新疆黑山露天煤礦采掘場北幫邊坡失穩模式研究

梁全青 殷秀文 劉尚各

摘要：黑山露天煤礦采掘場北幫邊坡為順向坡，且含有軟弱層，局部穩定性較差，部分臺階邊坡產生了數十厘米的裂縫，局部發生了臺階滑坡。通過對邊坡發生滑動時的臨界參數進行反分析，對黑山煤礦采掘場北幫邊坡的潛在失穩模式開展了研究，為邊坡穩定性評價以及處治方案設計提供依據，結果表明：當邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，邊坡最易發生單一臺階局部失穩;當潛在滑動模式為平面滑動時，邊坡最易發生整體臺階失穩;邊坡發生圓弧滑動的可能性較小，最可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

關鍵字：露天煤礦 軟弱層 邊坡穩定性 失穩模式

一、引言

黑山露天煤礦位于新疆托克遜縣西北約90公里處，北距烏魯木齊市約65公里，東距南疆鐵路魚兒溝車站約55公里。采掘場南北傾向寬度1435～2070 m，東西走向長度1372～1958 m，采掘深度225 m。工作面布置采用“L”型推進方式，南幫、西幫為工作幫，北幫為固定幫。北幫邊坡高度為100 m，臺階高度按10 m設置，幫坡角為15°。礦區采掘場開挖揭露以石炭系、侏羅系以及第四系等地層為主，主要為粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質泥巖以及炭質泥巖等。大多數巖塊表現出錘擊聲不清脆，無回彈，有凹痕，易擊碎等特點。部分巖塊表現出較強的遇水崩解特性[1-2]。

黑山煤礦采掘場各坡面主要為層狀結構邊坡，其穩定性取決于結構面的性質及其空間組合關系，尤其是順向邊坡易通過賦存的軟弱結構面產生滑移[3-5]（如圖1）。

根據地勘報告可知，黑山露天礦內的地層呈向南傾斜的單斜構造，地層產狀走向約95°，傾角13°～25°。北幫邊坡為順向坡，且沿軟弱層發生過區域性滑坡，滑動面主要為一層厚80～100 cm的紅褐色黏性土（如圖2），遇水軟化、泥化現象明顯，抗剪強度急劇降低。

滑坡發生之后，對北幫邊坡軟弱層以上巖土體進行了清理，北幫邊坡整體穩定性有了顯著提高。由于采掘場向西開挖過程中，北幫局部邊坡尤其是西北部邊坡，局部穩定性較差，部分臺階邊坡產生了數十厘米的裂縫，局部發生了臺階滑坡（如圖3）。

對邊坡的變形失穩機制進行分析，找到影響其穩定性的關鍵因素，對邊坡失穩作出正確的評價，進而提出合理的防治措施，保證邊坡的穩定性，是露天煤礦安全開采的關鍵。因此，有必要對黑山煤礦采掘場北幫邊坡的潛在失穩模式開展研究，為安全評價與處治方案設計提供依據。

二、計算模型與參數

黑山煤礦北幫存在滑坡風險的區域由五個臺階構成，邊坡整體滑動危險性大于單一臺階的坡面滑動。對該區域的滑坡穩定性進行參數敏感性分析，可以反算出滑坡在臨滑狀態時巖土體的力學參數，對滑坡穩定性評價起著重要的參考作用[6，7]。

北幫軟弱層存在區域的邊坡可能發生的潛在滑動模式有兩種，一是沿圓弧面滑動，二是沿軟弱層發生平面滑動。選取典型剖面，根據兩種潛在滑動模式建立二維地質概化模型，如圖4所示。本次計算采用Slide軟件進行極限平衡法計算?？梢赃m用于巖質邊坡和土質邊坡的穩定性分析，并且可以計算圓弧或任意形狀的滑動面穩定系數。

對軟弱層滑帶土進行了現場取樣，并分別采用直剪、反復剪和環剪試驗對滑帶土的物理力學性質進行了研究，為邊坡穩定性評價提供可靠的基礎數據。通過直剪和反復剪試驗，滑帶土的黏聚力為18.47 KPa，內摩擦角為22.53°;殘余黏聚力為29.7 KPa，內摩擦角為13.42°。通過環剪試驗，滑帶土黏聚力為48.09 KPa，內摩擦角為23.02°;殘余黏聚力為29.45 KPa，殘余內摩擦角為10.78°。

