基于“表-深”聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法的露天煤礦邊坡破壞模式研究

李正勝，李剛強(qiáng)

(華北科技學(xué)院 安全監(jiān)管學(xué)院，河北 廊坊 101601)

隨著露天礦開(kāi)采強(qiáng)度的增大，我國(guó)露天邊坡高度正在以每年10m左右的速度向下延伸[1]。露天煤礦產(chǎn)能的増大和數(shù)量的不斷增多，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題愈來(lái)愈突出?；碌臄?shù)量多、規(guī)模大，難于防治，造成的損失極為慘重[2，3]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)高陡邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究。陳祖煜發(fā)展了塑性力學(xué)理論改進(jìn)和優(yōu)化了條分法[4]。朱大勇、錢(qián)七虎等[5]提出的臨界滑動(dòng)場(chǎng)理論，能夠準(zhǔn)確地確定邊坡的任意形狀和臨界滑動(dòng)面。吳浩[6]基于灰色系統(tǒng)理論分析實(shí)例邊坡的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)邊坡變形進(jìn)行了成功預(yù)測(cè)。張金貴[7]綜合分析了魏家峁露天煤礦工作幫邊坡地質(zhì)條件、邊坡現(xiàn)狀，對(duì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理及破壞模式進(jìn)行了分析。張波、王旭、丁參軍[8-10]等依據(jù)有限差分折減理論，采用數(shù)值模擬的手段分析了邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)機(jī)理，并將模擬不收斂的結(jié)果默認(rèn)為邊坡已產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。在邊坡監(jiān)測(cè)方面，應(yīng)用較為成熟的手段主要集中在兩個(gè)方面：邊坡位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。丁曉利[11]等開(kāi)發(fā)了一機(jī)多天線(xiàn)GPS系統(tǒng)，使得一套GPS儀器可以監(jiān)測(cè)多點(diǎn)位置，使用成本大大降低。何滿(mǎn)潮[12，13]院士開(kāi)發(fā)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)攝動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SF-RMWS)，該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)邊坡巖體內(nèi)的牛頓力變化，實(shí)現(xiàn)了邊坡的穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由此可見(jiàn)，現(xiàn)階段學(xué)者的研究都是針對(duì)邊坡的靜態(tài)工況進(jìn)行單一的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)或者相對(duì)穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，監(jiān)測(cè)只是作為一種預(yù)防性手段，對(duì)于數(shù)據(jù)的挖掘和研究不夠，本文針對(duì)已經(jīng)發(fā)生潛在滑移的邊坡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘、滑移體地質(zhì)勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯(lián)合監(jiān)測(cè)以及數(shù)值分析等措施，深度挖掘“表-深”聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，確定邊坡的滑移面位置，為滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供基本數(shù)據(jù)支持，保障礦山的安全高效開(kāi)采。

1 工程背景

魏家峁露天礦西南幫在推進(jìn)過(guò)程中，工作幫中部在1112水平以上的土巖分界面處突遇軟弱土層，巖體內(nèi)部大量積水與淤泥持續(xù)涌出，淤泥層不斷塌陷滑落。地表最大沉降達(dá)到約2.5m且沉降邊緣持續(xù)外擴(kuò)，滑坡隱患區(qū)域后緣下沉、前緣鼓起，第一級(jí)滑體已初步形成。邊坡變形區(qū)域后緣寬度約355m，前緣寬度約為475m，影響范圍大，邊坡滑移位置及監(jiān)測(cè)布置如圖1所示[14，15]。針對(duì)魏家峁露天礦邊坡已經(jīng)產(chǎn)生滑移并且滑移面較大的特點(diǎn)，常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)已經(jīng)失去意義。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘、滑移體地質(zhì)勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯(lián)合監(jiān)測(cè)等措施，查明了邊坡滑移面具體位置，確定了邊坡巖體的破壞模式及滑移類(lèi)型，深度挖掘位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示了邊坡滑移破壞演化機(jī)理。

