遼寧撫順西露天礦北幫邊坡穩定性分析及變形分區

王永勝，郭靜蕓，董高峰，李守定，赫建明

(1.長江勘測規劃設計研究院有限責任公司，湖北武漢 443003;2.中國科學院地質與地球物理研究所中國科學院工程地質力學重點實驗室，北京 100029;3.中國科學院研究生院，北京 100049;4.青海省環境地質勘查局，青海西寧 810007)

0 引言

撫順西露天礦是一座歷史悠久、規模宏大的大型深凹露天煤礦，具有100多年的開采歷史。現已形成東西長6.6km，南北寬2.2km，深約424m的“亞洲第一大坑”。從1927年至今，在下挖過程中已發生不同規模的滑坡90余次，累計滑坡體積達4500×104m3。并且隨著西露天礦坑的深挖，周緣邊坡高度逐漸加大，從1986年開始出現大規模的滑坡和變形，累計地面變形區范圍500～700m，最大下沉4～5m，水平位移14m［1］。近些年來災害變得更為明顯，如2005年8月13日前后一次強降雨引起北幫興平路地段和北幫南陽路地段的兩處滑坡;2006年6月10日至18日，由于強降雨，在北幫南陽路地段產生寬度約0.5m的地裂縫帶。西露天礦造成的地質災害已危及到撫順市相當部分城區的安全。特別突出的是北幫地段涉及面積約3.99km2，因近百年的采煤，巖體大部受損，部分處于松弛狀態，隨時都有可能再次引發重大地質災害事件［2］。

本文對撫順西露天礦的地質背景進行了總結歸納，基于地質資料對西露天礦北幫多元介質邊坡進行穩定性數值分析，并且對西露天礦進行地質災害評估及變形區劃分，得出了誘發地質災害的原因，對北幫邊坡的穩定性進行預測，提出了下一步應進行的研究工作。

1 撫順西露天礦地質背景

撫順西露天礦位于渾河南岸，埋藏在渾河沖積平原之下。煤系地層夾持在花崗片麻巖與火山巖之間的“凹槽”內(圖1)。這一形態特征和地質結構特征始于6000萬年前，至以后的一段地質歷史時期的地質構造作用(主要是喜山期)才完成的。

1.1 地層巖性

礦區基巖按成因分為巖漿巖、火山巖(噴出巖)與沉積巖［3］。區內沉積巖地層在早白堊系(1.35億年)-古近系(老第三系，6500-2300萬年)期間均有發育，均以軟巖為主。其中以古近系較發育，是礦區的含煤巖系。軟巖夾持在花崗片麻巖剛性基底的凹槽內(圖1)。

1.2 地質構造

從大的區域上來看，撫順煤礦所處的構造部位是郯廬大斷裂帶的北延部分。從小的區域上來看，撫順煤礦的地質構造主要表現為褶皺和斷層(圖2)。

1.2.1 褶皺

圖1 撫順西露天礦地質剖面圖Fig.1 The geological cutaway view of Fu Shun west open-pit mine

圖2 區域構造地質簡圖Fig.2 The geological map of area tectonic

撫順西露天礦主要受撫順復式向斜控制。復式向斜軸向總體呈NE75°延展，由數條呈斜列展布的向斜褶皺組成。向斜西部地層倒轉形成倒轉向斜，向東側逐步恢復正常。向斜東西兩端封閉，受其控制，煤層在向斜兩側埋藏較淺，而向斜中部則煤層埋藏較深，最大埋藏深度達-1250m左右。所以從向斜軸向剖面來看，撫順西露天礦煤層賦存形態為東西淺、中間部位深，大致呈船形［3］。

1.2.2 斷層

撫順西露天礦的斷層以沿著NEE向渾河平行分布的一群斷裂(渾河斷裂，代表性斷層為F1、F1A)為主體，表現為逆沖性質;其他主要為與這些斷裂伴生的受同一應力場控制的近SN向斷層和NW向斷層。近EW向斷層是在擠壓過程中發生應力松馳或在擠壓作用后期為調整重力勢能而發生的，它們與主壓面有近似的走向。近EW向斷層不切入F1斷裂，其中F1斷裂對次級斷裂起著一定的邊界限制作用。

