伊敏露天矿弱层与正断层复合作用下顺倾边坡变形规律

王振伟 ,李 斌 ,王智涛 ,董黎明，韦永豪 ,李营作

（1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；
2.华能伊敏煤电有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021134）

在露天矿山生产过程中经常遇有断层构造和软弱结构面相互叠加的情况，二者不同的空间位置关系及强度对边坡的稳定性起着控制作用。针对具体工况，通过研究各控制变量之间的关系，得到边坡相应的变形演化规律及潜在破坏模式，并有针对性地制定相应的防治措施，确保露天矿高效、安全生产。

近年来，众多学者对弱层与断层控制下的边坡破坏模式及稳定性变化规律进行了深入研究，并取得了相关的成果。张令非等[1]研究了含弱层边坡分区式滑移模式，结果表明，弱层倾角对稳定区、欠稳区、失稳区3 区的分布起着决定性影响，坡体欠稳区与失稳区交界处对倾角的敏感性较高；
刘新荣等[2]根据模型试验，得出边坡的破坏失稳演化过程为分段式的滑移破坏过程，弱层成为顺倾软硬互层边坡变形破坏的优势区域；
田宇等[3]基于刚体极限平衡理论与数值模拟手段，研究了含多弱层－断层构造复合顺倾边坡变形破坏特征、滑移模式以及不同弱层对边坡稳定性影响程度；
赵贵彬等[4]通过对弱层深度敏感度研究，得出弱层位置随着深度的增加，边坡稳定系数逐渐降低，但在达到一定深度后又随之逐渐增大。可见断层及弱层对边坡稳定性影响极大，为此，依托伊敏露天矿实际边坡工程进行研究，通过改变弱层倾角、厚度及与断层之间的空间位置变化，揭露此情况下边坡稳定性的影响规律，为矿山生产及相似工程设计施工评价工作提供参考依据[5]。

按照伊敏露天矿生产计划，目前作业范围已位于三采区，随着采区开采方向由东北向西南推进，初期推测的F1断层将陆续被揭露，该断层的存在给三采区生产作业安全带来潜在威胁。且该矿西端帮边坡多为软岩边坡，此类边坡的稳定性主要受软弱岩层的空间分布、厚度及倾角控制。根据边坡钻探工程勘查，矿区内发育多个软弱岩层，并相对边坡顺倾，其厚度为1～10 m、倾角为0°～8°不等。为此，根据现有矿区资料进行研究，分析弱层控制下含正断层边坡破坏滑移模式及稳定性规律，为下一步开采计划的实施提供可靠依据。典型工程地质剖面图如图1，各地层岩体的物理力学指标见表1。

图1 典型工程地质剖面图

表1 岩体物理力学指标

为减小模型尺寸及网格大小差异导致的误差，所建模型均为沿边坡倾向长度1 340 m，高度500 m，网格宽度选取边坡高度的1/20。坡体内部赋存在1 个贯穿整个模型的正断层，断层厚度5 m，整体边坡角18°。模型中荷载的加载方式为重力加载[6-9]。

2.1 弱层位置对含正断层边坡稳定性的影响

为研究弱层位置对含正断层边坡稳定性影响，分别建立弱层距断层50、25、0、－25（初始状态）、－50 m 的5 种情况下数值模型，弱层不同赋存位置边坡稳定系数见表2，弱层不同赋存位置x 方向最大位移云图如图2。

表2 弱层不同赋存位置边坡稳定性系数

图2 弱层不同赋存位置x 方向最大位移云图

由表2 和图2 可知：边坡稳定性系数随弱层赋存深度的增加，先急剧降低而后增加，此现象表明弱层深度对边坡整体稳定性起着决定性影响；
由于断层的存在，软弱结构面连续性被破坏，此时断层下盘岩体具有一定抗剪强度，当滑移沿弱层产生时，下盘地层阻滞潜在滑面从弱层剪出口剪出，从而改变潜在滑动面位置，达到提高边坡稳定性目的；
在50～0 m 位置时，下部岩体表现为沿弱层走向的剪切破坏；
在－25 m 位置时，下部岩体遇断层后沿断层产生向上位移，并沿断层剪出，此时断层未完全破坏，煤层顶板岩体产生少量位移；
在－50 m 位置时，下部岩体对断层造成完全破坏，此时断层处位移方向仍与弱层近乎平行，过断层后沿煤层底板剪出，但位移值有所减弱；
边坡潜在滑移模式为剪切圆弧－弱层相结合的组合滑动，逐渐发展为剪切圆弧－弱层－断层相结合的组合滑动，最后在断层破坏后形成剪切圆弧－弱层－断层－煤层底板相结合的组合滑动。

