安家嶺礦北幫滑坡區深部邊坡穩定性分析與評價*

王振偉，郝 哲，尚文凱，秦建明

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院， 遼寧阜新市 123000;2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧沈陽110013;3.中煤平朔煤業有限責任公司安家嶺露天煤礦， 山西朔州市 036006)

安家嶺礦北幫滑坡區深部邊坡穩定性分析與評價*

王振偉1，郝 哲2，尚文凱3，秦建明3

(1.遼寧工程技術大學力學與工程學院， 遼寧阜新市 123000;2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧沈陽110013;3.中煤平朔煤業有限責任公司安家嶺露天煤礦， 山西朔州市 036006)

針對安家嶺礦北幫滑坡區深部邊坡現狀，開展工程地質調查，建立了相應地質模型，針對3個代表性剖面開展了現狀邊坡和設計邊坡的穩定計算，對其穩定性進行了分析與評價;并據此提出相應的變形破壞防治措施和建議，為現場安全生產提供重要參考。

深部邊坡;滑坡;穩定性分析;安全系數;防治措施

0 前言

安家嶺露天煤炭有限公司露天礦位于山西省朔州市北部，南距太原市約250 km，北距大同市約145 km。滑坡區位于安家嶺露天礦礦坑北側，由于采礦作用及地形規整，形成臺階狀坡體，邊坡由采掘臺階組成，滑坡后原有平盤遭到破壞，其下部有陷落柱存在。滑體長287 m、寬315 m，面積57000 m2，滑體涉及1300 ～1375 平盤，致使北幫 1330，1345，1360，1375平盤運輸通道被毀。

安家嶺露天礦北幫陷落柱區域的煤層開采計劃繞過陷落柱，該處地質條件極其復雜，巖層破壞嚴重，并且上部為北幫滑坡區，下部有井工礦巷道。因此，北幫滑坡區邊坡極其敏感，加之下部的開挖將導致整體邊坡下部支撐力減小，臨空面積變大，可能誘發滑坡體發生變形乃至發生再次滑坡。則按照開采計劃的邊坡能否滿足安全生產要求、開采參數如何確定都是急須解決的問題，也是關系到整個露天礦安全生產的重大問題。開展“安家嶺礦北幫滑坡區深部邊坡穩定性分析與評價”工作對現場安全、有序生產具有重要的指導意義。

1 工程地質模型

1.1 工程地質調查

安家嶺礦北幫賦存地層主要有第四系黃土、第三系紅土和基巖石炭系。第四系黃土中有粉土層、粉質粘土層和粘土層;第三系紅土層組為局部分布;石炭系基巖中有泥巖層、砂巖層和煤層。基巖頂板總體產狀為傾向南東，傾角變化較大，基巖巖層產狀傾向南東，傾角3°～5°。區內受構造影響(陷落柱)高角度斷層發育，縱橫交錯，并伴有含水空洞，使巖體強度大幅度降低。通過野外節理裂隙調查，北端幫邊坡巖體節理、裂隙發育。統計結果表明，頻度接近的優勢節理有4組，優勢節理的平均間距為3.5條/m。

北幫邊坡巖土體大體可以劃分為第四系潛水含水單元和基巖裂隙含水單元。第四系潛水含水單元的粉土層組具大孔隙，成為相對含水層組，其滲透系數為(1.2 ～2.0) ×10－5m/s，邊坡坡面未見出水點。基巖裂隙含水單元為地下水富集提供了較好的物理條件，從物探資料可以看出邊坡巖體內有大量地下水富集點及含水空洞。

1.2 巖土物理力學性質綜合指標

通過分析、整理試驗資料，得到安家嶺礦北端幫滑坡區巖土體物理力學性質指標見表1。

表1 安家嶺礦北幫滑坡區巖土物理力學性質指標

2 邊坡穩定性分析

2.1 穩定分析方法及安全系數確定

極限平衡法是當前邊坡穩定性分析的常用方法，具有計算模型簡單、計算參數量化準確、計算結果直截實用的特點。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法其力學機理與適用條件均有所不同。隨著計算機的發展，又出現了一些求解步驟更為嚴格的方法，如Morgenstern－Price法、Spencer法等。本文采用Morgenstern－Price法來確定邊坡安全系數，該法的特點是考慮全部平衡條件與邊界條件，可消除計算方法上的誤差，并對Janbu推導出來的近似解法提供了更加精確的解答，對方程式的求解采用微增量法，滑面的形狀為任意的，安全系數采用力平衡法。

安全儲備系數的確定按照“煤炭工業露天礦設計規范”(GB50197－2005)有關規定，依據對滑坡區工程地質條件的認識程度和對所收集到的資料的掌握程度，并考慮到研究區域邊坡的存留時間(＜10 a)及內排土場的建設速度等因素，選取安全儲備系數為 1.2。

2.2 邊坡穩定計算

根據安家嶺露天礦北端幫滑坡區范圍及周邊地質條件，選取3個工程地質剖面作為本次邊坡穩定計算剖面，即BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面。邊坡穩定性計算與分析所采用的巖土物理力學性質指標見表1。

