布沼壩露天礦南幫西段邊坡滑移分析與治理

楊福卿，時旭陽，張傳偉，才慶祥

（1.昆明煤炭設計研究院，云南 昆明 650011；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤炭露天開采過程中易形成高大端幫邊坡，邊坡失穩滑坡嚴重影響生產和人員安全，因此，保證邊坡安全是露天礦山安全高效生產的基本條件[1]。布沼壩露天礦南幫西段為典型含軟弱夾層軟巖邊坡，弱層巖土體力學指標差，在構造應力及地下水影響下易發生軟化，強度進一步降低，極易形成沿弱面順層滑坡[2-6]。邊坡巖體內普遍存在軟弱結構面或軟弱夾層，受開采擾動影響，弱面夾層產生發育擴張，貫通后將形成主動滑面，誘發滑坡災害[7-8]；水是影響弱面力學特性的另一關鍵因素，在降雨、地下水補給作用下，結構面或弱層充水甚至達到飽和狀態，強度參數進一步弱化，產生邊坡失穩隱患[9-11]。一定程度上邊坡的穩定性是受結構面和弱層控制，因此無論采用二維極限平衡法或數值仿真手段進行穩定性分析，首先要考慮邊坡體中的結構面和弱層[12-15]。

1 南幫西段邊坡概況

布沼壩露天礦采場東西長2.6 km，南北寬2.4 km，面積約5.84 km2。采場最高臺階位于西幫1 260 m 水平，最低臺階為坑底960 m 水平。南幫為工作幫，由于征地問題制約，南幫未能正常往前推進，并形成了約16°左右的幫坡角。GPS 邊坡位移監測顯示，南幫大部分區域邊坡較為穩定，而南幫西段一直處于蠕動變形狀態。2015 年8 月3 日，南幫西段邊坡發生滑移，滑移范圍東西長390 m，南北寬340 m，面積為8.35 km2，滑移前緣位于1 070 m 水平，滑移后緣位于1 157 m 水平，相對高差為87 m，其中底部隆起高度達15 m，后方塌陷高度約20 m，滑體體積約28.87 萬m3。

2 影響邊坡滑移的因素

2.1 構造條件

構造是巖石中不同礦物集合體之間、巖石的各個組成部分之間或礦物集合體與巖石其他組成部分之間的相互關系。它反映的是礦物集合體的形狀、大小和空間的相互關系及充填方式，即礦物集合體組合的幾何學特征。

布沼壩露天礦南幫西段邊坡滑移，其范圍從平面上看位于布沼壩向斜的西翼、F4和F7斷層之間。布沼壩向斜長軸方位為北東-南西，全長5 km，北西-南東寬2.4～3.0 km，呈橢圓形兩端封閉的平緩向斜。北西翼傾角平緩在8°～20°；南東翼較陡為15°～35°，兩翼不甚對稱。而F4和F7斷層的存在，有可能切斷下伏地層，直接影響下伏地層的水力聯系。因此，邊坡滑移區較為復雜的構造條件使得該區域地層及基底巖層較為破碎，節理、裂隙發育，并有可能破壞原有各地層間的水力聯系。

2.2 水文地質條件

1）隔（含）水地層條件。從地層上來看，本區地層主要有第四系、新第三系、三疊系地層，其中第三系的N5 河頭煤組砂層孔隙含水組在本區不分布。除第四系外，其余2 個地層均有隔水層。由于各地層所處的工程位置不一樣，其功能不一。第三系與煤層開采緊密相關，N4 泥灰巖相對隔水層、N1-2 薄煤段-東升橋黏土巖段相對隔水組對煤層開采起著總要的作用；三疊系地層是組成采場基底的地層，T2g1 隔水層對原煤生產及變坡穩定均起著重要的作用。小龍潭盆地四周高山環繞，灰巖裸露，利于降雨滲入補給。巖溶地下水從四周向盆地集中匯聚，在西南盆地及南盤江河谷2 個排泄帶以溢出泉形式出露，具有典型的山區巖溶水的顯著特點：即山區即為潛水補給區，山間盆地為承壓徑流區，盆地邊緣及河谷為地下徑流排泄帶。

2）充水來源。目前布沼壩采場主要的充水來源為：煤層裂隙水、第四系鈣華（鈣礫）層水、三疊系石灰巖巖溶裂隙水、大氣降水等。其中第四系鈣華（鈣礫）層水的出水點受降雨和地表水影響較大；煤層裂隙水在坑內出水點流出形態為股流和滲出的形式；三疊系石灰巖巖溶裂隙水主要為T2g5 灰巖裂隙水，以上升形式溢出，季節性變化小；大氣降水是礦坑最主要的充水因素。大氣降水一是直接進入礦坑、二是滲入補給第四系和煤層露頭地段入坑、三是降水滲入裸露的的三疊系石灰巖進入礦坑。滑坡區域剛好位于礦區最主要的隔水層T2g1 的上部，處于高水位區和低水位區的分界線，水文地質條件較為復雜，邊坡分析應著重考慮水的影響。

2.3 工程地質條件

井田內與露天采煤條件有關的巖層主要有Q～N1-2 間各組巖層，其次還有T2g5、T2g4 等基底灰巖。各地層中，第四系巖層組成邊坡的頂段，其穩定性主要決定于水的浸軟與沖刷程度；新第三系泥灰巖質地均一，雖浸水后強度有所降低，但由于組成逆向邊坡為主，對采場邊坡穩定性較為有利，除局部有可能崩塌外，一般不易構成完整的滑動面；薄煤段與東升橋黏土巖段總的來說以松軟巖層為主，巖石強度低，對于保持較陡邊坡角難度較大，與煤層接觸段容易產生順層滑動，若在浸水膨脹情況下，抗剪強度顯著降低，邊坡更不穩定。