2.2 弱层厚度对含正断层边坡稳定性的影响

为研究弱层厚度对含正断层边坡稳定性影响，分别建立弱层厚度为1、3、5（初始状态）、7、9 m 的5种情况下数值模型，弱层不同厚度边坡稳定系数见表3，弱层不同厚度x 方向最大位移云图如图3。

表3 弱层不同厚度边坡稳定性系数

图3 弱层不同厚度x 方向最大位移云图

由表3 和图3 可知：边坡稳定性随弱层厚度的增加逐渐降低；
随着弱层厚度的增加，边坡整体滑移量增大，且均发生在弱层与断层交会面附近；
在厚度为9 m 时整体滑移增量成倍数增加，断层形成小幅贯穿式破坏，沿边坡方向产生较大位移，并沿煤层顶板剪出；
边坡潜在滑移模式在弱层厚度为1～7 m时，为剪切圆弧－弱层－断层相结合的组合滑动，在厚度为9 m 时，为剪切圆弧－弱层－煤层顶板相结合的组合滑动。

2.3 弱层倾角对含正断层边坡稳定性的影响

为研究弱层倾角对含正断层边坡稳定性影响，分别建立弱层倾角为0°、2°（初始状态倾角）、4°、6°、8°的5 种情况下数值模型图。弱层不同倾角边坡稳定系数见表4，弱层不同倾角x 方向最大位移云图如图4。

表4 弱层不同倾角边坡稳定性系数

图4 弱层不同倾角x 方向最大位移云图

由表4 和图4 可知：边坡稳定性随弱层角度的增加逐渐降低；
断层附近最大位移等值线由下盘逐渐向断层上盘转移，位移量也逐渐减小，随着角度的增加最大位移逐渐减小，即0°时在断层下盘产生相对较大位移，逐渐转变为8°时下盘只有微量位移；
出现此种现象的原因为随着角度的增加，弱层上部土体减少，荷载降低，且弱层与断层夹角逐渐减小，断层充当“挡土墙”效果逐渐显现，边坡潜在滑移模式为剪切圆弧－弱层－断层相结合的组合滑动。

为保障露天矿开采工作安全高效进行，相应治理措施如下：

1）搬迁避让措施。随着上部覆岩荷载增加，弱层与正断层复合作用下边坡稳定性急剧下降，为了保障矿山安全生产，应及时清理搬迁坡顶50 m 范围内建构筑物及无关设备。

2）削坡减重。及时对上覆岩体进行削坡减重，同时降低整体边坡角，是保证边坡整体稳定的关键。

3）边坡加固。对含有弱层且倾角过大的边坡增设抗滑桩、锚杆等加固设施，以提高局部边坡稳定性。

4）监测措施。对弱层控制区域内的边坡进行实时变形监测，及时采取相应的防治措施，确保工作人员生命财产安全。

5）降水措施。为防止地下水对弱层的软化，将水位线降至弱层以下，减小软化风险，确保整体边坡安全稳定。

弱层与断层的相对空间位置关系、弱层性质是该类边坡灾变演化的主要控制因素。当弱层与正断层相交，因断层破坏弱层的连续性且坡角岩体强度增大等因素，边坡稳定性有所提升，说明此时正断层对滑坡有抑滑作用。当弱层厚度增加，强度降低时，边坡稳定性呈逐渐降低趋势，直至破坏。当弱层倾角变大，边坡稳定性随之逐渐降低，最大位移量随上部覆岩荷载减小而减小。改善弱层与正断层复合作用下边坡稳定性的关键主要是提高弱层强度，减小坡体上部荷载。