撫順西露天礦深大順傾邊坡失穩破壞控制措施研究

侯成恒

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

露天礦順層邊坡滑坡變形破壞問題尤為突出，成為制約露天礦安全、高效發展的重要問題之一。隨著露天礦開采時間的不斷延長、深度的不斷增加，礦山開采由淺部開采逐步向深部轉變，非工作幫邊坡基本處于到界狀態，內排土場的形成具有時間效應（內排滯后）和空間狀態效應（排棄高度低），造成非工作幫邊坡長期處于臨空狀態，進而形成深大順傾邊坡，在內在因素與外界作用條件下，底板內部某一分層或幾層巖體可形成演化弱層，隨著時間的推移，深大順傾層狀邊坡易形成大規模的變形體，從而導致邊坡發生大規模滑坡安全事故。

國內外眾多專家、學者，對露天礦邊坡失穩破壞及穩定研究做了大量工作。 在國外，E Π EMEΛЬЯHOBA 從地質學方面對邊坡破壞機理進行了研究；Skempton 和Huntinton 將邊坡的破壞形式劃分為3 種基本類型：崩塌、滑坡和側向擴離；Brawner等提出邊坡破壞的6 種破壞模式，即圓弧滑動、塊狀破壞、整體與非連續節理破壞、平面破壞、鍥形破壞和傾倒式破壞等；Heok 和Rray 系統提出論述了邊坡破壞的基本力學行為。在國內，張倬元等[1]根據邊坡巖土體結構與其變形破壞的力學機制之間聯系的實際觀察和力學分析，把邊坡變形破壞歸納為為以下6 種模式：蠕滑-拉裂模式、滑移-拉裂模式、滑移-壓致拉裂模式、滑移-彎曲模式、彎曲-拉裂模式、塑流-拉裂模式等；孫玉科等人根據我國典型斜坡變形破壞實例總結出了5 類地質力學模式，即：傾倒變形破壞模式、水平剪切變形模式、順層高速滑移模式、追蹤平推滑移模式、張裂順層追蹤破壞模式；徐邦棟、劉祥海等對順層滑坡的特點及破壞過程進行了分析，將順層滑坡的滑動過程分為蠕動變形、擠壓、滑動和暫時穩定4 個階段；孫廣忠、張文彬等將順層邊坡的坡體結構定義為“板裂結構”，并初步論述了其所具有的力學特征，探討了順層滑移-彎曲失穩的變形破壞模式，以及不同狀況下的最大坡長和位移值等；曹平、林杭等人采用數值模擬軟件研究了順層巖質邊坡的破壞模式及自穩能力；王珍等[2]、白潤才等[3]基于巖體結構控制理論、極限平衡理論，研究了軟巖邊坡潛在滑坡模式即滑坡機制。

以撫順西露天礦南幫深大順傾邊坡為研究對象，針對其南幫邊坡大面積失穩破壞情況，在搜集、整理與分析地質資料基礎上，采用工程地質勘查與邊坡監測數據追蹤分析、巖石力學試驗、滑動反分析、二維極限平衡分析及數值模擬分析方法，確定了潛在弱層賦存規律、變形區邊界及巖土體力學強度指標，并對不同內排壓腳高度與邊坡穩定之間的規律進行研究，結合治理方案實施全過程中邊坡監測數據追蹤分析，對內排壓腳控制作用進行了評價，解決了撫順西露天礦南幫邊坡失穩破壞問題[4-6]。

1 工程地質概況

撫順西露天礦坐落于撫順市城區南部區域，位于撫順煤田西南部區域，至今已逾百年開采史，礦區揭露地層由老至新為：太古界花崗片麻巖、新生界（老虎臺組）玄武巖及夾層（第三層煤、凝灰巖）、新生界（古城子組）煤層、新生界（計軍屯組）油頁巖、新生界（西露天組）綠泥巖與褐色頁巖互層、新生界第四系沖積層。礦區位于渾河斷裂南部，受礦區主要斷裂影響，有許多縱向和橫向斷層，而且有特殊的背斜傾伏和褶曲，構造比較復雜。地層傾角23°～55°，上部傾角大。自2009 年凍融開始，南幫千臺山出現不同程度的變形和地表裂縫；2012 年末礦坑坑底出現鼓脹現象，后緣2 條地裂縫變形加劇，最大垂直落差接近17 m、最大水平位移達到42 m；2013 年3 月初，南幫邊坡大變形開始顯現，變形體邊界已初步形成并持續變形加劇，主滑體東西長約2.7 km，南北寬約1.5 km，面積約2.9 km2。地表裂縫形成后，由于未采取相應的處理措施，地表水及大氣降水長期滲流至邊坡體內，對邊坡巖體長期浸潤，地下水長期處于飽和狀態。

