平朔東露天礦含軟弱夾層高陡邊坡變形破壞機理及治理措施

高偉程

（中國石油天然氣管道工程有限公司 沈陽分公司，遼寧 沈陽 110031）

隨著我國露天煤礦開采深度不斷增加，高陡邊坡日趨常態(tài)化，高陡邊坡問題日漸突出，高陡邊坡穩(wěn)定性成為制約安全與經(jīng)濟的關(guān)鍵因素之一[1]。而軟弱夾層是地層巖體中的非連續(xù)性面，其物理力學(xué)性質(zhì)較差，往往是造成邊坡滑坡主要因素之一[2-3]。因此，探討含軟弱夾層高陡邊坡變形破壞機理，有利于高陡邊坡穩(wěn)定性研究及危險邊坡治理。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對露天邊坡已經(jīng)進行了一系列研究。例如呂金星等[4]以勝利露天煤礦邊坡為例，基于數(shù)值模擬分析邊坡漸進性破壞，研究表明巖石的流變特性引起邊坡漸進破壞，最終導(dǎo)致滑坡；陶志剛等[5]基于高陡邊坡物理模擬試驗，確定邊坡滑坡時內(nèi)部應(yīng)力破壞規(guī)律及NPR 錨索力學(xué)特性，并證實NPR 錨索具有超前預(yù)警功能；何怡等[6]以四川某含弱層高邊坡為研究對象，基于應(yīng)變軟化M-C 模型分析礦山邊坡漸進破壞過程，明確弱層含水量對邊坡破壞的影響；范昊天等[7]以蘇州某礦區(qū)滑坡區(qū)為研究對象，基于顆粒流離散元法建立PFC 邊坡模型，分析含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡破壞機理及滑動時應(yīng)力狀態(tài)，為邊坡治理提供理論基礎(chǔ)。

1 礦山概況及物理力學(xué)參數(shù)

基于平朔東露天礦以往勘探資料，得出露天礦南幫主要巖性有砂巖、泥巖、泥砂巖互層、粉質(zhì)黏土、煤層及弱層。其中弱層由富含高嶺土等黏土礦物組成，在地下水的長期浸潤下，力學(xué)強度極低，嚴重影響邊坡穩(wěn)定。同時根據(jù)現(xiàn)場情況，在底部1245 臺階上有明顯錯動跡象，在上部1 345 m 水平有裂縫顯現(xiàn)，存在邊坡發(fā)生大規(guī)模滑坡的危險。

根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)條件、以往地質(zhì)鉆孔資料、滑坡反分析及節(jié)理化強度分析，以初步設(shè)計為依據(jù)，構(gòu)建典型工程地質(zhì)模型，其地層依次為粉質(zhì)黏土、泥巖、泥砂巖互層、砂巖、弱層、泥巖、煤等，如圖1，相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面

表1 巖土力學(xué)參數(shù)推薦值

2 變形破壞機理

露天邊坡工程是一門復(fù)雜的涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科，其集采礦、安全、地質(zhì)、力學(xué)等為一體[8]。露天邊坡失穩(wěn)通常受多因素影響，其穩(wěn)定性研究極為復(fù)雜而且十分困難，不僅寄托于理論學(xué)科研究，還應(yīng)結(jié)合實踐的積累。通常采用物理模擬（相似實驗）、邊坡監(jiān)測（GNSS、雷達監(jiān)測等）和數(shù)值模擬（有限元、有限差分等）3 種研究方法，結(jié)合理論分析及現(xiàn)場實際情況得出邊坡變形破壞機制和規(guī)律[9]。

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

利用有限元軟件，構(gòu)建典型剖面數(shù)值模擬模型，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。采用位移邊界條件進行模型約束，固定x=0 和x=474 2 個面x 方向位移，固定y=0 和y=100 2 個面y 方向位移，固定底面z=0豎直方向位移，頂面為自由邊界條件，介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)采用理想的摩爾-庫倫彈塑性模型描述，用以保持受力體系的平衡。

對典型剖面進行數(shù)值模擬計算，高陡軟弱夾層邊坡水平方向位移云圖、總位移云圖、剪應(yīng)力云圖及剪切應(yīng)變增量云圖如圖2～圖5。

圖2 水平方向位移云圖

圖3 總位移云圖

圖4 剪應(yīng)力云圖

圖5 剪切應(yīng)變增量云圖

由圖2 和圖3 可知，邊坡呈現(xiàn)上部第四系沉降，下部沿弱層剪出，總位移最大約0.256 m，發(fā)生在第四系黏土層區(qū)域，水平最大位移量約0.218 m，發(fā)生在弱層上方+1 355～1 380 m 水平。由圖4 可知，弱層上部1 355～1 380 m 水平出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，總體呈應(yīng)力剪出狀。由圖5 可知，邊坡剪應(yīng)變增量較大的位置主要集中在+1 355 m 水平弱層位置，尚未見貫通。綜上，南幫邊坡潛在滑移面是由切層巖體和軟弱夾層面組成的復(fù)合滑面，即南端幫邊坡的破壞模式主要為沿弱層滑動的“坐落-滑移式”。