斷層F1和F1A是渾河斷裂帶的2條主要斷裂。F1是構成古近系含煤系北限的邊界斷裂，它使白堊系大峪組逆沖于煤系之上，并拖曳煤系形成褶皺。斷距各地不一，中部傾斜斷距達1000m，東段斷距不足200m。斷裂破碎帶內發育紫紅色斷層泥及斷層角礫。破碎帶寬30～70m，傾向北，傾角35°～50°，上陡下緩，在-500m高程以下與F1A斷層并攏發育。

1.3 巖體卸荷特征

西露天礦坑由于高差達約350m，地應力量級較高，北幫邊坡巖體以綠色泥巖和褐色泥巖為主，巖體較軟弱，加之邊坡附近發育有F1、F1A斷層，尤其受勝利礦深部開采的影響，巖體卸荷明顯，一般表現為巖體松弛，同時沿原有斷層帶及構造裂隙形成一定數量的卸荷裂隙，造成巖體強度降低、透水性增強。根據歷年來的研究，北幫邊坡卸荷帶寬度在400～450m，其中強卸荷帶寬度有 80 ～100m［4］。

2 邊坡穩定性數值分析

數值模擬是對邊坡現狀進行定性和定量安全穩定評價，同時對F1A斷層以北的花崗片麻巖區變形特征進行評價。另外，考慮露天開采結束和內排回填后，將對F界以北的地下煤層采用井采方式盡可能地將礦產資源挖掘出來，所以對邊坡及煤層上覆巖體的安全穩定進行評價以及對F1A斷層以北的花崗片麻巖進行可靠性評價［5-8］。在井采工況設計時，主要是研究采空狀態的安全評價，不考慮實際采煤工序。

2.1 材料模型和參數

西露天礦北幫的巖、土材料均屬彈塑性材料，計算采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準則:fs=

式中:σ1——最大主應力;

σ3——最小主應力;

c——粘結力;

φ——摩擦角。

當fs＞0時，材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產生拉破壞。

采空區上覆擾動巖體和受剝離、風化的表層巖體已嚴重致損，計算時考慮損傷效應。根據現場調查和相關研究提供的巖石力學試驗成果，考慮了尺寸效應和地層構造面的影響，結合工程類比，對實驗得出的巖石各項參數進行相應的調整和簡化，數值模擬計算采用的巖體力學參數見表1。

西露天礦北幫邊坡高程在80～-500m，加上構造應力在邊坡的剝離、礦坑降深過程和井采中幾乎釋放完畢，所以認為北幫邊坡地應力主要是自重引起的。

表1 數值模擬計算巖體物理力學參數Table 1 The physical and mechanical parameters for numerical simulation

數值模擬中除了考慮F1、F1A兩條大斷層外，還模擬了兩斷層外之間、邊坡深部和F1A斷層以北發育的一系列小規模的次生斷層，這些斷層將區域內巖體切割成多個不同巖性和形態的巖組。在采煤活動中，巖層將沿著這些斷層可能產生滑動。共計11條斷層，分別為 F1、F1A、F1-1、F1-3、F41、F42、F39、F44、F45、F29、F35斷層。對于一些大的斷層當作一種材料考慮，對于小斷層采用無厚度結構面處理。

對于地表第四系覆蓋層，地下水位線以下作為飽和土處理，地下水位線以上的土體將區分為另一種材料。由于渾河水位變幅不大，作為常年定水頭補給。

2.2 幾何模型及邊界條件

本文選取具有代表意義的含有多個斷層的0—0剖面為模擬對象。上邊界為地表，下至-760m高程，固定其垂直位移。北側以渾河南路(礦區座標N2400)為邊界，南側以礦區座標S300為界，固定其水平位移。整個區域選取了南北距離為2700m，垂直深度為850m。為了便于監測計算過程中地表沉陷的發展，沿坑口向北延伸至花崗片麻巖區域選取了26個地面參考點。