(1)BH1剖面穩定性計算結果。BH1剖面現狀邊坡和設計邊坡穩定系數分別為1.252和1.220，其滑面位置如圖1、圖2所示。

圖1 BH1剖面現狀邊坡穩定計算結果

圖2 BH1剖面考慮陷落柱設計邊坡穩定計算結果

(2)BH3剖面穩定計算結果。BH3剖面現狀邊坡和設計邊坡穩定系數分別為1.301和1.259，其滑面位置如圖3、圖4所示。

圖3 BH3剖面現狀邊坡穩定計算結果

圖4 BH3剖面設計邊坡穩定計算結果

(3)BH4剖面穩定計算結果。BH4剖面現狀邊坡和設計邊坡穩定系數分別為1.281和1.105，其滑面位置如圖5、圖6所示。

圖5 BH4剖面現狀邊坡穩定計算結果

圖6 BH4剖面設計邊坡穩定計算結果

可見，現狀邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩定系數分別為:1.252、1.301 和1.281，滿足安全儲備系數1.2的要求。計算結果表明，安家嶺露天礦北幫滑坡區深部現狀邊坡是穩定的。

設計邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩定系數分別為:1.220，1.259 和 1.105。計算結果表明，BH4剖面設計邊坡的安全儲備系數不足。

3 邊坡變形破壞防治措施研究

通過前面分析可知，隨著開采深度增加，邊坡臨空面積增大，上部滑坡體支撐力減小，易造成上部滑坡體的復滑，因此保證北幫滑坡區深部邊坡的穩定是非常重要的。擬定防治邊坡變形破壞的主要工程技術措施如下:

(1)通過對研究區域邊坡的穩定計算，BH4剖面設計邊坡的穩定系數僅為1.105，不滿足安全儲備系數的要求，因此對其邊坡輪廓進行調整，對圖7中所示的3個平盤向后擴10 m。

圖7 BH4剖面邊坡調整方案

邊坡輪廓調整后的穩定性計算結果見圖8，其穩定系數Fs=1.229，滿足安全儲備系數1.2的要求。但是此處的擴幫工程施工難度較大，根據穩定性計算結果，該處邊坡短時間內出現滑坡災害的可能性不大，因此，建議加快此處內排跟進速度，對其進行壓腳處理。

圖8 BH4剖面邊坡輪廓調整后穩定計算結果

(2)由于陷落柱的存在，下部邊坡巖體賦存規律發生變化，且巖體強度較低，為了保證其對上部邊坡有足夠的支撐力，應嚴格按照邊坡設計方案，控制下部邊坡的邊坡角及整體邊坡角。

(3)做好疏干排水工程。通過以往對北幫滑坡區的地質勘查，滑坡體內存在風化泥巖層，該層為軟弱結構面，水是影響弱層強度的主要因素，因此要加強北幫滑坡區及周邊的排水疏干工程，避免大氣降水、地表水入滲到滑坡體內，以提高弱層強度。

(4)加強邊坡維護。由于研究區域曾發生過滑坡，造成滑體巖土體嚴重破碎、強度降低，隨著滑體的不斷密實、固結，在其上部平盤可能會出現大量的地表裂縫或拉張裂縫，這為降雨入滲提供了條件，因此一旦發生地表沉陷與裂縫時要及時回填壓實，避免大氣降水及地表水通過裂縫大量滲入邊坡體中。

(5)由于北幫下部有井工礦的開采活動，將導致露天礦邊坡的變形與破壞，在井采影響域內邊坡體發生沉陷，并在邊坡上部形成沉陷帶，因此需加強井采影響域內邊坡體的監測與維護。

(6)對北幫滑坡區要建立日常的巡查監測制度，特別是雨季或坡面上出現沉陷裂縫時更要加強巡查監測，一旦發現異常情況(如邊坡有明顯失穩先兆)，及時預警避讓或采取防治工程措施。

4 結論

本文針對安家嶺露天煤礦北幫滑坡區深部邊坡開展了穩定性分析與評價，主要工作和結論如下:

(1)通過對安家嶺露天礦北幫滑坡區工程地質、水文地質資料及以往項目的巖土體試驗研究成果進行收集、歸納、分析，建立了北幫滑坡區深部邊坡工程地質簡化模型。采用巖土體工程地質性質類比的方法，給出了北幫滑坡區深部邊坡穩定性計算與分析所用的巖土體物理力學性質指標的推薦值。

(2)通過對研究區域內的3個典型剖面的穩定性計算，得出如下結果:現狀邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩定系數分別為1.252，1.301 和 1.281，滿足安全儲備系數 1.2 的要求，計算結果表明，安家嶺露天礦北幫滑坡區深部現狀邊坡是穩定的;設計邊坡條件下，BH1剖面和BH3剖面的穩定系數分別為 1.220，1.259 和 1.105，計算結果表明BH4剖面設計邊坡的安全儲備系數不足，因此對此處邊坡輪廓進行了調整，調整后的邊坡穩定系數為1.229，能滿足安全儲備系數1.2的要求。

(3)為保證北幫滑坡區深部邊坡的穩定性，制定了防治邊坡變形破壞的主要工程技術措施。

[1] 黃昌乾，丁恩保.邊坡穩定性評價結果的表達與邊坡穩定判據[J].工程地質學報，1997，(4).

[2] GB50197－2005.煤炭工業露天礦設計規范[S].

[3] 王建國.礦山邊坡巖體力學試驗與巖體、抗剪強度的確定[M].北京:中國科學技術出版社，1993.

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[5] 王振偉，王來貴，王建國，等.弱面控制蠕動邊坡變形機制及滑坡控制技術[J].遼寧工程技術大學學報，2010，29(2).

國家自然科學基金面上項目(50774046).

2011－02－13)

王振偉(1977－)，男，吉林農安人，注冊安全工程師，博士研究生，主要從事巖體力學及邊坡工程方面的研究工作，Email:wangzw627@163.com。