阜新海州露天矿边坡滑坡原因分析

【摘要】海州露天矿是我国最大的露天煤矿。由于资源枯竭现已经闭坑。留下一个深350m的矿坑,由于围岩变形不稳定,造成滑坡,危机到了附近地区居民和企事业单位的安全。本文对海州露天矿的详细调查分析了海州矿产生滑坡的原因,并且对海州矿自生产以来产生的80余次滑坡进行统计和分析,根据分析提出,采用抗滑桩加锚索的支护形式对不稳定的边坡进行治理,并且提出了几个建议以供参考之用。

【关键词】露天矿;边坡;滑坡;地下水;断层

Analysis of Landslide reasons for Fuxin Haizhou Open Pit Slope
Yang Cheng
(North East Geotechnical Engineering Investigation Corporation,Anshan Liaoning 114001)
【Abstract】Haizhou open-pit mine is China's largest opencast coal mine. Because of resource depletion are already closed. Leaving a deep350mof pits, rock deformation due to instability caused by landslides, the crisis to the vicinity of the safety of residents and enterprises. In this paper, a detailed survey Haizhou open-pit analysis of sea-state landslide mineral health reasons, and mine on the sea state generated from the production of more than 80 times since the landslide statistics and analysis, based on an analysis made use of anti-slide piles anchor of the Supporting form an unstable slope, governance, and made several recommendations for reference.
【Key words】Open-pit mine; Slope; Landslide; Groundwater; Fault

1.前言

阜新是一座新兴的工业城市,是中国重要的能源基地之一,素有“煤电之城”。境内的海州露天矿是全国第一座现代化露天煤矿。但是由于资源的煤炭资源的枯竭,现如今海州矿已经闭坑。留下了了一个6Km2、深近350m的矿坑,围岩变形尚未稳定,造成的滑坡、地表塌陷、地裂缝已经严重威胁到其周边的居民、企事业单位的生命和财产安全;尤其对坐落在海州露天矿北帮的阜新发电厂的安全形成严重威胁。

2.海州矿矿山地质、水文地质概况

海州露天矿煤田位于阜新煤田北部,煤层为上侏罗系陆相地堑沉积生成。上侏罗系地,层之下为沙海组,其下部为紫红色安山质砾岩与砂岩、泥质页岩互层,上部为灰绿和灰黄色泥岩、油页岩、砂岩等。沙海组之上为阜新组。是矿田的最主要含煤地层,与下伏沙海组呈过渡关系。阜新组之上为第四系地层,由洪积、冲积层构成,岩性为粉质粘土、砂和砾石等组成,总厚度5.0~15.0m。
在矿区地层组合中,矿区普遍存在着薄煤层和碳质、泥质页岩软弱夹层,该层层理发育,层面光滑,夹层顶底板层面常有水渗出,且遇水易软化,强度很低。该软弱夹层是边坡主要控制结构面,尤其北帮历次滑坡都是沿着这些层面滑动的。
海州矿地下水类型有两种,一是第四系地层中的孔隙潜水,一是基岩中的基岩裂隙水。
(1)第四系冲积层松散孔隙水含水层;
(2)侏罗系基岩裂隙承压弱含水组;
(3)断层破碎带裂隙含水层。

3.海州露天矿地质灾害现状

海州矿位于阜新市区南部,其采场东、南、西部被地采矿井包围,东南部是高德每矿,西南部是高德一号井、七坑和五龙煤矿,西部是平安煤矿。距矿坑500m的西北部是阜新发电厂和阜新矿业集团机电修配厂,北部是高德街道和太平街道。国铁新义线在采场距离矿坑500m距离通过。矿坑周围有5万多居民、4所小学及3所中学、20余家工矿企业、86万m2民用建筑。
根据矿山生产记载以及地质灾害调查,海州露天矿滑坡主要分布在露天矿坑内和周边。据统计,1953~2004年共发生滑坡85次,平均每年发生1.6次滑坡,估计损失上亿元。随着开采深度加大,目前边破围岩变形尚未稳定,由此在矿坑南帮显现出多处滑坡。同时在矿坑的北帮以北和煤城路以南500m范围内,具有平行矿坑三条地裂缝,长度1Km以上,已经造成建筑物、路面发生不同程度的破坏。并且也因此威胁到矿坑周围5万多居民、4所小学及3所中学、20余家工矿企业、86万m2民用建筑。

