魏家峁露天煤礦工作幫邊坡滑坡機理研究

喬東亮，張永貴，鄭開慧

（北方魏家峁煤電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

邊坡穩定是露天采礦領域的重要課題。近年來，隨著露天煤礦生產規模的不斷增大、開采深度的逐漸增加，邊坡穩定性問題也日益突出[1-3]。如國內寶日希勒露天煤礦采場西幫、勝利東二露天煤礦南幫、扎哈淖爾露天煤礦南幫等均曾發生大規模滑坡，嚴重威脅露天煤礦的安全持續生產[4-6]。

為了準確分析邊坡穩定性，科學提出邊坡防治措施，眾多學者對露天礦邊坡破壞模式、滑坡機理進行了大量的研究[7-9]。如陶志剛[10]等結合調查數據，利用深部滑動力監測預警結果，判斷邊坡滑坡成因及其破壞模式，并利用赤平極射投影法分析滑坡發生機理。常治國[11]等利用ANSYS 數值模擬，對典型的排土場邊坡穩定性進行了分析，揭示了其坐落-滑移式邊坡滑坡變形機理。趙建軍[12]等采用物理模型研究滑坡地質力學模式。李禹霏[13]等利用自動化監測手段分析邊坡穩定性。張金貴[14]運用數值模擬方法對魏家峁露天礦邊坡的位移特征進行分析，并對剪應變和塑性區擴展進行了研究。

基于以上研究成果，綜合利用滑坡區域地質條件分析、邊坡變形自動化監測、數值模擬等方法，對魏家峁露天煤礦局部工作幫邊坡滑坡成因進行分析，為制定局部工作幫滑坡治理方案提供科學依據。

1 工程概況

魏家峁露天煤礦位于準格爾煤田東南部，主采6#煤層為單一近水平厚煤層，煤層平均厚度18 m。剝離生產工藝為單斗卡車間斷工藝，采煤生產工藝為半連續工藝，設計生產能力6 Mt/a。礦區大部分被第四系黃土和風積沙覆蓋，局部梁頂或者沖溝處有基巖出露。

魏家峁露天煤礦2009 年開工建設，目前已形成工作幫、非工作幫、內排土場等邊坡。其中，工作幫邊坡上部黃土臺階高度為8 m，臺階坡面角為65°，下部巖石臺階、煤層臺階高度均為16 m，臺階坡面角為70°。隨著露天煤礦工作幫的不斷推進，工作幫邊坡逐漸發生后緣下沉、前緣底鼓等現象，至2018 年10 月，工作幫1 112-1 120 m 水平臺階坡面有大量水與稀泥涌出，各臺階出現裂縫，并伴隨臺階沉降，至11 月最大沉降量達2.5 m，沉降范圍不斷擴大，且下部臺階錯落式沉降加劇。為了準確確定滑坡范圍，科學確定滑坡治理方案，需要深入分析工作幫邊坡滑坡機理。

2 滑坡區域地質條件

為了查明滑坡區域地下水位、弱層賦存等情況，在滑坡區域布置P-1、P-2、P-3 3 條勘探線，每條線上取2 個勘察孔，總計6 個勘察孔。勘察孔信息詳見表1。

表1 勘察孔信息表

1）工程地質條件。通過工程地質勘察，確定滑坡區域地層自上而下分別為：粉砂、粉土、粉質黏土、強風化泥巖、強風化砂巖。粉砂為黃褐色，中密狀態；粉土為黃褐色，干強度中等。粉質黏土呈現棕紅色，具有可塑性，微小層理較發育；強風化泥巖呈現黃褐色，其硬度中等，節理、裂隙一般發育，泡水后軟化較明顯。強風化砂巖為雜色，其巖層較完整，在勘察過程中未被穿透。

2）水文地質條件。滑坡區域地下水主要靠大氣降水補給和側向補給，由于粉土、粉砂厚度影響，出現了孔隙含水層儲水現象，然而地下水排泄主要以蒸發方式進行，因地下水埋藏較深，局部富水，形成典型的上層滯水，當隔水區域被破壞，地下水以泉的形式涌出，其水文地質條件較簡單。

