露天矿高陡边坡变形失稳机理及防治措施

吕 游

（神华准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着露天煤矿生产规模不断扩大，在矿区范围内为了开采更多的煤炭资源，提高经济效益，矿方多采用靠帮开采，导致并段台阶增多，同时此类边坡的暴露高度及维持时间也在不断增加，边坡安全隐患日益凸显，如何科学有效地分析评价以及保障露天开采过程中并段台阶边坡的稳定性，是矿山企业和相关学者关心、重视的课题[1-2]。通过相似材料模拟试验和数值模拟相结合的手段对高陡边坡围岩的位移及破裂发生及发展过程进行研究，结果表明：高陡边坡围岩的破坏随着开采深度的增加，破坏程度逐渐增大，并在坡脚处有明显的应力集中现象[3-6]。蔡美峰等[7]利用有限差分法对露天矿高陡边坡稳定性固-流耦合分析，得出地下水的存在，弱化了岩体强度，降低了边坡的稳定性。

为此，以某露天矿北帮变形区域边坡为研究对象，对变形区域的边坡变形破坏机理及稳定性问题进行深入研究，为制定合理的边坡防治措施提供参考。

1.1 工程地质特征

该研究区域位于宁武煤田北端，沉积层厚度较小，新生界地层覆盖了地表大部分区域，属于典型黄土丘陵地貌。在本区内的煤系地层主要是石炭系和二叠系地层，其中石炭系中统本溪组含薄煤1～2层，厚度一般小于0.5m，含煤地层主要是上统太原组，所含煤层7 层，主要可采煤层有4＃、9＃、11＃等，本组煤层平均厚度39.8m 含煤系数42.5%，二叠系下统山西组共含有2～3 层薄煤层，全部为不稳定煤层[8]。各岩层岩土体物理力学指标见表1，变形区域典型工程地质模型如图1。

表1 岩土体物理力学性质指标值

图1 变形区域典型工程地质剖面图

1.2 边坡稳定性计算方法

极限平衡法是当前边坡稳定性分析的常用方法，其具有计算模型简单、计算参数量化准确、计算结果直接实用的特点。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化计算方法，诸如瑞典法、毕肖普法和陆军工程师团法等，不同的计算方法，其力学机理与适用条件均有所不同。为此，稳定计算采用摩根斯坦-普拉斯法（Morgenstern-Price）来确定变形区域边坡的稳定性系数[9-10]，采用Flac3D数值模拟研究分析片帮区域边坡变形位移规律及破坏模式[11-13]。

2.1 边坡变形失稳机理

1）剖面模型构建。结合研究区域边坡变形和地貌特征，选取的典型剖面构建分析模型如图2。模型沿边坡倾向长度为671 m，垂直高度最大为338 m，模型的前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后边界以y 方向位移约束，模型左、右边界以x 方向位移约束，模型的底部边界以z 方向位移约束，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。

图2 变形区域典型剖面分析模型图

2）数值模拟结果。数值模拟结果分析图如图3。由图3 可以看出：在标高1 265～1 320 m 水平并段台阶、标高1 320～1 350 m 水平台阶（砂泥岩互层）出现明显的变形，存在潜在滑动面，速度矢量图显示该区域坡体有朝向临空面滑动的趋势；
变形集中区域在松散层和砂泥岩台阶，即标高1 400～1 425 m水平、1 320～1 352 m 水平、1 265～1 320 m 水平范围内；
由边坡剪切应变增量云图可知，由于松散层组台阶边坡角已达61°且受该区域红黏土自身液塑限高，孔隙率大的特性的影响，导致标高1 400～1 425 m 水平组合台阶坡脚处应力集中程度明显；
同时1 320 m 水平平盘上部台阶坡面节理裂隙发育，存在多处优势结构面（坡面角72°），致使该区域应力集中，水平最大位移量为6.59×10-2m，竖向最大沉降量达5.99×10-2m；
由于4＃煤靠帮开采，致使1 265～1 320 m 水平多级台阶并段，坡顶岩体存在局部滑塌的可能，朝向临空面位移在5.00～6.59×10-2m 范围。