3 邊坡穩(wěn)定性

選取極限平衡理論體系分析邊坡穩(wěn)定性[10]。依據(jù)“露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范”相關(guān)規(guī)定，礦區(qū)非工作幫臨時性邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs取值范圍為1.00～1.20，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料、邊坡邊坡現(xiàn)狀及南幫邊坡對露天礦的作用，本次選取安全儲備系數(shù)為1.10。根據(jù)所建立的外排土場典型工程地質(zhì)剖面圖，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見表1，利用Morgenstern-Price 法分析外排土場邊坡穩(wěn)定性，穩(wěn)定分析結(jié)果如圖6。

圖6 穩(wěn)定分析結(jié)果

根據(jù)典型剖面邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.01，邊坡處于極限平衡態(tài)，正在蠕動變化，易發(fā)生滑坡事故。

4 邊坡治理措施

鑒于南幫上部1 345 m 水平有裂縫顯現(xiàn)的現(xiàn)狀，為防止出現(xiàn)坡頂裂隙與弱層貫通，造成邊坡滑動。考慮露天礦地質(zhì)條件、礦區(qū)現(xiàn)狀、治理的迫切性、施工費用經(jīng)濟性及施工安全性，選削坡減載治理為主，GNSS 監(jiān)測為輔的治理設(shè)計方案。

4.1 削坡減載

治理工程涉及+1 320～+1 380 m 水平范圍，削坡減載治理方案設(shè)計主要原則為：在開采境界內(nèi)，保障上部運輸?shù)缆吠暾?，保障上部供電系統(tǒng)、其它設(shè)備位置不變，保障+1 350 m 水平運輸?shù)缆穼挾炔恍∮?0 m，同時確保上部松散第四系黃土穩(wěn)定。

以現(xiàn)狀邊坡特征為基礎(chǔ)，參考礦區(qū)初步設(shè)計，同時結(jié)合邊坡現(xiàn)場實際條件，選取單臺階角度為55°，設(shè)計邊坡整體南移10、15、20、25、30 m，治理設(shè)計曲線如圖7。

圖7 治理設(shè)計曲線

根據(jù)圖7 計算結(jié)果及南幫安全儲備系數(shù)要求，確定南幫最優(yōu)削幫方案為南擴25 m，單坡面角55°，穩(wěn)定系數(shù)1.110，滿足安全儲備系數(shù)要求。同時可知，該設(shè)計方案下南幫單剖面開挖量約455 m2，其中土方量273 m2，巖石182 m2。

4.2 GNSS 監(jiān)測

為確保南幫邊坡的長治久安，保證礦區(qū)正常生產(chǎn)作息安全，需建立健全“礦山邊坡監(jiān)測控制系統(tǒng)”，保證邊坡實時在線監(jiān)測與控制，避免“為了監(jiān)測而監(jiān)測”或“只監(jiān)不控”局面的繼續(xù)，故在邊坡變形區(qū)建立在線邊坡監(jiān)控系統(tǒng)（GNSS 邊坡監(jiān)控系統(tǒng)），對監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集分析，繪制速度監(jiān)測成果，治理前位移曲線圖如圖8。

圖8 治理前位移曲線圖

由圖8 可知，變形區(qū)范圍內(nèi)DLT-01～DLT-04監(jiān)測點日均位移處于20.36～29.43 mm/d。未出現(xiàn)明顯加速階段，邊坡處于蠕動變形階段與現(xiàn)場實際情況相符。GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)可進行有效解算、處理與分析，能夠形成相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)曲線，為邊坡“臨滑預(yù)警”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)語

1）基于數(shù)值模擬分析可知，平朔東露天礦邊坡變形破壞機理為沿軟弱夾層的“坐落-滑移”式破壞模式。水平最大位移量約0.218 m，發(fā)生在弱層上方+1 355～1 380 m 水平。

2）基于現(xiàn)場勘查及極限平衡法可知，南幫現(xiàn)狀邊坡處于極限平衡狀態(tài)，并正在蠕動變形，亟需開展邊坡治理工程。

3）綜合考慮各種治理措施，針對南幫現(xiàn)狀提出：以削幫減載為主，GNSS 監(jiān)測為輔。治理設(shè)計邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10，滿足安全儲備系數(shù)要求；GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測現(xiàn)狀邊坡變形速率約為0.025 m/d，需要盡快推進治理方案。