為進一步確定影響邊坡穩定潛在弱層賦存規律及變形區邊界劃定，采用工程地質鉆探方法確定潛在弱層賦存規律、邊坡地表監測數據數據追蹤分析方法圈定變形區邊界。在變形區內共施工7 個勘查孔，累計進尺1 672.5 m，采取全孔取心，最終確定潛在弱層巖性為薄煤線、凝灰巖，弱層賦存深度為80～120 m，厚度小、強度較低。依據邊坡揭露情況，結合工程地質勘查成果，南幫邊坡工程地質巖組自上而下為：①第四系松散層：厚度為5～30 m，平均厚度為17.5 m，由人工堆積土、亞黏土層、砂層及礫石層組成；②玄武巖組：按巖石特征大致可區分為粗粒全晶質、中粒或細粒全晶質、隱晶質或杏仁狀氣孔狀玄武巖，淺部風化程度較大；③軟弱層：潛在軟弱層主要為煤層、軟質凝灰巖，強度極低，遇水易軟化；④花崗片麻巖組：主要由黑云花崗質片麻巖、角閃花崗片麻巖組成，巖石堅硬。根據南幫邊坡地層特征，工程地質勘查成果，結合以往研究成果，建立的南幫邊坡典型工程地質剖面如圖1。

圖1 典型工程地質剖面圖Fig.1 Typical engineering geological profile

為準確劃定變形區邊界，采用邊坡雷達監測手段，對變形區邊坡及進行全天候持續掃面監測，根據采集數據分析位移量及變形速率，通過位移及速度突變分界線作為判定標準，最終圈定變形區邊界，監測數據分析結果與現場實際踏勘發現裂縫、沉降邊界位置基本一致。

2 巖土體力學強度指標

邊坡變形區巖土體力學強度指標，是邊坡穩定性分析與治理方案研究的基礎依據之一，特別是潛在弱層抗剪強度參數，是決定治理措施與治理工程規模的重要依據。

巖土體力學強度指標的確定主要通過以下3 種方式獲得：①在搜集以往歷次研究成果基礎上，整體分析得到適用于本研究力學強度指標；②通過室內科學試驗手段，得到所采取巖塊的力學參數，運用強度折減法得到其符合現場實際的力學強度指標，一般而言，折減后巖土體強度指標為室內試驗成果的5%～50%；③采用滑動反分析法，將滑坡發生前及滑坡發生后邊坡處于極限平衡狀態，對潛在弱層力學參數進行反演分析，以此確定潛在弱層強度指標[6]。

根據南幫邊坡上部裂縫及下部底鼓特征，選取W400、W300 2 條勘探線作為滑動反分析剖面，對弱層的強度指標（黏聚力、內摩擦角）進行反演分析，潛在滑坡模式為沿弱層的“坐落-滑移式”破壞，邊坡發生滑坡前，一般情況下處于持續蠕動變形階段，邊坡穩定計算時其穩定系數基本接近1.0，具體反分析方案如下：①弱層為薄煤線、凝灰巖演化結果，反分析時對強度指標進行折減（5%～50%），確定演化弱層的強度范圍；②內摩擦角對邊坡穩定敏感性較大，反分析過程中，依據折減結果以一定的等差數列確定內摩擦角的反分析范圍，邊坡穩定系數為1.0 條件下，分別對反分析剖面黏聚力反算；③依據反分析結果，對黏聚力與內摩擦角正切值進行擬合分析，擬合曲線相交點為演化弱層強度指標。模擬計算所采用的巖土體力學強度指標見表1。