3）巖土體物理力學強度指標確定。根據現場勘察，利用實驗室試驗，并參考以往巖土力學試驗，得出的巖土體物理力學強度參數見表2。

表2 巖體物理力學參數

3 邊坡變形自動化監測

3.1 表面位移監測

在P-1、P-2、P-3 共3 條勘探線上共布置9 個GNSS 表面位移監測站，統計了2018 年11 月1 日至2019 年1 月4 日的監測數據，監測點累計位移值見表3，監測點累計位移曲線如圖1。

圖1 監測點累計位移曲線

表3 累計位移值

由表3 可知，點1、點2、點3、點4、點5、點6、點7 這7 個監測站的累計位移較大，且方位角均在31°～48°范圍內，1 128 m 水平與1 144 m 水平上的4 個監測點的水平位移量大于1 160 m 水平上的3 個監測點，但1 160 m 水平上的3 個監測點的垂直位移較大。說明1 160 m 水平以上邊坡滑動以坐落為主，1 128 m 水平與1 144 m 水平位置處邊坡滑動以向臨空面滑移為主。點4、點5 這2 個監測站位于滑坡范圍之外。滑坡的主要滑動方向為北東方向。

此外，由圖1 可知，2018 年11 月15 日之前工作幫邊坡處于加速變形階段，11 月15 日后工作幫邊坡處于勻速變形階段。

3.2 滑動層位監測

為了查明滑動層位，在滑坡區域的3 個剖面布置了6 個測斜孔，孔內安裝測斜管，精確測定滑體內部水平位移。監測結果以P-2 剖面孔6 為例，孔6位移-深度曲線如圖2。

圖2 孔6 位移-深度曲線

根據測斜結果可知，孔3、孔6 測斜孔分別在孔口以下32、27 m 處，據此可以確定邊坡滑動層面，其滑動層面是演化弱層，位于強風化泥巖與砂巖接觸面之間，此處邊坡處于臨滑邊界狀態；此外，邊坡內部發生了顯著的剪切變形，邊坡破壞模式可確定為剪切變形。

4 工作幫邊坡破壞模式數值模擬

根據工作幫生產現狀及剖面P-2 處的工程地質條件，建立數值模擬模型，模型長414 m，寬94 m，上覆砂土厚56 m。分析影響邊坡穩定性的主要參數，運用極限平衡理論，對滑坡進行穩定性驗算，獲到不同參數下邊坡的穩定性系數，分析參數間的敏感性以及對邊坡穩定性的影響程度，獲得滑坡抗剪強度指標的取值范圍。

根據巖土體室內試驗結果，基于滑坡處于臨滑狀態，運用有限差分計算軟件，對滑坡抗剪指標進行反演分析，結合現場踏勘情況，坡腳出現了浸水泥巖弱層堆積情況，弱層呈淤泥狀，出露情況類似一個極小型的沖積扇，在出露面沒有堆積現象，而是極大程度的向四周散開，十分細膩，說明內摩擦角極小的情況，綜合得出了合理的數值，弱層的黏聚力為14 kPa，內摩擦角6.5°。

工作幫邊坡坐落滑移之后，在坡腳處形成了小范圍底鼓，邊坡變形最大位置位于演化弱層前緣坡腳處，工作幫邊坡將沿弱層繼續發生蠕動。邊坡塑性區已經貫通，沿底板順層滑動，坡體后緣圓弧剪切，目前邊坡處于欠穩定狀態，數值模擬結果與監測數據一致。

5 結語

1）通過工程地質勘查確定了露天煤礦滑坡區地質條件，通過巖土力學試驗確定了滑坡區物理力學指標。結合自動邊坡監測點及測斜儀深部監測，1 160 m 水平以上邊坡為坐落滑動，1 160 m 水平以下至巖石面為臨空面滑動。2 個自動邊坡監測點點4和點5 位于滑坡范圍之外。

2）通過工程勘察及巖移監測，開展軟弱層形成機理的研究，滑坡區紅黏土層隔水，地勢低洼區常年浸泡，久而久之形成演化弱層，弱層的抗剪強度具有時間效應且弱層的長期強度較低，且具有流變特征。

3）查明了工作幫邊坡發生滑坡的直接原因，對露天煤礦工作幫邊坡破壞進行了數值模擬，進一步反證了邊坡的破壞機理以及破壞模式，提出了露天煤礦巨厚黃土層工作幫邊坡開受“演化弱層”控制的挖卸荷-剪切破壞機理，為露天煤礦滑坡區制定工作幫滑坡治理方案提供科學依據。