露天礦逆層高邊坡穩定性及滑坡機理分析*

鄧焱，郝喆，尹亮亮 ，滕達 ，吳超君

(1.遼寧大學環境學院， 遼寧 沈陽 110036；2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽 110013；3.自然資源部老礦山地質災害治理及生態修復創新中心， 遼寧 沈陽 110013)

0 引言

阜新海州露天煤礦是世界聞名的大型露天煤礦，也是新中國第一座大型機械化、電氣化露天煤礦。閉坑后礦坑仍存在著滑坡、崩塌、地面沉陷、地面塌陷、地裂縫等地質災害問題[1]，嚴重威脅著海州露天礦周圍企事業單位、居民的生命和財產安全。2019年對海州露天礦進行了全面的地質環境調查，彌補了以往資料的不足，本文依據最新的調查數據進行了邊坡穩定性及滑坡機理分析。

多年來，許多學者對海州露天礦邊坡穩定性相關問題進行了研究。YANG TH等[2]在大量滑坡試驗基礎上，以海州露天礦為例，探討了不同條件下邊坡的穩定性及評估和預測方法；HAN Jun等[3]對海州礦進行數值模擬，劃分了地質結構和沉積體系；FENG Meisheng等[4]對海州礦滑坡時間進行了統計分析，研究表明，重力場在一定程度上受潮汐影響，滑坡與潮汐變化存在關系；LYU Peiyin等[5]用神經網絡對海州礦60多次大型滑坡進行分析，進而驗證傳統方法確定的滑坡地帶；白羽等[6]采用FEPG有限元方法分析了殘煤自燃對海州礦邊坡穩定性的影響過程；劉向峰等[7]用強度折減法對海州礦部分剖面安全系數進行了計算，提出了加固措施。

本文針對阜新海州露天礦北幫逆層邊坡，建立三維地質力學模型，模擬邊坡變形和應力分布，同時利用極限平衡法分析，計算各剖面安全系數。三維數值模擬和極限分析法相結合，優勢互補，避免了單一分析方法的局限性，進一步剖析了逆層高邊坡的滑坡機理，得到更準確的分析結果，為海州露天礦下一步的治理提供了依據，可為其它礦坑閉坑治理提供參考。

1 邊坡三維數值模擬分析

1.1 模型建立

海州礦南幫巖體總體上屬于逆層露天高邊坡，但在空間上有顯著的不均一性。為此，采用現場測繪DOM和DEM數據及地下的井工礦開采資料，繪制出各剖面的邊坡形態、地層結構和采空區分布，采用分區建模的方法通過CAD、ANSYS、FLAC3D結合進行建模[8]，建立符合實際情況的三維地質力學模型來模擬邊坡變形和應力分布特征。針對南幫的3個典型區域：南幫西部區（代表剖面EW0）、南幫中部區（代表剖面E10）和南幫東部區（代表剖面E20），建立三維地質力學模型如圖1所示。

1.2 結果與分析

數值模擬的應力及位移云圖見圖2。

圖1 數值模擬模型

圖2 南幫西、中和東部區數值模擬結果

分析位移云圖可知：南幫西部崩滑區的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，這是由于邊坡上部受邊坡角較陡及上部巖層風化程度較高影響，下部受采空區影響，中部受地層逆傾影響；南幫中部崩滑區的邊坡上部位移較小，中下部位移量較大；南幫東部崩滑區的中部位移量較大，兩端位移量較小，位移量較大均由于下部采空區及煤自燃導致巖體強度指標降低的影響所致；最大剪切應變增量云圖清晰反映出剪切應變增量帶分布特征，最大剪切應變增量主要分布在采空區及煤自燃發火嚴重處，剪切破壞分布和臨界失穩空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現了邊坡變形的剪切蠕變特征，表明采空區、煤自燃是邊坡失穩的主控因素。從水平應力云圖可知：水平應力分布具有從開挖坡面逐漸向坡內增加的特點，隨降深增加呈線性正比例關系。從垂直應力云圖可知：隨埋深增加垂直應力呈線性增長，呈現受重力場控制的分布規律，垂直應力總體分布較均勻；邊坡初始開挖后，垂直應力呈現與坡表面平行的層狀分布。

2 邊坡極限平衡分析

2.1 計算剖面及參數

采用Morgenstern-Price極限平衡法開展南幫邊坡滑移的進一步分析[9]。在南幫全長范圍內，確定10個計算剖面：W3、EW0、E2、E5、E7、E10、E13、E17、E20、E23。取全坡高進行分析。確定模擬區總高度約400m～450m；水平總長度取為700m～1100m不等。剖面中的第四紀土層、煤層、采空區、平巷、斷層均按實際剖面的材料參數真實模擬。參考《煤炭工業露天礦設計規范》（GB50197—2005），因海州礦南幫邊坡上無特別重要建筑物，將穩定系數取為1.30。

