含多層級軟弱互層的露天礦邊坡穩定性優化

張 禹，呂文偉

（國家能源集團中國神華能源股份有限公司哈爾烏素露天煤礦，內蒙古鄂爾多斯 010300）

為開采特定位置的礦產資源，露天礦山往往不可避免的要克服包含軟弱層、斷層等在內的諸多不良地質結構，因此產生過一些典型的滑坡案例。如扎哈淖爾露天煤礦[1]、黑山露天礦西幫[2]、勝利露天煤礦[3]、白音華一號露天煤礦[4]等大型露天礦滑坡事故均是在弱層等因素的作用下發生的。為了減少這類事故的發生，邊坡安全工程領域技術人員已經開展了一系列卓有成效的工作，王東等[5]分析了斷層位置對露天礦順傾層狀邊坡穩定性的影響，基于極限平衡理論，推導出順傾層狀邊坡分條穩定系數表達式；曹蘭柱等[6]對含多弱層的復合邊坡的穩定性規律和破壞機制進行了數值模擬分析，揭示了多弱層對復合邊坡的失穩破壞及穩定性的影響；李曉俊等[7]通過邊坡勘察及室內試驗，查清邊坡的工程地質及水文地質條件，尤其是軟弱層情況，對弱層邊坡進行穩定性分析評價，并提出相應的治理措施。軟弱地層與水、震動、邊坡形態等因素耦合的工程問題復雜多變，是目前邊坡工程領域研究的熱點之一。

1 穩定性層級優化方法

在含有多層級軟弱互層的邊坡體系中，是否發生滑坡取決于2 點：一是弱層力學強度以及其賦存產狀與坡面的空間關系構成；二是弱層上覆巖土體載荷值是否達到弱層產生形變的極限。

對于露天礦邊坡而言，采剝工程發生的挖方量會直接破壞地層原始應力場的平衡狀態，改變軟弱互層承受載荷的分布，甚至會使弱層直接暴露在邊坡臨空面一側，從而誘發采場底部境界鼓起甚至邊坡失穩現象的發生。在采剝工程進行時，技術設計人員很難通過控制弱層力學強度來維持邊坡穩定。但可以利用挖方工作改善弱層承受載荷的情況，實現維持邊坡穩定的目的。故對于含有多層級軟弱互層的邊坡，可按照空間自上而下的順序，逐層優化各級弱層載荷分布，使各層級弱層上的邊坡巖土體達到穩定。

1.1 傳遞系數法

傳遞系數法或稱剩余推力法，是邊坡安全工程領域內廣泛應用的一種滑坡穩定性分析方法。傳遞系數法的一般表達式如式（1）。

式中：Ψi為第i 條塊的推力傳遞系數；Ei為第i條塊的剩余推力，kN；Wi為第i 條塊的質量，kg；αi為第i 條塊的滑面傾角，（°）；φi為第i 條塊的滑面摩擦角，（°）；Ci為第i 條塊的滑面黏聚力，kN；Li為第i條塊的底面長度，m；k 為安全系數。

含有軟弱互層的邊坡巖體發生滑坡，往往是因為弱層巖體在水或震動的影響下強度大幅下降，并在上覆巖體荷載的作用下發生形變，牽引邊坡巖體整體滑動。但在滑動產生前，滑體仍可視為理想的剛塑材料，這與傳遞系數法的基本假設相適應。同時考慮到該法計算的簡便性與適合分析復雜滑動面的特性，選擇該法作為穩定性層級優化方法。

1.2 優化步驟

首先應查明邊坡巖體內軟弱互層的力學指標及賦存形態。然后根據弱層的分布特征將邊坡巖體劃分為多個研究區段，依據安全儲備系數要求，對空間上位置靠上的區段進行穩定性優化，優化后再驗算其對位置相對靠下區段穩定性的影響。如此反復驗算，直至所有區段邊坡巖體穩定性取得最終優化結果。優化步驟如圖1。

2 邊坡穩定性分析

白音華煤田位于大興安嶺以西煤盆地范圍內，所處區域地層巖性相對復雜，常見有強親水性、較高黏塑性的軟弱互層賦存，是這一區域內露天煤礦地質災害頻發的主要誘因，具有典型的研究價值。以白音華4#露天煤礦某一工程時期產生滑坡后的東幫邊坡為研究對象，應用穩定性層級優化方法研究。幫典型剖面地層分布如圖2。

圖1 優化步驟

圖2 典型剖面地層分布圖

2.1 邊坡地質條件

邊坡自下而上由下白堊統白音華組（K1b）、第三系（N）、第四系（Q）地層以及地表排棄物料組成。其中下白堊統白音華組以煤、泥巖、中粗砂巖、細砂巖為主，賦存有5 個軟弱層。第三系由碎屑巖、砂礫巖、泥巖、黏土組成，賦存有1 個軟弱層。第四系由礫石、砂土、淤泥層組成。邊坡高度約100 m，邊坡角11°，臺階坡面角70°，邊坡安全儲備系數為1.2。各地層巖土體物理力學指標見表1。

2.2 優化方法應用

通過工程推演可以發現，隨著剝采降深工作的進行，1#～5#弱層層面將進一步接近臨空面，其上部壓覆巖層的厚度也將變得更加薄弱，導致采場底部境界弱層層面承受載荷減小。此時三、四系邊坡區段載荷易推動弱層滑移，使采場深部境界發生鼓起，甚至存在滑體在某一最薄弱的位置剪出的可能性。此外，第三系巖層底部存在一定層位的軟弱層，已暴露在邊坡臨空面一側，存在發生剪切滑動的可能。故將三系底部6#弱層作為分界，將東幫邊坡分為2 個研究區段。

