 滑动，形成多层滑坡。靠岸边的前级滑坡滑动后，后 级因失去支撑会跟着滑动，形成多级滑坡。 图 8 王石凹煤矿通风井的处理示意图 Fig.8 Schematic governance of the ventilating shaft of Wangshiwa mine 2.3 基岩顺层滑坡 砂岩和泥岩互层，石灰岩和泥灰岩互层的顺倾 斜坡， 在河流下切过程中是最容易发生顺层滑坡的， 原因是砂岩和石灰岩裂隙含水，泥岩和泥灰岩强度 低，隔水，易软化和泥化，形成滑动带。河流下切 或人为开挖切断岩层形成临空面，使斜坡失去了支 撑。曾调查研究过红色砂泥岩顺层边坡，当岩层倾 角大于 10时即有滑坡发生，大于 15时发生很多滑 坡。表明泥化夹层的综合内摩擦角小于 15，一般 在 1012。炭质泥岩和煤层强度更低。 前述的北京戒台寺滑坡，砂岩夹炭质泥岩，倾 角达 20，故在采空塌陷失去支撑后发生了滑移， 并逐步牵引扩大，如图 9 所示。韩城发电厂滑坡则 是采空塌陷的岩体推挤顺倾的砂泥岩向临空面滑 移， 且因岩层为上陡 40， 中缓 2030， 下缓 410， 如向斜之一翼，自然具有下滑分力，具推移式滑坡 性质。如图 10 所示。基岩中的断层会使滑坡分级。 2.4 基岩切层滑坡 近水平岩层和反倾坡内的岩石边坡一般较稳 定，但在特殊地形地质条件下会发生切层滑坡，一 ChaoXing 第 2 期 王恭先等 煤矿地区的滑坡灾害及其防治技术 5 是有不利结构面的组合， 如节理、 断层和层面的组合， 上陡、中缓、下平甚至反翘形成了滑面。二是坡脚有 较厚软弱岩层， 在高陡斜坡压力作用下， 软岩变形挤 出，形成大崩塌或错落型滑坡。如图 11 所示。 3 煤矿地区滑坡的预防 任何自然灾害都应预防为主， 防患于未然， 滑坡 灾害也不例外。首先，在选厂、选址、选线时，对周 图 9 牵引式顺层滑坡岩性分布与机理示意图 Fig.9 Schematic lithological distribution and mechanism of dragged bedding landslide 图 10 推移式滑坡机理示意图 Fig.10 Schematic thrust load-caused landslide 围地区是否为易滑地层， 有无老滑坡存在， 要进行认 真细致地调查研究。若有老滑坡，要查清其规模、性 质、 产生的条件和原因， 滑坡的稳定状态和发展趋势， 评价其对要建工程的危害。 大滑坡最好绕避。 以往漏 判了大滑坡，花巨资治理，教训深刻。 其次，对避不开的滑坡，必须进行仔细勘察， 地质调查是最基础、最重要的工作，要查明滑坡的 地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件和 坡体结构，滑坡的规模、性质、分条、分级、分层， 各条的主滑方向，滑体、滑带、滑床的特征，滑坡 的主要作用因素及其变化，评价各级、各层滑坡在 自然状态下的稳定性及工程改造后的稳定性，为预 防和治理提供依据，如建议不在主滑段填方加载， 不在抗滑段挖方削弱支撑力，并加强排水等。 第三，对开挖后可能发生工程滑坡的地段， 要作出预测和评价，并提出预防滑坡的措施。如 少挖少填，顺层边坡的分层预加固，高填方下的 排水等。 图 11 切层滑坡机理示意图 Fig.11 Schematic mechanism of insequent landslide 4 煤矿区滑坡治理对策 几十年来我国已成功治理了数以千计的滑坡，保 证了建设的顺利进行，从中总结出防治原则和大量工 程对策，这些原则和对策均适用于煤矿区滑坡防治。 