表1 巖土體力學強度指標Table 1 Mechanical strength index of rock and soil mass

3 邊坡失穩破壞控制措施

3.1 邊坡失穩破壞控制方案

露天礦邊坡失穩破壞控制手段歸納為以下4 個方向：采礦方法（削坡減載、內排壓腳）、疏干排水、改變潛在弱層力學強度、支擋與加固。其中采礦方法效果最明顯，常見方法為削坡減載、內排壓腳，生產工藝簡單，經濟效益顯著，費用低，但受采礦境界與生產限制作用較大；疏干排水常用方法為疏干井、水平放水孔、疏干巷道，能夠有效降低水對巖土體浸潤作用，維持或提高巖土體物理力學指標，但要求掌握詳細的地下水賦存情況，工程維護成本較高；改變潛在弱層力學強度方法一般為注漿，要求準確探明滑面位置及產狀，但構成滑面的巖體滲透性較差，無法達到預期效果；支擋與加固手段為抗滑擋墻、抗滑樁、預應力錨索，一般適用于小規模滑坡體，對施工場地要求高，但工程投入高、性價比相對較低[7]。

綜合以上分析，結合現場實際條件及費用，采用采礦方法技術上可行、經濟效果最顯著、控制效果較明顯，由于上部地表已到界，削坡減載受限，最終選取內排壓腳控制方案。采用內排壓腳措施提高邊坡穩定性，實際上是在下滑力不變的情況下，通過提高邊坡抗滑力，從而增大邊坡穩定系數。常用極限平衡法方法計算邊坡穩定系數，穩定系數Fs為主動抗滑力與下滑力的比值，其計算公示可表示為：

式中：Fs為穩定系數；ΣRi為滑坡體主動抗滑力，kN；ΣTi為滑坡體下滑力，kN；R 為內排壓腳增加滑坡體的抗滑力，kN。

根據撫順西露天礦南幫邊坡施工條件、內排土場邊坡參數，內排壓腳邊坡參數為：單臺階高度20 m、平盤寬度50 m、臺階坡面角33°。為進一步探索內排壓腳高度與邊坡穩定性之間的規律，分別對不同內排壓腳控制方案進行了設計，4 種方案分別為內排壓腳高度20、40、60、80 m，以W400 剖面為研究對象，建立邊坡穩定性分析模型。

3.2 內排壓腳高度與邊坡穩定性規律

西露天礦南幫邊坡為非工作幫邊坡，邊坡服務年限小于10 年，結合GB 50197—2015 煤炭工業露天礦設計規范，南幫邊坡控制后安全儲備系數Fs不小于1.10。

以W400 剖面邊坡穩定性分析模型為基礎，運用極限平衡分析軟件Geo-Studio 進行不同內排壓腳方案邊坡穩定性計算，計算過程中各層位力學強度參數選取表1，計算方法為極限平衡法中的Morgenstern-Price 法，不同內排壓腳高度邊坡穩定性計算結果如圖2，內排壓腳高度與邊坡穩定性之間變化規律如圖3。

圖2 不同內排壓腳高度邊坡穩定性計算結果Fig.2 Calculation results of slope stability with different internal discharge presser foot heights

圖3 內排壓腳高度與邊坡穩定性之間變化規律Fig.3 Variation law between internal discharge presser foot height and slope stability

根據內排壓腳不同高度計算結果分析可知，隨著內排壓腳高度的增加，邊坡穩定系數呈直線增加趨勢，內排壓腳高度達到60 m 時，呈指數式增加；當內排壓腳高度達到80 m 時，邊坡穩定系數為1.11，滿足安全儲備系數1.10 的要求；邊坡穩定性計算結果顯示，底部邊界沿弱層底板發生滑動，邊坡潛在失穩破壞模式為沿弱層的“坐落-滑移式”破壞。

3.3 不同內排壓腳高度邊坡失穩破壞特征

以工程地質條件與內排壓腳控制設計方案為基礎，建立了不同邊坡穩定分析剛體極限平衡模型，定量分析與研究了不同內排壓腳高度對深大順傾邊坡穩定控制作用，但在計算過程中未考慮巖體內部應力、應變之間的對應關系，從而無法揭示巖體失穩破壞發生與持續發展的動態過程。