2 邊坡“表-深”聯(lián)合監(jiān)測(cè)分析

為了精準(zhǔn)確定邊坡滑移面位置，掌握滑坡體運(yùn)動(dòng)位移特征，采用邊坡表面GPS和深部滑動(dòng)測(cè)斜儀聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方式，在滑移區(qū)域共布置3個(gè)剖面6個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和P-1、P-2、P-3，3條監(jiān)測(cè)線(xiàn)共9個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站并結(jié)合地質(zhì)鉆探工作，查明了滑移區(qū)域巖土體的弱層賦存、發(fā)育情況以及水文地質(zhì)條件。

采場(chǎng)滑移區(qū)域安裝ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6個(gè)滑動(dòng)測(cè)斜測(cè)儀，利用滑動(dòng)測(cè)斜儀進(jìn)行地下水平位移精確測(cè)定，確定滑帶層位。

ZK1、ZK2監(jiān)測(cè)孔遠(yuǎn)離滑坡后緣，位移數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯變化，其主要作用是揭露地下地層分布(此兩點(diǎn)數(shù)據(jù)不再列出)。對(duì)于P-1剖面ZK3，P-2剖面ZK5、ZK6，P-3剖面 ZK4監(jiān)測(cè)孔，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1—圖4所示。

圖1 ZK3位移深度曲線(xiàn)

圖2 ZK4位移深度曲線(xiàn)

圖3 ZK5位移深度曲線(xiàn)

圖4 ZK6位移深度曲線(xiàn)

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可以看出，ZK3、ZK4、ZK5、ZK6監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆孔發(fā)生了明顯了剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，邊坡滑移區(qū)域的深部位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的“S”型變化趨勢(shì)，以此可以看出此次邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程勘察和滑移面深度可以得出滑移面位于強(qiáng)風(fēng)化泥巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖交接面處的演化弱層部位，邊坡此時(shí)處于臨滑狀態(tài)，由于受小范圍的底鼓壓腳和極寒天氣導(dǎo)致土體凍結(jié)，邊坡變形暫未加速。

2.2 邊坡表面位移監(jiān)測(cè)

在滑體上設(shè)置3條監(jiān)測(cè)線(xiàn)P-1，P-2，P-3共9個(gè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行地表位移監(jiān)測(cè)，GPS監(jiān)測(cè)累計(jì)位移值位移歷時(shí)曲線(xiàn)如圖5、圖6所示。

圖5 邊坡水平位移變化歷時(shí)曲線(xiàn)

圖6 邊坡垂直位移變化歷時(shí)曲線(xiàn)

DW1-DW7這7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移累計(jì)位移量較大，移動(dòng)明顯，且方位角較為接近，為31°～ 48°，邊坡表面位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由此可確定滑體范圍以及滑體的滑動(dòng)方向?yàn)楸睎|方向。+1128m、+1144m平盤(pán)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DW6、DW7、DW8、DW9)的水平位移量較+1260m平盤(pán)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DW1、DW2、DW3)的水平位移量大，而豎直位移量上則是+1260m平盤(pán)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)較大，說(shuō)明了+1260m及以上平盤(pán)位置處巖土的移動(dòng)以坐落為主，+1128m、+1144m平盤(pán)位置處巖土的移動(dòng)以向臨空面滑移為主。此外，DW4、DW5位于滑坡范圍外。

3 邊坡破壞模式分析

根據(jù)研究區(qū)域的工程地質(zhì)模型，選取工作幫剖面GZB-1進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算模型沿邊坡傾向長(zhǎng)度為860m，最大垂直高213m。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以Y方向位移約束，模型的左、右方向以X方向位移約束，模型的底部以Z方向位移約束，構(gòu)成位移邊界條件，以保持整個(gè)系統(tǒng)的受力平衡。計(jì)算采用摩爾庫(kù)倫模型來(lái)描述，邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[7]。