4.海州露天矿滑坡分析

据不完全统计海州露天矿发生大、小滑坡多达80余次。分析其原因,大多是由于人为、弱层和水的作用。根据历次滑坡、变形破坏等地质灾害资料,现对1953年至2002年期间的滑坡进行分析和统计:
4.1从1950~2002年之共发生80次滑坡,平均每年发生1.6次滑坡,可见发生之频繁。
4.2在这些滑坡中,就非工作帮而言每次滑坡于内因(如岩性、弱层、断
层、节理发育等)有着密切的关系,内因好比是滑坡产生的基础、前提一样。其中有36次因软弱夹层导致滑坡;4次因断层而导致;剩余的因岩性、节理、裂隙所致。
4.3在整理过程中发现,每次滑坡都有外部因素的作用。其中有29次和水有关,大多数因雨水、地下水而产生;45次于人为作用有关,如电镐作业、采掘工程、清理、打眼、开凿旧巷等;并有5次因风化作用而使岩体力学性质改变;1次因边坡较陡峭所致。见图1。
图1地质灾害影响因素统计
4.4据历次滑坡资料分析滑坡体具有下列规律和特征
(1)滑动面均为一平面(滑面均沿某一弱层面滑动);
(2)滑动时间大部分发生在3~5月份的雪水融化期或7~10月份的雨季旺盛期;
(3)西区滑坡主要出现3号层和X号层内,东区主要出现在4号层,4号层底板下的页岩内;
(4)南帮滑动主要使受构造影响,正常情况下尚未发生滑动;
(5)滑动体平面为弧形,弱层揭露宽度为滑体长的3~4倍,当弱层被切断长度小于长度的2倍时,边破也处于稳定状态,滑体有数个错东面,以最底部的一个面为主要滑动面;
(6)滑动方向沿岩层最大倾斜方向滑动;
(7)按边坡滑体的形成过程和受力状态,边坡滑动多为牵引式滑动,只南帮第二次滑动为推动式滑动。
4.5根据滑坡资料分析,滑坡的形成大致可分为四个阶段:
(1)蠕动压密阶段:由于边坡的平衡(应力)状态改变或潜在滑面上强度降低,首先使某一地段(主滑地段)的平衡先遭破坏,导致坡体内应力重新调整,产生蠕动,前部挤压,候补张裂,此时在地表出现继续的张性裂缝,出现局部位移。(2)滑动阶段:随蠕动区扩大,滑动体上缘的张性裂缝贯通,并产生错距,两侧受剪出现裂缝,前缘斜坡受挤压,有底脚鼓起。
(3)剧滑阶段:随滑动距离和速度增加滑坡体强度急剧减少,裂缝错距加大,前缘明显鼓起并常有地下水流出,位移速度急剧增加,既进入剧滑阶段,并造成破坏。
(4)稳定压密阶段:剧滑之后,滑体重新降低能量,消失于克服前进阻力和土体变形中。
4.6根据滑坡资料分析,影响滑坡的主要因素如下:
4.6.1岩性:滑坡的产生于组成斜坡的岩石和土的性质关系最为密切。同一岩性又因构造、地貌等条件差异而有所区别。软弱岩土使产生滑坡的物质基础,这是个很重要的条件。对于土石性质比较弱、结构比较松散、蓄水条件较好、排水条件不易的地层,就比较容易产生滑坡。海州露天矿岩类主要包括砂质页岩、砂岩、碳质页岩、泥质页岩。由于他们自身的物理性质就决定了砂质页岩层理发育,吸水后体积膨胀,饱水后呈塑性状态、易破碎;砂质胶结的砂岩结构致密、岩性坚硬、岩性节理裂隙发育,容易产生滑坡断面;碳质、泥质页岩吸水能力高、膨胀性强,非工作帮多次滑动都是沿着这些光滑面而滑动的。
4.6.2结构面、岩体结构:
(1)软弱夹层(或弱层):海州露天矿中常常遇到的软弱夹层有9个弱层,其性质为粘性土、碳质页岩层、泥岩层、薄煤层、页岩层等;其厚度一般为0.2~0.5米。这些软弱夹层岩石颗粒胶结性能很差,吸水后体积膨胀呈塑性状态,干燥后收缩,呈固态,易产生裂缝。据统计在历次滑坡中就有36次因软弱夹层导致滑坡。
(2)岩层面、层理:海州露天矿岩层面分布往往甚密,相邻岩层面间距有的仅几十里面甚至仅几厘米,使岩体完整性受到严重破坏。而滑坡经常沿着岩层面发生。据以前发生的大大小小滑坡统计,其中有31次发生在不同种岩层的接触岩层面,主要是煤与砂质页岩、煤与碳质页岩、砂质页岩于页岩等的接触面;有5次发生在同种岩石、主要使砂质页岩的岩层面;其它性质滑坡3次。可见岩层面对滑坡影响之大。
(3)断层:海州露天矿断层为张扭性断裂,断层破碎带宽5~10m,断层破碎带有断层泥和断层角砾组成,断层破碎带含水量大,断层泥呈塑性。在断层两侧的岩体种存在残余构造应力,随着矿坑的开拓与延伸,在回弹应力作用下岩体应力状态平衡调整,又使断层附近的残余构造应力释放,导致北帮沿断层走向有变形裂缝,并危及了北帮疏干巷道。同时由于其变形破坏,大大改善了断层破碎带的导水能力,这势必增加了断层泥内粘土矿物微结构空隙的冲水状况及第四纪冲积层潜水对西北帮岩体内地下水的补给,促使各弱软层及断层内粘土矿物沿层理方向的水化边软程度及西北帮边坡岩体地下水压的升高,尤其降雨季节,西北帮岩体内地下水压会急剧升高。据统计历次滑坡种有4次滑坡直接断层的存在而导致。
(4)节理、裂隙:海州露天矿南帮节理发育犹为明显,且南帮滑坡现象多数因为节理所致;北帮节理也不少,如断层坚硬的砂质页岩,砂质页岩节理发育,再加之水的软化作用或爆破的震动作用,很容易发生滑坡现象。
4.6.3地下水:水使产生滑坡的重要条件,滑坡的发生和发展多受水文地质条件控制。地下水使产生滑坡的重要条件之一,它与岩性、构造、地貌之间存在密切的内在联系。地下水的活动,几乎是所有滑坡的共同条件。据统计海州露天矿历次滑坡种,由29次和水有关,所以犹为显示水的重要之处。海州露天矿要注意冬季边坡上的地下水渗出冻结,形成冰坝,阻止地下水渗出,提高地下水位,致使静水压力增大而发生滑坡失稳现象。
4.6.4滑坡产生的外在因素:
(1)自然因素:暴雨或长期降雨以及融雪可使斜坡岩体过分湿润,使岩体抗剪强度下降;长时间的风吹日晒、雨水冲刷、生物破坏、温度变化等对边坡岩体的破坏作用,它能造成岩体原生结构面和构造结构面的规模增大,条件恶化,并可产生风化裂隙等次生结构面。这些地质作用往往沿着斜坡岩体的软弱结构面表现的特别明显,从而破坏了斜坡的稳定性。据统计历次滑坡中有4次是风化作用而使岩体力学性质变的不稳定而导致滑坡。
(2)人为因素:人工切坡是边坡过陡、用爆破方法施工、建筑物不适当地通过强烈风化及破碎带、斜坡上工程建筑的荷载作用、人工集水建筑物的漏水、排水设计不当等常常成为滑坡产生的一个原因。