图3 数值模拟结果分析图

结合现场的实际工况，塑性区域破坏的范围主要集中在松散层及砂泥岩层图3（d），而松散层中塑性区域比较集中的主要原因是1 400 m 水平平盘上部存在红黏土、坡面角偏大（61°）等因素所致；
1 320～1 350 m 水平坡面台阶存在多处优势结构面、节理裂隙发育，受外力爆破震动等多重内外因素的影响使其抗剪强度降低，该区域边坡松动滑动面呈圆弧形，正常情况下，北帮标高1 265～1 425 m 边坡发生整体失稳的可能性较小，边坡的变形破坏模式为单台阶或并段台阶沿不良结构面朝向临空面发生局部滑塌、崩塌破坏。

2.2 边坡稳定性

本次边坡稳定性验算选取1 个研究剖面，经过综合分析，研究剖面现状边坡稳定情况如下：

1）松散层台阶。标高1 400～1 425 m（松散层多台阶、标高1 375～1 400 m 松散层多台阶边坡稳定性系数分别为1.04、1.08，存在一定风险；
标高1 363～1 375 m 松散层多台阶边坡稳定性系数为1.23，稳定状态为稳定。

2）砂质泥岩层台阶。标高1 320～1 352 m 砂质泥岩层多台阶边坡稳定性系数为0.98，边坡失稳，发生滑坡；
标高1 352～1 375 m 砂质泥岩层多台阶、标高1 352 m 砂质泥岩层单台阶、标高1 265～1 320 m煤岩多台阶、边坡稳定性系数分别是1.30、1.25、1.03。安全系数偏小的主要原因为：①下部爆破作业，扰动该区域坡面岩体原有稳定状态；
②边坡顺倾，加之岩体自身节理裂隙发育，在该区域存有多组优势结构面；
③近期受降水影响，雨水进一步弱化岩土体强度，且该区域单台阶坡面角偏大62.02°（组合台阶高度32 m），下部1 265～1 320 m 水平由于前期靠帮开采，致使多级台阶并段，高度约为55 m，台阶坡面角58.28°。

3）整体。整体边坡稳定性系数为1.32，符合规范要求，边坡整体稳定。研究剖面整体坡面角分别为29.88°，正常情况下发生整体失稳的可能较小；
但考虑到雨季降水、岩体自身结构特性以及爆破震动的影响，存在局部滑塌或垮塌的可能。

为预防雨季降水进一步降低坡体强度，破坏边坡稳定性，影响安全高效生产，建议将标高1 320～1 375 m 所在台阶进行削坡扩帮，并在该区域布设GNSS 监测站，时时监测1 260～1 375 m 水平各级台阶边坡的位移变形。针对1 320～1 350 m 水平坡体发生的片帮问题，提出削坡扩帮的边坡治理措施，即通过对下滑段采取削坡处理，达到减小该区域岩体边坡单台阶坡面角和减载的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，从而抑制坡体下滑。通过放缓边坡消除剪出口的不平衡推力，使该滑坡的抗滑力与下滑力的比值，即该边坡的安全稳定系数大于安全储备系数，从而使其在设计工况下处于稳定状态。具体方案如下：

1）标高1 375 m 外包车道外侧约有11 m 宽左右土方，将该区域土方以及滑坡造成在1320 平盘坡脚处堆积的物料进行清理，1320 平盘向北侧扩帮5 m，1352 平盘向北扩帮10 m，在保证极限平衡状态下，实现最大限度扩帮。该方案既解决了1320 平盘及上部各级平盘空间不足问题，也保证了坡体的稳定。

2）在1320 平盘扩帮5 m 的基础上，对该区域坡体进行削坡处理，当标高1 320～1 350 m 水平滑坡段不同台阶坡面角为55.49°时，1 320～1 350 m 水平坡体稳定性系数为1.21，大于安全储备系数1.20。

3）对1 260～1 375 m 水平片帮区高陡边坡各级台阶进行GNSS 边坡地表位移实时监测。具体为：在1265 平盘、1305 平盘、1320 平盘、1352 平盘、1363 平盘和1375 平盘分别布置1 个GNSS 边坡地表位移监测站，共6 个监测站，各监测站形成1 条完整地表位移监测线，并形成自动化监测系统。通过自动化监测系统设置经验警戒值实时监控边坡的稳定状态。

1）基于片帮区域边坡工程地质与现场条件，建立工程地质模型，采用数值模拟分析的方法研究了片帮区域边坡的变形失稳机理，探明边坡变形模式。

2）提出削坡扩帮治理方案，即在1 320～1 375 m水平平盘片帮区进行清方和向北削坡扩帮，实现边坡稳定。