基于“表-深”聯合監測方法的露天煤礦邊坡破壞模式研究

李正勝，李剛強

(華北科技學院 安全監管學院，河北 廊坊 101601)

隨著露天礦開采強度的增大，我國露天邊坡高度正在以每年10m左右的速度向下延伸[1]。露天煤礦產能的増大和數量的不斷增多，邊坡穩定性問題愈來愈突出。滑坡的數量多、規模大，難于防治，造成的損失極為慘重[2，3]。近年來國內外眾多學者針對高陡邊坡的穩定性監測與評價進行了大量的研究。陳祖煜發展了塑性力學理論改進和優化了條分法[4]。朱大勇、錢七虎等[5]提出的臨界滑動場理論，能夠準確地確定邊坡的任意形狀和臨界滑動面。吳浩[6]基于灰色系統理論分析實例邊坡的變形監測數據，建立數學模型對邊坡變形進行了成功預測。張金貴[7]綜合分析了魏家峁露天煤礦工作幫邊坡地質條件、邊坡現狀，對邊坡失穩機理及破壞模式進行了分析。張波、王旭、丁參軍[8-10]等依據有限差分折減理論，采用數值模擬的手段分析了邊坡穩定性失穩機理，并將模擬不收斂的結果默認為邊坡已產生失穩破壞。在邊坡監測方面，應用較為成熟的手段主要集中在兩個方面：邊坡位移和應力監測。丁曉利[11]等開發了一機多天線GPS系統，使得一套GPS儀器可以監測多點位置，使用成本大大降低。何滿潮[12，13]院士開發了滑坡地質災害遠程實時攝動監測系統(SF-RMWS)，該系統通過監測邊坡巖體內的牛頓力變化，實現了邊坡的穩定性動態監測。由此可見，現階段學者的研究都是針對邊坡的靜態工況進行單一的邊坡穩定性評價或者相對穩定的邊坡進行監測和分析，監測只是作為一種預防性手段，對于數據的挖掘和研究不夠，本文針對已經發生潛在滑移的邊坡，通過現場查勘、滑移體地質勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯合監測以及數值分析等措施，深度挖掘“表-深”聯合監測數據信息，確定邊坡的滑移面位置，為滑坡的預測預報提供基本數據支持，保障礦山的安全高效開采。

1 工程背景

魏家峁露天礦西南幫在推進過程中，工作幫中部在1112水平以上的土巖分界面處突遇軟弱土層，巖體內部大量積水與淤泥持續涌出，淤泥層不斷塌陷滑落。地表最大沉降達到約2.5m且沉降邊緣持續外擴，滑坡隱患區域后緣下沉、前緣鼓起，第一級滑體已初步形成。邊坡變形區域后緣寬度約355m，前緣寬度約為475m，影響范圍大，邊坡滑移位置及監測布置如圖1所示[14，15]。針對魏家峁露天礦邊坡已經產生滑移并且滑移面較大的特點，常規的邊坡穩定性評價已經失去意義。本文通過現場查勘、滑移體地質勘察、邊坡深部位移與邊坡表面位移聯合監測等措施，查明了邊坡滑移面具體位置，確定了邊坡巖體的破壞模式及滑移類型，深度挖掘位移監測數據揭示了邊坡滑移破壞演化機理。

2 邊坡“表-深”聯合監測分析

為了精準確定邊坡滑移面位置，掌握滑坡體運動位移特征，采用邊坡表面GPS和深部滑動測斜儀聯合監測的方式，在滑移區域共布置3個剖面6個深部位移監測點和P-1、P-2、P-3，3條監測線共9個GPS監測站并結合地質鉆探工作，查明了滑移區域巖土體的弱層賦存、發育情況以及水文地質條件。

采場滑移區域安裝ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6個滑動測斜測儀，利用滑動測斜儀進行地下水平位移精確測定，確定滑帶層位。

ZK1、ZK2監測孔遠離滑坡后緣，位移數據沒有明顯變化，其主要作用是揭露地下地層分布(此兩點數據不再列出)。對于P-1剖面ZK3，P-2剖面ZK5、ZK6，P-3剖面 ZK4監測孔，監測結果如圖1—圖4所示。

圖1 ZK3位移深度曲線

圖2 ZK4位移深度曲線

圖3 ZK5位移深度曲線

圖4 ZK6位移深度曲線

由監測數據曲線可以看出，ZK3、ZK4、ZK5、ZK6監測點鉆孔發生了明顯了剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，邊坡滑移區域的深部位移曲線呈現出明顯的“S”型變化趨勢，以此可以看出此次邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞。結合現場工程勘察和滑移面深度可以得出滑移面位于強風化泥巖和強風化砂巖交接面處的演化弱層部位，邊坡此時處于臨滑狀態，由于受小范圍的底鼓壓腳和極寒天氣導致土體凍結，邊坡變形暫未加速。