三、計算結果與分析

（一）圓弧滑動模式

根據黑山煤礦采掘場北幫巖體的原始力學參數，對影響邊坡穩定性的關鍵參數黏聚力、內摩擦角和摩擦系數進行等比例折減。通過試算在不同折減參數情況下邊坡的穩定系數，獲得在穩定系數為1時，對應的邊坡巖體的力學參數。當邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，假設邊坡為均質粗砂巖，通過不斷折減粗砂巖的黏聚力和摩擦系數，獲得邊坡發生臨界滑動時的粗砂巖力學參數與穩定系數關系，如表1所示。

黑山煤礦北幫邊坡在原始巖體參數和臨界滑動狀態（穩定系數為0.999）時的單一臺階和整體臺階穩定系數分別如圖5、圖6所示。從圖中可以發現，單一臺階的穩定系數最小，整體穩定系數次之。因此，在圓弧滑動模式下，邊坡最易發生單一臺階局部失穩。

對表1中的數據進行整理，得到邊坡巖體力學參數與穩定系數的關系如圖7、圖8所示。結果顯示，要使單一臺階邊坡處于臨界滑動狀態，粗砂巖的黏聚力為33.6KPa，內摩擦角為14.13°?？梢?，北幫邊坡發生臨界滑動時對應的力學參數與邊坡原始力學參數差距較大，因此黑山煤礦北幫邊坡在均一的粗砂巖中發生圓弧滑動的可能性較小。

（二）平面滑動模式

當黑山煤礦北幫邊坡潛在滑動模式為平面滑動時，假設邊坡為均質粗砂巖夾軟弱層，通過不斷折減軟弱層的黏聚力、內摩擦角和摩擦系數，獲得邊坡發生臨界滑動時軟弱層的力學參數與穩定系數之間的變化關系，如表2所示。

黑山煤礦北幫邊坡在原始軟弱層力學參數和臨界滑動狀態（穩定系數為0.999）時的單一臺階和整體臺階穩定系數如圖9、圖10所示。從圖中可以發現，整體臺階的穩定系數比單一臺階的穩定系數要小。因此，在平面滑動模式下，北幫邊坡最易發生整體臺階失穩。

將表2中的數據進行整理，得到軟弱層力學參數與穩定系數之間的關系如圖11、圖12所示。結果顯示，要使整體臺階邊坡處于臨界滑動狀態，軟弱層的黏聚力為17 KPa，內摩擦角為9.1°。根據軟弱層的環剪試驗數據，軟弱層的殘余黏聚力29.45KPa，殘余內摩擦角為10.78°?？梢?，根據極限平衡法開展穩定系數反分析所得的軟弱層力學參數與室內試驗測得的力學參數差別不大。因此，北幫斷層影響區域可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

由于北幫軟弱層力學強度較低，且軟弱層為順傾向發育，當弱層下部的巖層被開挖形成臨空面后，受到弱層上覆巖體的自重作用以及臨空面側約束消失的雙重影響，可能在弱層與臨空面交匯處形成剪出口，帶動弱層上覆滑體的后緣形成張裂面，從而產生沿北幫軟弱層作為底滑面的滑動破壞。

四、結論

當采掘場北幫邊坡潛在滑動模式為圓弧滑動時，邊坡最易發生單一臺階局部失穩。

粗砂巖的黏聚力為33.6 KPa，內摩擦角為14.13°，與邊坡發生臨界滑動狀態時對應的力學參數差距較大。因此，北幫邊坡發生圓弧滑動的可能性較小。

當采掘場北幫邊坡潛在滑動模式為平面滑動時，邊坡最易發生整體臺階失穩。

軟弱層的殘余黏聚力為29.45 KPa，殘余內摩擦角為10.78°，發生臨界滑動時的黏聚力為17 KPa，內摩擦角為9.1°。根據反分析所得的軟弱層力學參數與室內試驗測得的力學參數差別不大。因此，北幫邊坡可能的潛在滑動模式為沿軟弱層的平面滑動。

參考文獻：

[1]蔡明祥，韓祿.黑山露天煤礦北排土場增高擴容邊坡穩定性研究[J].露天采礦技術， 2018，33（05）：47-50.

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[3]劉如成.受軟弱層影響的露天礦邊坡復合滑動面優化計算方法[J].露天采礦技術， 2013（02）：27-29.

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