表1 巖土體物理力學指標

2.2.1 第三系地層以上邊坡穩定性優化

第三、四系巖體均為力學性質較軟弱的巖層，6#弱層對邊坡穩定有較大影響。通過調整平盤參數，調整邊坡角，反復試算得出這一區段的穩定邊坡角在23°以下。三系地層以上區段邊坡穩定性試算結果如圖3。

圖3 三系地層以上區段邊坡穩定性試算結果

2.2.2 第三系地層以下邊坡穩定性優化

在上步計算結果的基礎上，分析其對三系地層以下區段邊坡穩定性的影響。三系地層以下區段邊坡穩定性試算結果如圖4。

圖4 三系地層以下區段邊坡穩定性試算結果

首先驗算其對1＃弱層的影響，穩定性計算結果為1.04，如圖4（a），不滿足安全儲備要求。這說明上三系以上區段邊坡坡腳若設在煤層底板出，則其載荷將推動1＃弱層層面產生滑動并使滑體在抗剪段最薄弱位置剪出。故移動邊坡坡腳至1＃弱層與第三系底板交界處，以此減小三系以上區段對1＃弱層的載荷，再次進行穩定計算結果為：1＃弱層在僅有自身載荷的情況下上部巖體的穩定性系數為1.22；2＃弱層在三系以上區段載荷下邊坡整體穩定性系數為1.23；3＃弱層在三系以上區段載荷下邊坡整體穩定性系數為1.49，如圖4（b）～圖4（d）。這些數據表明：三系以上區段邊坡移設坡腳位置后產生的載荷分布對三系以下區段而言是穩定的，至此2 個區段邊坡穩定性優化結束，得到了最優邊坡形態。

從計算過程中得出：隨著假想底滑面賦存深度的增加，其抗剪段厚度也將增加，盡管弱層承受的載荷在增大，但最終對應的穩定性系數是增大的。這說明抗剪段厚度是深部境界是否產生變形的主控因素。

3 數值模擬驗證

傳遞系數法具有計算簡便、適用于復雜滑動面穩定性計算等優點。但在其運算過程中設置有較多的假設條件，產生的計算結果存在與工程實際偏差的可能性。同時，由于計算原理上的限制，這類傳統的條分法不能考慮到邊坡巖層內的彈塑性變形，無法達到研究邊坡巖體位移情況的目的。日益成熟的數值模擬技術不僅能真實地模擬邊坡巖體內部應力-應變關系，說明邊坡巖體的滑移模式，同時也可以追蹤邊坡巖體內關鍵形變位置的各項數據[8]。基于強度折減法，應用巖土工程分析軟件FLAC3D對多層級軟弱互層條件下的邊坡穩定性優化結果進行了數值模擬驗證。

以圖4（d）最終優化邊坡形態建立的數值模型如圖5。模型高度260 m，長度834 m。邊界條件為：模型坡面為自由邊界；禁止底部邊界面產生垂直位移；禁止模型左右兩側界面發生水平位移。自重加載作為加載方式。模擬運算后得到的位移云圖、剪切應變增量圖如圖6 和如圖7。經過25 000 步時的折減運算后，得到了邊坡穩定性系數為1.22 的計算結果。

圖5 數值模擬模型

圖6 位移云圖

圖7 剪應變增量發展圖

由圖6 可以清晰的看出邊坡整體的變形破壞趨勢：由于三系底板弱層的作用，排土場、第四系、第三系地層邊坡巖體后在6#弱層層面產生滑動，并于弱層出露位置滑出；深部境界巖土體在東幫、排土場載荷及多層軟弱層的共同作用下也產生了一定的滑移變形，其變形量隨著各弱層賦存深度的不同展現了明顯的梯度，體現出了深部境界產生地鼓的趨勢。位移云圖展現出的邊坡變形趨勢與傳遞系數法計算的各級軟弱互層穩定性系數結論相吻合。

圖7 呈現了邊坡剪切應變增量隨折減步時發展的動態過程，由圖7 可以得知：隨著持續的折減，邊坡體內各個潛在的滑動面將被激活，其層面上的剪切應變增量的數值和分布范圍也將擴大，剪切應變分布的范圍逐漸呈現出更加貫通的趨勢。從距臨空面距離的角度上，由近及遠，各滑動面上的剪切應變增量呈減小趨勢，如圖7（d）。不同層位弱層內的滑動面的剪切應變增量在數值上呈現出了一定的梯度，且這一梯度隨著折減的進行更加明顯。這說明各個弱層被激活為滑動面的難易程度是不一樣的，簡言之即距離臨空面越遠，弱層越不易產生剪切錯動，進而由對應弱層作為底滑面的變形滑動越難發生。這與由位移云圖分析出的結論一致，并與傳遞系數法計算得出的結果相互印證。

4 結語

針對含有多層級軟弱互層的邊坡，給出了邊坡穩定性層級優化方法的詳細步驟。通過調整層級軟弱互層的上覆載荷分布，控制弱層到邊坡臨空面距離，對工程實例進行了方法的應用，取得了良好的優化效果。