小龍潭礦區賦存的煤層是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天礦生產時期，有較多的煤臺階。由于該煤層層面裂隙及垂直層面裂隙較發育，煤層中有數層厚度不等的薄層透鏡狀夾矸，巖性以炭質黏土巖、含炭黏土巖為主，夾粉砂質黏土巖及少量鈣質條帶、含炭灰巖。小龍潭礦區賦存的煤層是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天礦生產時期，有較多的煤臺階。由于該煤層層面裂隙及垂直層面裂隙較發育，煤層中有數層厚度不等的薄層透鏡狀夾矸，巖性以炭質黏土巖、含炭黏土巖為主，夾粉砂質黏土巖及少量鈣質條帶、含炭灰巖。且該層上部分布較少，向煤盆底部及邊緣有增多的趨勢，其間黏土巖類浸水易軟化，構成局部軟弱結構面，在一定程度上減低了煤體在邊坡的穩定性，尤其在順層坡的情況下，加之煤層本身垂直層面裂隙有水，易沿夾層產生順層滑動。根據對褐煤段的試驗，逆層抗剪強度為2.31 kg/cm2，而順層抗剪強度僅為0.21 kg/cm2，比逆層抗剪強度小得多。綜上所述，本次邊坡滑移，滑坡體主要包含第四系表土、新第三系主煤段，巖性均為不堅固類別，尤其主煤段，順層和逆層存在高達10 倍的抗剪強度差別。主煤段與上覆、下伏巖層之間的鈣質條帶、黏土巖類在水的作用下浸水軟化，構成軟弱結構面，對上覆巖層巖該弱面滑動提供了直接條件。

3 穩定性分析與治理措施

3.1 剖面和計算方法

通過邊坡穩定驗算，可以準確的確定邊坡滑移的模式，及失穩條件。本次設計在邊坡滑移區域找出2 個典型剖面進行邊坡穩定驗算，其中A 剖面為地質報告IV 勘探線，B 剖面為正南北向穿過滑坡區的剖面。

對該區域邊坡以圓弧滑動和順層滑動2 種滑移模式來模擬計算，以確定邊坡滑移模式及滑面的位置。設計邊坡穩定驗算采用中國水利水電科學研究院編制的STAB 邊坡穩定分析程序進行計算。針對不同的邊坡滑移破壞模式采用不同的二維極限平衡法。

1）傳遞系數法。也稱推力法，適用于邊坡為折線型滑面的穩定性計算，為通用方法。邊坡滑移破壞模式為順層滑移時邊坡穩定性計算采用本法。

2）簡化BISHOP 法。圓弧形滑移破壞模式計算方法較多，但計算結果一般都偏于保守例如瑞典法、Fellenius 法等。

3.2 穩定性分析

典型剖面邊坡穩定驗算結果見表1。

表1 布沼壩露天礦南幫西段邊坡穩定驗算結果表

穩定性分析結果如圖1。圓弧滑動是發生在均質邊坡內部的一種常見滑移模式。本次邊坡穩定驗算，假定的圓弧滑移模式，滑面貫穿了第四系表土、主煤段、薄煤段-東升橋黏土巖3 個地層，且最危險滑面與實際邊坡滑移范圍有很大的差距，證明本次邊坡滑移模式為沿弱面的順層滑移模式。同時，從不同水頭壓力下邊坡穩定系數的計算結果，證明水頭越高，邊坡穩定系數越低，本次邊坡失穩水頭壓力較高是最重要原因之一。

圖1 穩定性分析結果

3.3 治理措施

布沼壩露天礦南幫西段邊坡靠近褶皺發育、工程地質、水文地質條件較為復雜的區域時，容易產生小范圍的崩塌或滑坡現象，對該區域進行削緩坡角，減輕滑體自身重量是有必要的，工程實施有利于保持邊坡穩定。

1）削坡范圍。根據邊坡穩定分析結論，同時考慮到生產實際和施工條件，本次削坡減載范圍確定如下：本次設計削坡減載范圍為：東西長430 m，南北寬340 m，高程1 070～1 157 m，水平投影面積：11.63 hm2。減載工程量為61.94 萬m3，其中剝離物39.47 萬m3，煤量22.47 萬m3。

2）臺階參數。①臺階高度：根據布沼壩露天礦設計臺階高度為10 m，本設計臺階高度取5 m，2 個臺階組合為1 個10 m 臺階；②臺階坡面角取50°；③平盤寬度：運輸平盤寬度取20 m，其余平盤寬度取15 m。

3）削坡減載結果。滑移前西南幫幫坡角為16°，下部底鼓區達到17°，削坡減載后幫坡角為15°，下部底鼓區域最高清理高度約23 m。削坡減載實施后，典型剖面1/3 水頭壓力條件下穩定系數均超過1.302，在1/2 水頭壓力條件下穩定系數也達到1.230，滿足設計要求。

4 結語

南幫西段邊坡滑移，是由大氣降水引起的第四系地層充水，并向N3煤層徑流，導致煤層水頭壓力抬高，并且弱化了N3煤層底板，引起了沿煤層底板面順層滑移。水是導致邊坡滑移的最重要外因，削坡減載僅暫時確保了邊坡的安全穩定，未保證邊坡的長期穩定，應對第四系巖層進行有效的排水，防止滲透、軟化巖體，必要時還應當超前降低地下水位。