某露天礦南端幫邊坡穩定性分析及治理措施

陳亞飛，紀玉石，韓 猛

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

某礦南端幫邊坡自2015年以來曾多次發生滑坡或片幫現象，截止到2017年9月,在原有滑坡的基礎上，滑坡后緣向南延伸了25 m，地表出現了眾多平行于滑坡后緣邊界線的裂縫，裂縫寬度0.5～10 cm不等，裂縫逐漸接近剝離生活區，滑體東西寬約150 m。該礦南端幫地表標高為+653 m,原滑體前緣578平盤裂縫寬度達0.5～1.0 m，數量眾多，平盤出現嚴重底鼓與隆起現象，且滑體前緣底鼓與隆起位置向前移動了約60 m，至566水平，滑體有進一步向前滑動的趨勢，現已影響到南端幫巖土剝離工作，后續將嚴重影響南端幫下部煤層開采工作。因此，對南端幫進行綜合治理已迫在眉睫。

1 地質條件概況

礦區全部被第四系地層所覆蓋，區內發育的地層自上而下有：新生界第四系海拉爾組（Qh）、伊敏組（K1ym）、大磨拐河組（K1d）、甘河組（K1gh）、中生界白堊系下統的龍江組（K1lj）。研究地層主要涉及新生界第四系海拉爾組（Qh）和伊敏組（K1ym）2組地層。

1）新生界第四系海拉爾組（Qh）。上部為腐植土、風成砂，下部為礫石、黏土及亞黏土,該組地層厚度為18.8～61.0 m,平均29.4 m，與下伏伊敏組地層呈不整合接觸。

2）中生界白堊系下統伊敏組（K1ym）。本組地層為一套粗碎屑巖夾特厚煤層沉積的含煤地層，地層厚度為230.0～280.0 m,平均250.0 m，與大磨拐河組地層呈整合接觸。該組地層由泥巖、碳質泥巖、粗砂巖、細砂巖、粉砂巖和煤層組成。可采煤層為9煤和10煤，9煤層是本區的主采煤層，埋藏深度最小22.0 m，最大270.0 m，煤層可采厚度最小5.10 m，最大50.94 m，平均31.94 m。10煤層埋藏深度最小22.0 m，最大280.39 m，煤層可采厚度最小0.40 m，最大7.28 m，平均2.01 m。

2 巖土物理力學參數

該礦影響邊坡穩定的不利地質因素較多，而關于南端幫的專向地質資料有限，因此在南端幫滑坡區域新增1條勘探線，4個鉆孔，從南至北依次為ND17-1、ND17-2、ND17-3、ND17-4，用以查清軟弱層位置、厚度、不良地質構造、滑坡參數等。根據本次滑坡區補充地質勘察所得試驗成果、以往巖石物理力學性質試驗成果及巖石-巖體折減結果，同時參考以往地質資料，結合滑坡反分析所確定的弱層指標。巖土體物理力學指標見表1。

表1 巖土體物理力學推薦指標

3 南端幫邊坡穩定性評價

極限平衡法又稱條分法，常用于邊坡穩定性評價當中，該方法主要具備計算模型簡單易懂、計算參數相對固定、計算結果物理意義明確等特點。該方法主要思想是假設潛在的滑動破壞面，并將滑體劃分為若干條塊，通過對每個條塊建立靜力平衡方程來建立整個滑體的平衡方程，并將潛在滑面上的抗剪力與剪切力之比作為潛在滑體的穩定性系數。隨著極限平衡法的發展，出現了很多更為簡化的方法，例如 Bishop法、Ordinary法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-price法、Sarma法、不平衡推力法和傳遞系數法等[1]。本次穩定性計算采用Morgensternprice法來求解邊坡的安全穩定性系數[2]，該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件來消除計算方法的誤差，使得計算結果更加精確。

本次南端幫邊坡安全儲備系數的確定主要按照《煤炭工業露天礦設計規范》之有關規定，邊坡穩定系數Fs見表2。依據對研究區域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，以及邊坡穩定性對露天礦生產的重要程度，確定南端幫邊坡安全儲備系數為1.1[3]。

表2 邊坡穩定系數Fs

本次在南端幫共建立剖面15和剖面16進行現狀邊坡穩定性分析計算。剖面15和剖面16地形剖面圖及穩定計算結果如圖1～圖5。

圖1 剖面15滑坡后地形剖面圖

圖2 剖面15現狀邊坡滑體沿滑面繼續下滑穩定計算結果

圖3 剖面15現狀邊坡滑體后緣后擴并沿弱層下滑穩定計算結果

經計算剖面15區域現狀邊坡滑體沿滑面繼續持續下滑的穩定系數為1.023，滑體后緣后擴并沿弱層剪出時的穩定系數為1.029，邊坡穩定性處于臨界狀態。經計算剖面16區域現狀邊坡穩定性系數為0.995，潛在剪出位置為602水平，邊坡處于不穩定狀態。

