天池能源南露天煤礦板裂結構巖體順層邊坡潰屈破壞變形演化規律及錨固參數研究

李 明，董蒙蒙，王艾嫵，馬熹焱

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.新疆天池能源有限責任公司，新疆 昌吉 831100；4.中國電能成套設備有限公司，北京 100080）

潰屈破壞是板裂結構邊坡1 種典型破壞模式，主要發生在板裂結構順層邊坡中，板裂結構邊坡具有不連續性、不均一性、各向異性等特征，板裂結構面是巖體強度薄弱部分，也是邊坡變形破壞決定性因素，需要在研究板裂結構面特性的同時，對潰屈機制、極限坡長、向坡內發展深度等問題開展針對性研究。丁戈媛等[1]在分析板裂結構巖體地質特征和力學作用機制的基礎上，基于彈性板梁穩定理論與能量平衡原理建立了順層巖質潰屈破壞力學模型；劉云鵬等[2-4]基于大量工程實踐和地質認識，從應力儲蓄和釋放及地質基礎方面分析了板裂結構形成條件，通過對板裂結構巖體形成力學機理和宏觀表現形式的探究，分析了滑移—彎曲模式順傾板裂結構邊坡的失穩機制；潘瑞林等[5]針對多層板裂結構巖體邊坡，采用彈性力學和相關理論提出了邊坡變形計算、潰屈穩定分析預測方法；劉春香等[6]從地質模型抽象出力學模型，計算了層狀巖體潰屈破壞的極限坡長；陳笑楠等[7]探討了巖體結構的屈曲性態和潰屈性態，給出了邊坡巖體上部滑動段滑動的條件，得出了邊坡巖體的分岔方程和潰屈方程，指出了分岔方程的適用條件和潰屈方程的適用范圍，建立了巖體結構潰屈破壞的判據。以往板裂結構巖體邊坡潰屈破壞研究多集中于臨界坡長和安全系數確定[8-15]，近年來信息技術對力學的影響受到廣泛關注，為此，在分析板裂結構巖體邊坡潰屈變形破壞演化規律基礎上，結合新疆天池能源南露天礦板裂結構順層邊坡巖體結構特點，采用邊坡雷達測量與數值模擬相結合方法，建立邊坡地表變形量與邊坡內部變形破壞狀態之間的聯系，將邊坡潰屈變形破壞過程預測轉化為巖體漸進破壞狀態的判斷，為邊坡潰屈變形破壞預警和治理提供設計計算依據。

1 板裂結構巖體邊坡潰屈破壞變形演化規律

1.1 板裂結構巖體邊坡潰屈破壞變形演化過程

新疆天池能源南露天煤礦邊坡開挖過程中，邊坡應力橢圓會從垂直過渡到傾斜狀態，最大主應力與坡面近乎平行，當開挖邊坡角與板裂結構巖體產狀近乎一致，邊坡滑移控制面綜合內摩擦角小于巖層傾角時，上部層狀巖體就具備了沿弱面或潛在弱面下滑條件。板裂結構巖體傾角平緩時的變形破壞，多產生在坡體中上部位，沿弱面或潛在弱面發生剪切滑移。板裂結構巖體傾角較大時，也是沿弱面或潛在弱面發生剪切破壞，但該剪切滑移面是和坡腳相交切的板裂面，在坡腳處形成集中應力，伴隨差異卸荷過程巖層折斷滑動，沿坡體前緣破碎段剪出轉為潰屈破壞。

板裂結構順層巖體邊坡潰屈變形破壞一般表現為滑體沿已有的結構面產生表層或淺層松弛、張裂和沿層間軟弱結構面的錯動、滑移，后緣逐漸拉裂，并依次向下擴展，演化階段過程可劃分為：輕微彎曲階段、強烈彎曲-隆起階段和切出面貫通階段3 個階段[16-17]。潰屈破壞變形不同演化階段如圖1。

圖1 潰屈破壞變形不同演化階段示意圖Fig.1 Diagrams of different evolution stages of collapse failure deformation

1）輕微滑移彎曲階段。板裂結構上部層狀巖體產生向下的滑移變形后，沿著順傾方向發生微量的層間差異錯動，由于坡腳區域巖層不具備臨空條件造成下滑受阻，巖體自重形成的縱向壓應力施加于坡腳附近順傾板柱上，巖層發生輕微彎曲變形，巖層內部呈現離層、空化現象，如圖1（a）。

