弱化后粗粒巖土力學特性及其對邊坡穩定性的影響研究

費曉歐，繆海賓，王慶花，馬明康，趙 賀

（1.遼寧石油化工大學 礦業工程學院，遼寧 撫順113001；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）

某露天礦于1975 年開始露天采礦，1992 年停產，后根據需求恢復生產，恢復生產前采坑內全部積水，水位標高1 398 m。經過將近1 億m3的積水抽排后，礦坑邊坡大面積出露，南幫邊坡整體高度達到140 m，西幫邊坡高度達到150 m。該礦區原始地層巖性較復雜，產狀變化大，巖石風化作用、巖溶作用強烈，松散軟弱層厚度大。露天礦邊坡在經過水的長期浸泡作用后，其巖土體強度已遭受一定程度上的損傷；經過積水抽排及后期風化作用，其巖土體強度進一步弱化。受水的軟化及長期風化影響，在抽水后礦區邊坡出現較為明顯的局部失穩破壞，發生局部片幫和塊石滾落現象。為防止露天礦邊坡發生大面積滑坡現象，需探清水及風化對礦區邊坡巖土體物理力學性質的影響作用。為此采用SZ30-4D 型三軸剪切試驗機對風化松散層進行剪切試驗，結合已滑坡區域滑坡反分析結果，綜合確定研究區域巖土體物理力學性質指標，為露天礦邊坡穩定評價及參數優化提供科學依據[1-4]。

1 松散體大三軸剪切試驗及結果

1.1 試驗方法

由于礦區邊坡巖土長期受水及風化影響，采用傳統的四聯剪切及單軸抗壓等試驗已無法充分體現邊坡巖土的實際力學特性，為此，采用松散體大三軸直剪試驗對對廣泛分布于礦區邊坡的砂礫土、松散泥巖及二者混合物進行試驗[5-6]。大三軸剪切試驗是測定松散巖土抗剪強度的一種方法，它通常用3～4 個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，對試樣進行剪切直至破壞；而后根據莫爾-庫倫破壞準則，求得巖土體抗剪強度、黏聚力和內摩擦角等相關力學參數。為得到更加真實的試驗指標，本次試驗采用的是固結不排水剪（CU）[7-8]。

大三軸直剪試驗采用SZ30-4D 型三軸剪切試驗機，其適用于測定軸向應力不大于17 MPa、周圍壓力不大于3.0 MPa 的粗粒土巖抗剪強度及其變形特性。該儀器能進行軸向應力、應變、周圍壓力、孔隙壓力、試樣體積變化和固結排水量等參數的測試。設備采用油壓方式完成軸向應力加載，對試樣的周圍壓力采用液壓比例閥施加，反壓力采用氣壓平衡施加。儀器另配有水頭壓力、真空抽氣、反壓力等3 種不同的方式對試樣進行飽和。試樣尺寸為φ×h=300 mm×600 mm，每3 個樣為1 組。

1.2 試驗結果

結合礦區巖土體的松散特性，本次試驗分別就砂礫土、松散泥巖及二者混合樣進行了大三軸剪切試驗。砂礫土大三軸剪切試驗結果如圖1，泥巖大三軸剪切試驗結果如圖2，砂礫土-泥巖混合樣大三軸剪切試驗結果如圖3。

圖1（a）、圖2（a）、圖3（a）分別為3 組試樣主應力差與軸向應變之間關系曲線，相關系數R 分別為0.98、0.97、0.92，相關性較高，說明試驗結果可靠。圖1（b）、圖2（b）、圖3（b）分別為3 組試樣摩爾圓強度包絡線，受水浸泡及風化前后礦區巖土體力學特性對比結果見表1。

圖1 砂礫土大三軸剪切試驗結果Fig.1 Triaxial shear test results of gravel soil

圖2 泥巖大三軸剪切試驗結果Fig.2 Triaxial shear test results of mudstone

圖3 砂礫土-泥巖混合樣大三軸剪切試驗結果Fig.3 Triaxial shear test results of gravel soil and mudstone mix sample

表1 抗剪強度對比結果Table 1 Comparison results of Shear Strength

從對比結果可知，該礦砂礫土及泥巖層組抗剪強度急劇弱化，在受長期受水浸泡及風化后，邊坡砂礫土的抗剪強度和內摩擦角由8 kPa 和23.2°降低為7.4 kPa 和18.8°，泥巖的抗剪強度和內摩擦角由136 kPa 和27.3°降低為7.8 kPa 和20.7°，砂礫土黏聚力降低80.5%、內摩擦角降低19.0%，泥巖黏聚力降低94.3%、內摩擦角降低24.1%，結果表明水及風化對邊坡整體穩定性構成極其不利的影響，且對黏聚力的影響要大于對內摩擦角的影響。