5.海州露天矿滑坡治理的建议

现在由于资源已经接近枯竭,海州矿已经闭坑,但是在国务院的支持下,已经决定把海州矿建为国家地质公园。但是由于海州矿的边坡情况很不稳定,所以必须对滑坡进行治理。在对海州矿进行详细的地质调查、地质勘察、测量和地质灾害评价的基础上,现提出以下几个建议:
5.1地面变形区治理及绿化。
在海州矿北侧地面目前出现了不同程度的沉陷和房屋变形,地面和墙体都出
现了不同程度的开裂。此处发生地面沉降,初步断定使本区域下盘存在隐伏滑坡体,该滑坡体发生蠕动而引起地面变形和开裂。对于裂缝可以采用水泥沙浆灌注;对于空化区进行钻孔注浆充填加固;对于变形房屋进行搬迁;而后对此部分地面进行土地复垦并且绿化。
5.2对于边坡处于不稳定状态的滑坡,采用抗滑桩及钢筋混凝土格构锚索结
构联合支护。抗滑桩支护方式使在台阶坡脚及弱层处设置直径1.0米抗滑桩,抗滑桩间距1.5米。抗滑桩进入硬层不小于5米。钢筋混凝土格构锚索结构支护方式是在坡面上设置300×300钢筋混凝土网格状梁,梁间距4m×4m,在梁接点处设置锚索,锚索长20~30米。
5.3边坡排水采用自然排水和坡面设置泄水孔相结合的方法并在汇水面积大
处设置纵向排水沟,坡顶设置排水沟,坡脚设置排水沟泄水孔排除坡体内地下水。
5.4对于坡面较稳定的区域,此部分采用喷射混凝土,并且在混凝土中设置
一层钢筋网格。然后在混凝土上喷射100mm厚的有机质混合料,并在有机质混合料外层喷射草籽。

6.结论

海州露天矿地质环境综合治理是一项系统复杂的工程,是我国第一格大型闭坑的露天矿,其环境地质问题十分复杂。同时,许多课题也是世界性的难题。因此,工程治理存在以下几个方面不因素:
6.1目前,海州矿尚没有地质灾害监测系统,其岩体滑动变形的范围、深度以及地表塌陷、地裂缝的关系需要进一步研究。
6.2海州矿闭坑后,其残煤开采还在进行。尤其周围采矿井的开采,对矿坑边坡稳定影响很大,如不加强管理、科学开采,可能形成新的灾害。
6.3地质环境灾害均与水的作用有关,排水系统好坏直接影响灾害发育程度,矿坑长期的地下水、地表水疏干对生态环境影响还需要进一步的研究。