通過(guò)邊坡X方向的位移如圖7所示，由圖7可知，邊坡的位移最大值發(fā)生在邊坡坡肩位置，并在前緣坡腳位置達(dá)到最大值，說(shuō)明邊坡發(fā)生的是應(yīng)力卸荷后的牽引式滑坡，坡體的位移明顯看出邊坡是沿軟弱夾層的圓弧狀滑移；同時(shí)位移矢量的方向與表一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合，此次模擬顯示的邊坡滑移面位置正好處在泥巖底板與砂巖交界面處，這與現(xiàn)場(chǎng)深部表面位移監(jiān)測(cè)得出的邊坡滑移面深度高度吻合，再次證明了此次計(jì)算的準(zhǔn)確性。

邊坡塑性區(qū)如圖8所示，由圖8可知，邊坡整個(gè)巖土體發(fā)生了拉剪混合破壞，并且整個(gè)破壞貫穿坡體全部，邊坡坡肩粉砂層位置出現(xiàn)了拉張破壞，表明此處邊坡巖體在經(jīng)歷了開(kāi)挖卸荷后出現(xiàn)了剪切屈服破壞，從力學(xué)機(jī)理上可以斷定邊坡發(fā)生了“開(kāi)挖卸荷—剪切破壞”，從塑性區(qū)宏觀模式上邊坡巖土體表現(xiàn)為“蠕滑—拉裂”牽引式滑坡，這也與邊坡聯(lián)合監(jiān)測(cè)的位移趨勢(shì)吻合度較高；邊坡塑性區(qū)的貫通破壞區(qū)域主要集中在+1112～+1165m水平，長(zhǎng)度范圍為175m，邊坡坡腳的逐步滑移造成邊坡內(nèi)部鎖固段的鏈?zhǔn)狡茐氖Х€(wěn)，產(chǎn)生了大量的伴生裂縫，伴生裂縫的匯集造成了整個(gè)坡體的拉裂破壞，造成邊坡整體失穩(wěn)。

圖8 邊坡塑性區(qū)

通過(guò)邊坡“表-深”聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析可以看出邊坡位移呈現(xiàn)出 “急劇增長(zhǎng)-緩慢平衡-再次調(diào)整”的“L”型變化過(guò)程，這說(shuō)明此處邊坡的穩(wěn)定性由軟弱結(jié)構(gòu)面和邊坡巖體共同控制，邊坡發(fā)生的為沿軟弱夾層滑移的圓弧形破壞；另外此次滑坡主要受坡體局部上層滯水的影響，下部泥巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的浸泡，形成了典型的演化弱層，呈淤泥狀，其強(qiáng)度指標(biāo)極低?，F(xiàn)場(chǎng)剝離推進(jìn)后，應(yīng)力釋放，導(dǎo)致邊坡發(fā)生了蠕動(dòng)變形，邊坡沿著軟弱夾層發(fā)生底部圓弧狀的滑動(dòng)，并引起上覆粉土、粉砂層的破壞，坡體內(nèi)目前塑性區(qū)貫通，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)“表-深”聯(lián)合監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬分析可以得出此次魏家峁礦邊坡巖體的破壞演化機(jī)理和邊坡破壞模式如圖9所示。

圖9 邊坡破壞演化過(guò)程

4 結(jié) 論

1)聯(lián)合監(jiān)測(cè)的位移都呈現(xiàn)出“急劇增長(zhǎng)-緩慢平衡-再次調(diào)整”的“L” 型變化過(guò)程，說(shuō)明巖土體產(chǎn)生了明顯的剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，現(xiàn)階段邊坡處于臨滑狀態(tài)。

2)邊坡移動(dòng)方位角為31°～48°，滑體的滑動(dòng)方向?yàn)楸睎|方向。邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞，邊坡滑移主要呈現(xiàn)出 “開(kāi)挖卸荷—剪切破壞”力學(xué)機(jī)理。

3)此次滑坡在宏觀模式上為“蠕滑—拉裂”型牽引式滑坡，系坡體局部上層滯水造成泥巖長(zhǎng)期浸泡，形成淤泥狀的演化弱層，剝離推進(jìn)后，應(yīng)力釋放，邊坡發(fā)生沿軟弱夾層的圓弧狀的滑動(dòng)。