2）強烈彎曲-隆起階段。隨著滑移彎曲變形持續增加，滑移控制面抗剪強度逐漸降低，隆起部位彎曲變形進一步加劇，后緣出現張拉裂縫，局部有拉裂陷落；壓碎坡體前緣部彎曲隆起強烈，沿邊坡走向形成隆起帶，伴隨著壓碎剪切屈服，出現1 條反傾坡內的鋸齒狀破裂面，如圖1（b）。

3）切出面貫通階段。邊坡進一步變形，導致滑移控制面與下部切出破裂面完全貫通，造成板裂結構失穩，失穩主要表現為潰屈和剪切滑動。滑動規模在上部折斷滑出時較小，在下部折斷帶滑出時加大，滑坡形式具有突發性和高速性，如圖1（c）。

對于以上3 個階段的劃分，通過對中緩坡體的研究，嚴明等[18]提出了4 階段變形過程。即在第1 階段的滑移—輕微彎曲、第2 階段的滑移-強烈彎曲隆起和最后階段的整體失穩之間還存在1 個滑移-碎裂-散體化階段。

1.2 板裂結構順層軟巖邊坡潰屈破壞雷達監測

板裂結構邊坡變形破壞機制不同與一般邊坡，在變形過程中板間的錯動發育，從“結構”角度看，潰屈破壞是滑移-彎曲變形發展的結果，然而從演化實際歷程上看，板裂結構巖體碎裂化的過程不易被發現，失穩過程很難作為1 個獨立的演化階段分離出來。近年來邊坡雷達信息采集分析技術運用日益廣泛，具有大范圍實時快速動態監測，全尺度全過程數值分析特點，很多結果可以直接得到，根據測量結果大數據分析，能夠直接用于研究分析邊坡巖體結構與滑坡破壞關系，將滑坡破壞過程預測，轉化為邊坡巖體漸進破壞的判斷，比理論預測更準確。2017—2019 年，新疆天池能源南露天煤礦共發生10余次單臺階板裂結構巖體順層邊坡潰屈破壞現象，現選取2 次典型破壞進行分析。破壞實例1 雷達監測邊坡變形破壞時間序列曲線如圖2。破壞實例2雷達監測邊坡變形破壞時間序列曲線如圖3。

圖2 實例1 邊坡破壞變形時間序列曲線Fig.2 Time series curve of slope failure and deformation in case 1

由圖2 可知，邊坡輕微彎曲階段，初始位移速率較低，最大4 mm/h；隨后，位移速率降低至1 mm/h以下；然后速率快速提升，最大達15 mm/h，邊坡滑移結束，破碎巖體進入固結壓實階段。

由圖3 可知，邊坡輕微彎曲階段，初始位移速率亦較低，最大達5 mm/h，約為最大變形速率的1/3；隨后，位移速率降低至0 mm/h 左右；而后速率快速提升，最大達15 mm/h，達到1 個新的平衡，速率將至1 mm/h 以下，然后整體失穩，破碎巖體進入固結壓實階段。

圖3 實例2 邊坡破壞變形時間序列曲線Fig.3 Time series curve of slope failure and deformation in case 2

以上2 個破壞實例，實例1 符合“三階段”的變形演化過程，實例2 符合“四階段”的變形演化過程。板裂結構順層邊坡發生滑移破壞時，主要是受自重荷載作用而引起順層滑移，變形破壞多為沿著層間軟弱結構面的剪切滑移，主滑帶與巖層的產狀及剪切帶密切相關。其變形破壞表現為滑體沿已有的結構面產生表層或淺層松弛、張裂和沿層間軟弱結構面的錯動、滑移，后緣逐漸拉裂，并依次向下擴展。如果邊坡整體的緩慢蠕滑趨勢沒有改變，則下部潰屈部位的巖體便會發生以巖塊位錯、混合、壓碎和密實為特征的高度碎裂-散體化過程。影響順層邊坡穩定的結構面因素很多，主要包括結構面的傾角、結構面的形態、結構面連續性、結構面充填特征以及結構面中水的軟化作用等，其中結構面的傾角對順層巖質邊坡變形破壞起制約作用。對于結構面陡傾的順層板裂結構邊坡來說，由于自重荷載的法向分量小，巖板彎曲范圍極易向上擴展，雖然也有巖塊的壓碎階段，通常發展為迅速的整體失穩，很難將這一過程區分出來。因此，采用三階段理論分析是恰當的，但對于中緩傾板裂結構邊坡來說，由于碎裂-散體化過程相對明顯，且有一定演化歷程，應采用四階段理論來分析。