圖4 剖面16地質剖面圖

圖5 剖面16現狀邊坡穩定計算結果

通過對剖面15和剖面16進行穩定性分析計算，得出剖面15區域邊坡處于臨界狀態，剖面16區域邊坡處于不穩定狀態。

4 南端幫邊坡治理措施

通過前面的穩定性分析，得出該礦南端幫邊坡穩定系數不能滿足安全儲備要求，因此需采取必要的邊坡治理措施，以防止邊坡滑坡范圍持續擴大，并保證后續剝離及開采工作人員、設備安全。建議南端幫邊坡治理措施應以削坡減載、清理滑體、調整邊坡參數為主，同時輔以地下水防治措施及邊坡監測措施[4-9]。

4.1 削坡減載和清理滑體及調整邊坡參數措施

由于南外排距南端幫最近距離為542 m，因此在擴幫的同時應考慮南端幫與南外排的安全距離。選剖面15為計算剖面，以2018年設計邊坡坡腳為基準。當邊坡角為15°時，須要向南擴幫131 m，此時邊坡穩定性系數為0.675。當邊坡角為14°時，需向南擴幫166 m，此時邊坡穩定性系數為0.708。當邊坡角為13°時，需向南擴幫205 m，此時邊坡穩定性系數為0.739。當邊坡角為12°時，需向南擴幫254 m，此時邊坡穩定性系數為1.103。當邊坡角為11°時，須向南擴幫317 m，此時邊坡穩定性系數為1.274。坡角-穩定系數關系表見表3。

根據邊坡角與穩定性關系可以看出在坡角從13°到12°變化期間，穩定系數發生非線性變化，這是因為此時邊坡上部滑體基本清理干凈，滑坡模式從大于13°時以滑體松散物滑動為主轉化為沿深部弱層滑動為主，因此在該處產生明顯的拐點。為保證擴幫后南外排土場-采場復合邊坡穩定性，同時以盡量減少擴幫工程量為出發點，推薦采用滑體全部清理、以12°（邊坡穩定性系數Fs=1.1）作為現階段邊坡參數調整方案。

表3 坡角-穩定系數關系表

4.2 防排水措施

通過不同含水率試驗可知，隨著含水率的增大，巖石的抗剪強度急劇降低，尤其是對黏聚力的影響更為明顯。南端幫第四系邊坡為主要持水邊坡，砂土礫石層為主要含水層，礫石層下方黏土層為主要隔水層，同時也是潛在弱層，當黏土層在地下水長期滯留浸泡作用下，黏土層強度勢必降低，對邊坡穩定較為不利，本次地質調查發現南端幫出水位置主要在砂土礫石層與黏土層交界處，南端幫最初滑坡也是沿著該層，因此第四系潛水對邊坡穩定的影響必須加以重視。

1）地表水處理。露天礦南端幫地面區域總體地勢較低，極易造成匯水滯留，地質調查時發現南端幫地面有匯水存在。地面匯水對南端幫第四系邊坡穩定極為不利，建議采用疏水明渠或積水坑的方式，及時進行地面匯水疏排。

2）滑坡區防水措施。建議在滑坡區周圍設置防水圍堰，防止地面匯水沿裂縫滲入地下,活化滑面及弱層。同時，一旦發現滑體內有地下水滲出必須立即疏排，嚴禁水體在滑體前緣滯留。

3）地下水疏干。通過補充地質調查發現，南端幫涌水主要來自風成砂層和第四系地層交界處。因此，建議針對南端幫風成砂層的潛水進行疏干，以提高南端幫四系層巖體力學強度。

4.3 邊坡監測

南端幫現狀邊坡處于不穩定狀態，既存在既有滑體持續下滑風險，又存在滑坡范圍擴大風險，因此在后續剝離尤其擴幫清理滑體過程中，必須保證在邊坡實時監測條件下進行，防止災害性滑坡發生。綜合考慮南端幫工程地質條件差、滑坡災害頻發、與南外排土場最終形成約330 m高大復合邊坡的客觀現實，其邊坡監測必須滿足“全覆蓋”、“面監測”、“實時預警”等要求，結合目前國內邊坡監測領域各類技術的優缺點及適用條件，建議采用MSR邊坡雷達監測預警系統作為邊坡監測主要措施[10-11]。

5 結語

研究區域地層自上而下由腐植土、風成砂，礫石、黏土及亞黏土，泥巖、碳質泥巖、粗砂巖、細砂巖、粉砂巖和煤層組成。綜合推薦巖土體弱層指標為：第四系弱層黏聚力C=8.8～11.3 kPa,內摩擦角φ=10.1°～11.2°, 密度 ρ=1.78 t/m3。泥巖弱層 C=9.5～12.7 kPa，φ=7.9°～9.4°，ρ=17.8 t/m3。通過穩定性分析計算，得出剖面15區域邊坡處于臨界狀態，剖面16區域邊坡處于不穩定狀態。南端幫邊坡治理措施應以削坡減載、清理滑體、調整邊坡參數為主，同時輔以防排水措施及邊坡監測措施。