為了克服極限平衡法的計算不足，采用有限元數值分析軟件FLAC3D對不同內排壓腳高度控制方案開展數值模擬，以進一步確定深大順傾邊坡失穩破壞特征，同時達到驗算內排壓腳高度條件下邊坡穩定系數的目的[8]。數值模擬模型邊界條件為：底部為z 方向、邊界固定；左右為x 方向、邊界固定；上部為z 方向、為自由邊界；前后為y 方向、邊界固定，上部與邊坡面為自由邊界。模型選用Mohr-Coulomb 塑性破壞準則，考慮到FLAC3D前期建模處理不足，運用ANSYS 軟件建模[9-10]。不同內排壓腳高度x 方向位移云圖如圖4，不同內排壓腳高度剪應變增量圖如圖5。

圖4 不同內排壓腳高度x 方向位移云圖Fig.4 Displacement diagrams in x direction at different internal discharge presser foot heights

圖5 不同內排壓腳高度剪應變增量圖Fig.5 Shear strain increment diagrams of different internal discharge presser foot heights

從x 向位移云圖對比分析可知，在弱層賦存條件下，內排壓腳高度與x 向位移量呈正相關，邊坡體受破壞與變形程度呈減小趨勢；從剪應變云圖對比分析可知，邊坡體內弱層賦存是引發其失穩破壞的決定因素，邊坡體失穩破壞模式主要為邊坡上覆巖體沿其弱層面的“坐落-滑移”式破壞，內排壓腳后剪應變未出現貫通，邊坡失穩破壞得到有效控制；內排壓腳高度為20、40、60、80 m 時，邊坡穩定系數分別為1.03、1.05、1.08、1.24，數值模擬分析結果與極限平衡計算結果之間具有較高的一致性。綜合分析，內排壓腳控制方案為：內排壓腳高度80 m、平盤寬度50 m。

4 控制效果評價

為實時掌握滑坡區治理過程中及治理后邊坡穩定狀況，同時作為邊坡失穩破壞控制效果評估依據，運用邊坡雷達全天候不間斷掃描與監測，邊坡雷達將監測面劃分成若干個邊長相等的正方體，可有效提取任一區域內監測數據，將變形區邊界劃分更準確，基于以上監測手段選取變形區內不同位置特征點，對治理前、治理過程中及治理后監測數據分析，得出不同階段、不同監測點累計位移量（變形開始至治理工程結束）。特征點平面位置如圖6，特征點累計位移量圖如圖7。

圖6 特征點平面位置圖Fig.6 Location plan of feature points

圖7 特征點累計位移量圖Fig.7 Cumulative displacement of characteristic points

由于變形區范圍大、回填壓腳高度大、任務緊，同時受場地條件限制，施工難度大、施工周期長，為克服上述困難，制定分階段式施工組織設計。整個治理工程于2014 年4 月開始，2014 年8 月基本完成。依據監測數據分析可知：控制前邊坡處于持續變形階段，隨著工程實施，至2014 年8 月開始邊坡變形速度明顯減緩，2014 年11 月后月變形位移量由控制前的最大4 500 mm 減小至600 mm，變形體基本趨于勻速變形階段，變形量無明顯增大趨勢，邊坡基本趨于穩定狀態。結果表明，采用內排壓腳手段邊坡失穩破壞基本得到有效控制，邊坡穩定性有了一定提高，控制后具有顯著成效。

5 結 語

1）西露天礦深大順層邊坡發生失穩破壞主要原因有：邊坡底板下賦存軟弱層組，受降深與地下水共同作用，邊坡長期處于蠕動變形階段，內排壓腳無法及時跟進，導致邊坡變形得不到有效控制。

2）運用極限平衡分析軟件Geo-Studio 與三維有限差分軟件FLAC3D分析了不同內排壓腳高度與邊坡穩定之間變化規律，最終確定內排壓腳高度為80 m。

3）通過對變形區邊坡治理前、治理施工中及治理后監測數據分析，治理前邊坡處于持續蠕動變形階段，治理后邊坡基本趨于勻速變形階段，變形量無明顯增大趨勢，邊坡基本趨于穩定狀態，變形得到了有效控制，邊坡穩定性得到了提高。