2.2 結果與分析

使用Geostudio軟件建立各剖面計算模型，代表性剖面見圖3。據此，計算出南幫各剖面的整體安全系數，結果見圖4。

圖3 典型剖面整體計算模型

由圖4可見，海州礦南幫除W3和E23兩個西、東邊緣剖面之外，其它剖面的安全系數均處于1.0～1.15之間，與安全系數限值差距甚大。EW0～E10區域，是滑坡最危險地帶，從地質剖面圖可見，中部剖面煤層露頭較多，現場也可見中部區域火點密集分布，導致地下采空區和煤巖參數弱化，在其他因素影響下極易誘發滑坡。

圖4 各剖面穩定性計算結果

3 滑坡機理分析

根據以上結果分析，將南幫分為3個滑動區段[10]：西部崩滑群W3～E4，中部崩滑群E5～E15，東部崩滑群E16～E23。

（1）西部崩滑群。西部崩滑群的范圍為W3～E4。三維計算結果表明，西部代表性剖面EW0的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，計算安全系數為1.062，推測邊坡巖體為背斜構造，而且存在順傾弱層，處于極限穩定狀態。由于邊坡上部受邊坡角較陡且上部巖層風化程度較高的影響，及下部受采空區的影響，邊坡位移較大；中部受地層逆傾影響，位移量最小。最大剪切應變增量云圖清晰反映出剪切應變增量帶的分布特征，最大剪切應變增量主要分布在采空區及煤自燃發火嚴重處，剪切破壞分布和臨界失穩空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現了采空區、煤自燃是邊坡失穩的主控因素[11?12]。

（2）中部崩滑群。中部崩滑群的范圍為E5～E15，該區域是南幫滑坡最嚴重的區段。三維計算結果表明，南幫E10剖面邊坡上部位移較小，中下部由于下部斷層帶被壓密，在上部巖體和自身重量的作用下，位移量較大，計算安全系數為1.025。該區段邊坡雖暫時沒有整體滑移趨勢，但隨著巖面暴露時間增長，局部滑動會時有發生，未滑動區會逐漸變成滑動區，從而危害整個邊坡的穩定。采空區和煤自燃仍是該區邊坡失穩的主控因素[13]，由于中西部崩滑并導致坡腳失穩，帶動上部邊坡的拉裂破壞，引發滑坡。

（3）東部滑塌群。東部滑塌群的范圍為E16～E23，該區域是南幫滑坡較嚴重的區段。三維計算結果表明，南幫E20剖面中部位移量較大，兩端位移量較小，計算安全系數為1.083，位移量較大是因為受下部采空區及煤自燃導致巖體強度指標降低影響；最大剪切應變增量主要分布在采空區及煤自燃發火嚴重處。從水平應力云圖可知：水平應力分布具有從開挖坡面逐漸向坡內增加的特點，隨降深增加呈線性正比例關系。從垂直應力云圖可知：垂直應力隨埋深增加而呈線性增長，呈現受重力場控制的分布規律，垂直應力總體分布較均勻，邊坡初始開挖后，垂直應力呈現與坡表面平行的層狀分布。

4 結論

結合三維地質力學數值模擬分析和極限平衡分析，對海州露天礦逆層高邊坡穩定性及滑坡機理進行了分析。主要結論如下。

（1）南幫三維模擬結果表明：南幫邊坡西部區域的上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小；中部區域的上部位移較小，中下部位移量較大；東部區域的中部位移量較大，上下部位移量較小。最大剪切應變增量主要分布于煤自燃發火嚴重及采空區集中處，表明殘煤自燃和地下采空區是南幫滑坡的主控因素。水平應力從開挖坡面逐漸向坡內增加；垂直應力隨埋深增加而呈線性增長，總體分布均勻，呈現與坡面平行的層狀分布。

（2）南幫極限平衡分析表明：現狀邊坡的整體穩定性難以滿足規范要求，除W3以西和E23以東區域外，其它中部剖面安全系數均處于1.0～1.15之間，與安全系數限值差距較大。EW0～E10區域是滑坡最危險地帶，中部區域各剖面煤層露頭和內部采空區較多，自燃火點分布密集，導致地下采空和煤巖參數弱化，在其他因素影響下極易誘發滑坡。

（3）南幫滑坡的模式屬于切層崩滑：邊坡中下部的煤炭露頭常年暴露在大氣中，同時邊坡風化和采動使邊坡產生大量的裂隙，給煤炭提供了足夠的供氧條件和持續的蓄熱環境，導致持續不斷產生煤炭自燃現象，自燃后煤巖強度降低、空隙增大，產生崩塌破壞，并引起上部失去支撐而變形滑動，發生崩滑-拉裂破壞，引發邊坡大范圍滑塌。

（4）依據穩定性分析結果，南幫可劃分為3個范圍大、滑坡嚴重的區域：西部崩滑區W3～E4，中部崩滑區E5～E15，東部崩滑區E16～E23，下一步需要重點治理。