2.3 現狀分析

邊坡計算網格見圖3，邊坡塑性分布見圖4。計算表明:由于露天開采的剝離致損、風化和勝利礦井工開采等，邊坡在目前狀態下存在相當大塑性區。邊坡表坡局部存在較大變形，沿F1斷層出露部位變形達1.5m左右。在礦坑底部已有部分回填，有利于邊坡的穩定。由于兩條控制性斷層F1、F1A的存在，加上該斷層破碎，因此斷層部位已經塑性化，并沿著斷層出現剪切和拉張變形。F1斷層下盤巖層(邊坡軟巖土體)和F1A斷層下盤(碎裂的白堊系巖體)發生軟化和塑性變形后，加上其本身破碎結構導致了其發生較大變形。沿兩斷層發生剪切和拉張變形。

圖3 邊坡0－0剖面計算網格Fig.3 The numeration gridding of 0－0 slope section

圖4 邊坡0－0剖面塑性分布Fig.4 The distribution of plastic zone of 0－0 slope section

地表參考點的累計沉降變形(累計沉降變形是以開挖到界以后，采用內排回填為參考時間)分布見圖5。地面沉降變形是以F1A斷層(參考點號為12)為界，在F1A斷層以北的花崗片麻巖區域(斷層上盤)變形量較小，F1A斷層邊緣點沉降變形為0.03m。而在F1A斷層(斷層下盤)以南的白堊系地層和第三系煤系地層發生較大的地表沉陷變形，達0.6m。說明目前條件下，露天開采和地下開采所引起的地表變形沒有進入F1A斷層以北的花崗片麻巖區。

圖5 參考點累計沉降位移值(單位:m)Fig.5 The accumulative sedimentation displacement of reference point

2.4 開采對邊坡穩定的影響預測

在目前狀態下，模擬N900～N1400之間煤層的開挖，將區間煤層分成4個分段［9］(表2)。實施地下井采的塑性分布見圖6～圖9，地表參考點1～26點在每個分段井采結束時的參考點沉降位移增量分布見圖10。

由圖6～圖9可以看出，邊坡塑性區隨著地下開采將增大，特別是位于F1和F1A兩斷層間的倒三棱體碎裂結構巖體發生較大變形，并沿兩斷層發展。井采加速了F1A斷層以南巖體的解體，但F1A斷層以北不會發生大的變形，塑性區域沒有進入F1A斷層上盤花崗片麻巖區域［10-11］。在第三、第四分段井采時，靠近F1A斷層上盤的次生斷層發生局部剪切和張拉，變形范圍為進入花崗巖區約200m左右，但變形不大，是局部的。

表2 井采分段Table 2 Subsection of underground mining

圖6 井采第一分段塑性分布Fig.6 Plastic zone distribution of first subsection of underground mining

圖7 井采第二分段塑性分布Fig.7 Plastic zone distribution of second subsection of underground mining

圖8 井采第三分段塑性分布Fig.8 Plastic zone distribution of third subsection of underground mining

圖9 井采第四分段塑性分布Fig.9 Plastic zone distribution of fourth subsection of underground mining

圖10 參考點位移增量(單位:m)Fig.10 Displacement increment of reference point

由圖10可以看出，隨著分段煤層井采的推進，地表沉降位移增量都呈增加的趨勢，地表沉降位移增量最大值出現在最后一個井采步(第四分段)，其量值為0.165m，發生在F1A斷層以南的軟巖區;地表沉降位移隨參考點與開挖煤層的水平距離增大而減小。隨著第一分段和第二分段的井采，地表變形主要發生在F1A斷層的下盤及其以南的軟巖區，加劇了該域內巖體的解體，但花崗巖區沒有產生大的變形;在第三分段和第四分段開采時，花崗巖區將產生一定的變形，量值不大，最大量值在6cm左右，發生在F1A斷層上盤邊緣。