2 滑坡反分析

滑坡的產生相當于一次大型巖體的剪切原位試驗，它是采礦和地質綜合作用的結果。因此，利用滑坡反分析得到的巖體抗剪強度往往更具代表性[9-11]。根據地質資料分析及調查結果發現，礦區風化層厚度一般為60～100 m，最大可達120～130 m，礦區曾發生過較大的滑坡現象，滑坡剖面設為FS-1 剖面和FS-2 剖面，滑坡層位均發生在風化層中。FS-1 剖面滑坡前后對比圖如圖4，FS-2 剖面滑坡前后對比圖如圖5。在進行滑坡反分析時，邊坡處于極限平衡狀態，此時邊坡穩定系數取為1.0。

圖4 FS-1 剖面滑坡前后對比圖Fig.4 Comparison of section FS-1 before and after landslide

FS-1 及FS-2 2 個剖面滑坡反分析結果顯示砂礫土抗剪強度和內摩擦角為7.2 kPa 和19.0°，泥巖抗剪強度抗剪強度和內摩擦角為8.1 kPa 和21.1°，與弱化后砂礫土及泥巖試驗結果相近，證明試驗及滑坡反分析結果是可靠的，可作為該礦研究區域邊坡穩定性評價依據。

圖5 FS-2 剖面滑坡前后對比圖Fig.5 Comparison of section FS-2 before and after landslide

3 邊坡穩定性影響

露天礦的邊坡工程實踐表明，露天礦邊坡具有以下特點：①工程的時效性:邊坡大多屬于臨時性邊坡，服務年限長短不一，只要能保證相應期間的生產與安全即可，邊坡工程的時效性決定了其穩定性也具有時效性;②邊坡的可變形性:可以允許產生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產即可，確保露天采礦能取得最大技術經濟效益的;③邊坡工程的動態穩定性:露天礦自始至終處于復雜的動態開挖、回填過程之中，邊坡穩定是一個動態穩定的過程;④邊坡穩定性認識的階段性:隨著露天礦開采，對礦山工程地質條件的認識不斷的深化，邊坡穩定性評價的認知也具有階段性，是與露天礦生產不同階段相適應。

根據GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范之有關規定[12]，結合研究區邊坡工程地質水文地質條件的勘察程度、巖土體力學性質的掌握情況、采礦活動影響、邊坡的服務年限和邊坡類型等綜合分析，永久邊坡的安全儲備系數Fs=1.3。同時，為了考慮到全部平衡條件與邊界條件，消除計算方法上的誤差，本次邊坡穩定計算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定礦坑現狀邊坡的安全系數，礦坑現狀邊坡穩定性計算結果見表2。

露天礦的現狀邊坡穩定性計算結果顯示：①DW-1 剖面及DS-1 剖面穩定系數大于1.3，作為永久邊坡，其穩定系數滿足安全儲備要求；②DW-2 剖面和MS-3 剖面，穩定系數分別為1.203 和1.205，均不滿足安全儲備要求, 根據地質資料分析，DW-2剖面2 處相距150 m 的鉆孔資料顯示均存在1 層厚約2 m 的泥巖弱層，長期受水浸泡及后期風化后，可認為該剖面弱層已貫通，易形成沿該弱層滑動的整體滑坡；MS-3 剖面所在區域風化強度大、裂隙發育、風化厚度深（約150 m），是穩定系數不足的主要原因。

表2 礦坑現狀邊坡穩定性計算結果Table 2 Slope stability results in current pit condition

4 結 語

長期停產后復采的露天礦邊坡受水浸泡、風化等因素影響，極易出現局部邊坡失穩破壞；采用大三軸剪切儀分別對砂礫土、泥巖及兩者混合樣進行了試驗，試驗結果顯示砂礫土黏聚力降低80.5%、內摩擦角降低19.0%，泥巖黏聚力降低94.3%、內摩擦角降低24.1%，不利于邊坡的穩定；對露天礦滑坡區域進行了滑坡反分析，反分析結果與試驗結果吻合，認為試驗結果是可靠的；對露天礦現狀邊坡進行了穩定分析，由于長期受水及風化影響，邊坡內部弱層貫通，極易形成沿弱層滑動的整體滑坡，穩定性不足。