4.1 防治原则 a. 正确认识滑坡是有效防治的基础 如医生看病一样，只有病看准了，才能对症下 药，药到病除。所以滑坡勘察是最重要、最基础的 工作，一定要做深做细，不能漏判和误判。 b. 预防为主的原则 自然灾害以预防为主，尤其是大型滑坡，治理费 用昂贵，最好是避开。大型堆积体和长距离的顺层边 坡大挖方极易发生滑坡，也应避开。避不开者应查清 可能的滑坡规模和性质，采取预防滑坡的措施。 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 46 卷 c. 治早治小的原则 出现山坡和建筑物变形后， 应尽快勘察和治理， 否则滑坡会越发展越大，如顺层滑坡其长度可达其 厚度的 810 倍，老滑坡前级滑动后，后级因失去支 撑会跟着滑动，范围越大，治理更困难，费用更昂 贵。要治小病而免大灾。 d. 重视排水，综合治理的原则 滑坡常是多种因素作用的结果，但总有 12 个 因素是主控因素，控制或消除主控因素就能防治滑 坡。水是滑坡的重要作用因素，因此首先要考虑地 表和地下排水，减小滑带土孔隙水压力，提高其强 度，可减小支挡工程量。地下排水可用截水盲沟、 盲洞、支撑盲沟、集水井和仰斜排水孔等。滑坡体 上部减重、前缘反压是最经济而见效快的措施，有 条件时应优先采用。支挡工程有抗滑挡墙、抗滑桩、 锚索抗滑桩、锚索框架等，可根据滑坡的具体条件 采用。一般应采用综合措施以求经济合理。 e. 统一规划，分期治理的原则 大型滑坡，短期内不易完全查清其性质，且治 理费用昂贵，应统一规划，逐步勘察，分期治理以 节约投资。应急工程、一期工程、二期工程应统一 安排，避免废弃工程，并保证施工安全。 f. 技术先进，经济合理的原则 随着科学技术的进步，滑坡防治技术也在不断 发展，如支挡工程由抗滑挡墙发展到抗滑桩，又到 锚索抗滑桩，埋入式桩，钻孔组合桩等。应根据滑 坡的具体条件，多方案比选，选择技术先进、方便 施工、经济合理的方案。 g. 动态设计，信息化施工的原则 滑坡是复杂的地质体，一次勘察很难完全认清滑 坡，要利用施工开挖揭露的地质情况，验证勘察的滑 面位置、层数和形状，及地下水的分布和涌水量等， 必要时调整设计，即把地质工作延伸到施工过程中。 施工不仅要选择有利施工季节、方法和程序，而且要 验证勘察资料的准确性，设计措施的合理性，提出变 更建议。并应监测滑坡动态，确保施工安全。 4.2 滑坡的防治对策 a. 不稳定和欠稳定的滑坡 不稳定和欠稳定的滑坡必须要进行治理。治理 方案的设计是治理成败的关键，要多方案比选，找 出最佳方案。其稳定标准应符合国标与行业标准的 要求。表 1 是常采用的防治滑坡的工程措施。 表 1 防治滑坡的工程措施 Table 1 Engineering measures for landslide control 类型 绕避滑坡 排水 力学平衡 滑带土改良 主要工程 措施 ① 改 移 厂 址 或 线路 ②清除滑体 ①地表排水系统滑体外截水沟；滑体内 排水沟；自然沟防渗 ②地下排水工程截水盲沟；截水盲隧 洞；仰斜钻孔群排水；垂直钻孔群排水； 井群抽水；虹吸排水；支撑盲沟；边坡渗 沟；洞–孔联合排水；井–孔联合排水 ①减重工程 ②反压工程 ③支挡工程抗滑挡墙；挖孔抗滑桩；钻孔 抗滑桩；锚索抗滑桩；锚索框架地梁；抗 滑键；排架桩；刚架桩；刚架锚索桩；微型 桩群；支撑盲沟 ①滑带注浆 ②滑带爆破 ③旋喷桩 ④石灰桩 ⑤石灰砂桩 ⑥焙烧 b. 