3 變形分區邊坡失穩的危害性預測

撫順西露天礦北幫主要由軟弱的灰綠色、灰紫色泥頁巖和煤系地層組成，巖體條件很差，其中又有F1、F1A兩條區域性大斷層及其間的三條次級斷裂切割破壞，隨礦坑深挖、臨空面擴大，相應卸荷區的范圍也隨之擴大，加之原勝利礦地下采空區主要處于斜坡地段，以上多種不利因素使得北幫F1A斷層以南的巖體多處受到損傷，部分處于松弛狀態，已經不適宜居住，應逐漸撤出其中的居民、公共設施和工礦企業［12-15］。

根據西露天礦北幫巖體變形的現狀、地形地質條件、巖性以及斷裂組合的形式，將北幫分為三個區:破壞變形區、變形牽引區和潛在變形區(圖11)。破壞變形區是指地面出現明顯而又嚴重的拉裂縫或沉陷，房屋開裂嚴重，已經威脅到居民的生命和財產安全［16-17］;變形牽引區是指目前有輕微的地面拉裂變形，但有繼續發展的趨勢，部分或少數房屋開裂明顯;潛在變形區主要分布在北幫F1A斷層以北400m以內的花崗片麻巖區，目前尚無地面變形跡象和建筑物拉裂現象，但是具有潛在變形的可能。

破壞變形區、變形牽引區涉及國土面積3.09km2，居民、企業、公共設施在近幾年內應逐漸實施搬遷。潛在變形區大部是指F1A斷層以北花崗片麻巖淺埋的部分地段，因拉張作用而引起沿結構面出現的地裂縫等。因而在這個區不宜新建房屋、公共設施等，已有的房宅、辦公樓及公共設施，視變形情況而逐漸搬遷。要特別提到的是，蘇撫鐵路線在西露天大坑西側北端通過段，可能受到大坑邊坡變形的影響。

圖11 撫順西露天礦北幫地面變形分布Fig.11 surface deformation distribution of north slope of Fu Shun west open-pit mine

4 結論與建議

4.1 結論

(1)通過對撫順西露天礦地質災害進行統計分析得出，北幫附近的F1和F1A等斷層直接控制礦區地質災害的發生。另外北幫邊坡巖體以泥巖為主，巖體較軟弱，加之巖體卸荷，邊坡巖體的強度降低，透水性增強，這在一定程度上也促進了地質災害的發生。強降雨以及撫順礦區礦震等因素也會誘發地質災害的發生［18-26］。

(2)通過對北幫邊坡進行穩定性數值分析得出在目前狀態下邊坡存在相當大塑性區［27］。邊坡表坡局部存在較大變形，F1A斷層以南的白堊系地層和第三系煤系地層發生較大的地表沉陷變形，F1A斷層以北的花崗片麻巖區域(斷層上盤)變形量較小。隨著井采開采的推進邊坡塑性區將增大，但是花崗巖區的變形不大，是局部的。地表沉降位移增量呈增加的趨勢。

(3)西露天礦高陡邊坡及邊幫影響范圍發生變形、塌陷、地面沉降、地裂縫等等地質災害。其周圍的商業區及附近的居民區也受到不同程度的影響［28］。所以應對影響范圍內的房宅、辦公樓及公共設施，視變形情況而逐漸搬遷。

4.2 建議

(1)應對北幫邊坡巖體變形的時效性問題及趨勢進行預測，并對西露天礦北側的花崗片麻巖體的完整性和可靠性進行分析。

(2)西露天目前已經成為集工業景觀、人文景觀和自然景觀為一體的工業旅游景點，是世界上唯一集煤炭、頁巖油、瓦斯發電和余熱供暖為一體的煤礦。這足以看出西露天礦的特殊地位，所以在地質災害評價的基礎上應采取強有力的措施做好地質災害防治工作。

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