傳統劃分方法的表述僅限于邊坡中下部隆起部分巖體宏觀變形，未考慮整體邊坡協調變形特征。強烈彎曲-隆起階段必然伴隨著后緣張拉裂縫的擴張和底滑面的出露，這一現象在邊坡雷達地表監測位移歷時曲線中，表現為在輕微彎曲階段后，隨著下部巖體強烈彎曲隆起，速率曲線反而呈現下降趨勢的變化規律，即在變形區整體監測條件下，后緣張拉裂縫持續擴大造成底滑面的出露，補償了因下部強烈隆起引起的地表變形。因此，為便于潰屈破壞的臨滑預警，第2 階段應該表述為拉裂滑移-強烈彎曲階段。

另外，從結構的角度考慮，下部切出面貫通，上部巖體快速滑移即代表板裂結構體的破壞，破壞后碎裂巖體能否達到短暫的力學平衡與滑移控制面深度、傾角、巖體碎裂程度有關，滑動面越淺，傾角越大，巖體越破碎，越易在切出面貫通后，直接形成整體破壞。因此，以該階段作為臨滑預警的判據是不合適的，而應以拉裂滑移-強烈彎曲階段速率降至最低后，因切出面貫通造成速率曲線快速增加的拐點作為臨滑預警的圖解判據，潰屈破壞臨滑預警圖解判據如圖4。

圖4 潰屈破壞臨滑預警圖解判據Fig.4 Graphical criterion for critical slip warning of collapse failure

2 錨固參數的計算

研究和實踐表明，錨固對于板裂巖體潰屈破壞是1 種十分有效的主動加固措施，錨固深度和錨固排距是錨固措施的2 個重要參數。對于板巖滑移-彎曲計算中彎曲部分的計算方法主要分為壓桿穩定理論和彈性板理論2 大類，然而就該礦實際情況而言，由于板巖結構面具體條件不同，分析結果差異較大。從邊坡雷達監測數據和實際調查分析來看，彈性板理論考慮了上部滑移段部分提供的下滑力是造成下部彎曲變形的主要因素，其原理更符合實際情況。因此，彎曲變形極限長度的計算是根據邊坡雷達長期位移變化監測數據找到準確的潛在滑動位置后，著重參考彈性板理論。

錨固加固時，錨桿自由段長度應大于所預測的邊坡潰屈破壞深度，錨固排距應小于所預測的邊坡潰屈破壞極限長度。因錨固深度除考慮淺表潰屈破壞深度外，還應考慮整體邊坡破壞深度，此處僅對該礦潰屈破壞邊坡錨固排距進行計算。

該礦滑體厚度平均2 m，巖層傾角35°，泥巖密度1 790 kg/m3，彈性模量1.5×104MPa。根據板裂結構巖體的巖性組成，發生潰屈時邊坡極限長度按下式進行計算[19]。

式中：lcr為極限破壞長度，m；E 為板裂體彈性模量，MPa；I 為板裂體截面矩，m4；q 為單位長度板裂巖體質量，kg；α 為板裂體巖層傾角，（°）。

根據計算邊坡極限破壞長度為7.27 m，按1.20安全系數考慮，錨固排距確定為6 m。

錨固加固后，邊坡臺階高度由原15 m 提高至40 m，在段高增高至原段高近3 倍的工況下，未再出現潰屈破壞現象；多采出原煤1 200 余萬t，創造直接經濟效益6.0 億余元。消除了潰屈破壞重大安全隱患，產生了巨大經濟和安全效益。

3 結 語

1）板裂結構巖體碎裂化過程很難作為1 個獨立的演化階段分離出來，邊坡雷達信息采集分析技術，具有全尺度全過程數值分析特點，根據測量結果大數據分析，能夠將滑坡破壞過程預測，轉化為邊坡巖體漸進破壞的判斷，比理論預測更準確。

2）輕微彎曲階段后，隨著下部巖體強烈彎曲隆起，邊坡雷達速率曲線反而呈現下降趨勢的變化規律，是拉裂滑移-強烈彎曲階段的顯著特征，以速率將至最低點處的拐點作為潰屈破壞和臨滑預警的圖解判據理論上可靠，且具有較好的辨識度。

3）排距小于邊坡破壞極限長度時，錨桿（索）可有效提高板裂巖體抗彎剛度，用于板裂巖體潰屈破壞治理效果顯著。