与水相关的滑坡 绝大多数滑坡的滑动与水有关系，即是西北地区 的黄土滑坡滑动时，滑带土也处于饱水或软塑状态， 堆积层滑坡和岩石滑坡地下水更为发育，因此排除地 表和地下水是首先要采取的工程措施。地表水包括降 雨、泉水湿地、灌溉水、渠道和池塘漏水、生产生活 用水等，应排出滑坡区。作用于滑带的地下水更需要 排除，一般在滑坡的后部滑带以下 23 m 的滑床中设 垂直地下水流向的截水洞，截面 2 m2 m，洞顶至地 面设渗管，间距 57 m，形成截水帷幕，截断上部山 坡补给的地下水， 如图 12 所示。 当滑体厚度小于 10 m 时，也可采用截水盲沟。近年来也采用集水井群加仰 斜孔排水代替截水洞取得成功，如图 13 所示。 c. 大型滑坡 大型滑坡，特别是高地震区的大型滑坡，推力 巨大，最好在滑坡上部减重以减小推力和支挡工程 量，但当减重会影响上部坡体稳定时，应慎用。上 部减重与前缘反压相结合是最优组合，即是单独采 用也是有效的。 d. 支挡工程 支挡工程，早期用抗滑挡墙，因它的开挖常影 图 12 截水洞示意图 Fig.12 Schematic diagram of water-interrupting tunnel ChaoXing 第 2 期 王恭先等 煤矿地区的滑坡灾害及其防治技术 7 图 13 集水井示意图 Fig.13 Schematic water-collecting well 响滑坡稳定，故目前很少采用。现广泛采用的是各 种型式的抗滑桩，如图 14 所示。20 世纪 6080 年 代都用普通挖孔抗滑桩及其多桩组合。1980 年锚索 抗滑桩研究成功，它比普通桩节省造价 30，故被 广泛采用。但要注意地层的锚固条件和施工质量， 否则达不到设计要求，如有的锚索被拔出。桩的长 边要平行滑坡的主滑方向。桩上锚索承担滑坡推力 图 14 抗滑桩的结构型式图 Fig.14 Structural pattern of slide-resistant pile 2025能有效减小桩身弯矩，锚索太少时发挥不 了其作用。 5 结论与展望 近年来，作者遇到不少半坡上设的抗滑桩发生 了倾斜甚至倾倒，主要是不了解抗滑桩是按半无限 体的锚固条件计算的，半坡上桩前三角体不是半无 限体，锚固深度不够，造成了倾倒。 a. 随着我国施工机械化水平的提高和人工费 用的增加，建议采用钻孔桩的呼声渐高，由于圆桩 的抗弯能力较矩形桩小，应采用组合桩，多桩组合 的设计计算方法应尽早研究。 b. 多种工程措施的科学组合的综合治理设计 是一种艺术，设计者既要了解滑坡的地质条件和状 态，又要掌握各种防治措施的适用条件及保护对象 的要求。只有两者有机结合，才能做出好的设计。 加之良好的施工质量，才能成功防治滑坡。 c. 由于滑坡的复杂性、动态可变性，虽已治理 了大量滑坡，还不能说对滑坡认识十分清楚，如地 下排水的效果还处在经验水平，微型桩、多排桩、 组合桩的计算方法尚不统一，滑坡的剧滑预报仍是 一个世界性难题等。科学无止境，需要永攀登，希 望年轻的同志们在防治滑坡的实践中深入研究，提 高我国的防灾水平，为中华民族的伟大复兴作出新 的更大贡献。 参考文献 [1] 铁道部科学研究院西北研究所. 滑坡防治[M]. 北京人民铁 道出版社，1977. 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