2.2 邊坡表面位移監測

在滑體上設置3條監測線P-1，P-2，P-3共9個監測站進行地表位移監測，GPS監測累計位移值位移歷時曲線如圖5、圖6所示。

圖5 邊坡水平位移變化歷時曲線

圖6 邊坡垂直位移變化歷時曲線

DW1-DW7這7個監測點位移累計位移量較大，移動明顯，且方位角較為接近，為31°～ 48°，邊坡表面位移數據統計見表1。由此可確定滑體范圍以及滑體的滑動方向為北東方向。+1128m、+1144m平盤上監測點(DW6、DW7、DW8、DW9)的水平位移量較+1260m平盤上監測點(DW1、DW2、DW3)的水平位移量大，而豎直位移量上則是+1260m平盤上監測點較大，說明了+1260m及以上平盤位置處巖土的移動以坐落為主，+1128m、+1144m平盤位置處巖土的移動以向臨空面滑移為主。此外，DW4、DW5位于滑坡范圍外。

3 邊坡破壞模式分析

根據研究區域的工程地質模型，選取工作幫剖面GZB-1進行數值分析。計算模型沿邊坡傾向長度為860m，最大垂直高213m。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以Y方向位移約束，模型的左、右方向以X方向位移約束，模型的底部以Z方向位移約束，構成位移邊界條件，以保持整個系統的受力平衡。計算采用摩爾庫倫模型來描述，邊坡巖土體力學參數參照文獻[7]。

通過邊坡X方向的位移如圖7所示，由圖7可知，邊坡的位移最大值發生在邊坡坡肩位置，并在前緣坡腳位置達到最大值，說明邊坡發生的是應力卸荷后的牽引式滑坡，坡體的位移明顯看出邊坡是沿軟弱夾層的圓弧狀滑移；同時位移矢量的方向與表一監測數據完全吻合，此次模擬顯示的邊坡滑移面位置正好處在泥巖底板與砂巖交界面處，這與現場深部表面位移監測得出的邊坡滑移面深度高度吻合，再次證明了此次計算的準確性。

邊坡塑性區如圖8所示，由圖8可知，邊坡整個巖土體發生了拉剪混合破壞，并且整個破壞貫穿坡體全部，邊坡坡肩粉砂層位置出現了拉張破壞，表明此處邊坡巖體在經歷了開挖卸荷后出現了剪切屈服破壞，從力學機理上可以斷定邊坡發生了“開挖卸荷—剪切破壞”，從塑性區宏觀模式上邊坡巖土體表現為“蠕滑—拉裂”牽引式滑坡，這也與邊坡聯合監測的位移趨勢吻合度較高；邊坡塑性區的貫通破壞區域主要集中在+1112～+1165m水平，長度范圍為175m，邊坡坡腳的逐步滑移造成邊坡內部鎖固段的鏈式破壞失穩，產生了大量的伴生裂縫，伴生裂縫的匯集造成了整個坡體的拉裂破壞，造成邊坡整體失穩。

圖8 邊坡塑性區

通過邊坡“表-深”聯合監測數據監測和數值模擬分析可以看出邊坡位移呈現出 “急劇增長-緩慢平衡-再次調整”的“L”型變化過程，這說明此處邊坡的穩定性由軟弱結構面和邊坡巖體共同控制，邊坡發生的為沿軟弱夾層滑移的圓弧形破壞；另外此次滑坡主要受坡體局部上層滯水的影響，下部泥巖經過長期的浸泡，形成了典型的演化弱層，呈淤泥狀，其強度指標極低。現場剝離推進后，應力釋放，導致邊坡發生了蠕動變形，邊坡沿著軟弱夾層發生底部圓弧狀的滑動，并引起上覆粉土、粉砂層的破壞，坡體內目前塑性區貫通，邊坡處于欠穩定狀態下，結合現場“表-深”聯合監測以及數值模擬分析可以得出此次魏家峁礦邊坡巖體的破壞演化機理和邊坡破壞模式如圖9所示。

圖9 邊坡破壞演化過程

4 結 論

1)聯合監測的位移都呈現出“急劇增長-緩慢平衡-再次調整”的“L” 型變化過程，說明巖土體產生了明顯的剪切位移，邊坡潛在滑移面在孔口下27～32m處，現階段邊坡處于臨滑狀態。

2)邊坡移動方位角為31°～48°，滑體的滑動方向為北東方向。邊坡巖體的破壞模式為剪切型破壞，邊坡滑移主要呈現出 “開挖卸荷—剪切破壞”力學機理。

3)此次滑坡在宏觀模式上為“蠕滑—拉裂”型牽引式滑坡，系坡體局部上層滯水造成泥巖長期浸泡，形成淤泥狀的演化弱層，剝離推進后，應力釋放，邊坡發生沿軟弱夾層的圓弧狀的滑動。