斷層區(qū)域露天邊坡穩(wěn)定性評價及優(yōu)化設計研究

牟 義,徐 慧,田靈濤,陳清通,李 偉,郭夏飛,吾木提江·許庫爾

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院,北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭 科學研究總院),北京 100013; 3.國電建投內蒙古能源有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017209; 4.木壘縣應急管理局,新疆 昌吉 831999)

露天礦邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞,是多種影響因素共同作用的結果,不同影響因素引發(fā)的邊坡失穩(wěn)破壞機理不同[1]。對于不同邊坡,其影響環(huán)境和應力狀態(tài)是不一樣的,對于某個特定邊坡要具體分析影響其穩(wěn)定性的原因,這也是掌握邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的關鍵[2]。影響采場非工作幫邊坡穩(wěn)定的重要因素為人工開挖等工程活動[3]。人工開挖包括坡面、基坑和地下開挖,其對邊坡穩(wěn)定性的影響也是邊坡工程中的一個重要因素,人工開挖由于在極短時間內改變了邊坡的地形特征和平衡條件,如處理不當,往往容易引發(fā)滑坡[4]。如近些年來在我國高速公路建設中發(fā)生的大量滑坡,很多都與路基施工時邊坡的切腳有關[5]。

對于露天礦端幫邊坡,除以上邊坡穩(wěn)定影響因素外,地質構造對邊坡穩(wěn)定的影響也不容忽視,巖層組合特征、構造的形態(tài)、構造走向與傾角大小等,對邊坡穩(wěn)定性也起到至關重要的作用[6]。鄂爾多斯某露天礦井田外側西部鄰近高山地勢,此山地勢較陡,整體地勢40°左右,局部地段達到80°,西部礦權境界處有棋盤井逆斷層,該斷層長度大于6 km,傾角60°～70°,斷距大于300 m。受高山及斷層影響,在山坡處已出現(xiàn)2處裂縫,一處位于礦田外西北角,另一處位于礦田外西部靠南側,采掘場西部最上部形成了高50 m的高邊坡,目前已出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。在棋盤井逆斷層經過的其他露天礦邊坡,也有類似斷層影響下滑坡現(xiàn)象。為了預防滑坡造成安全事故發(fā)生,保障煤礦安全生產,筆者從該礦邊坡破壞機理分析入手,進行了邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性評價,然后進行了邊坡參數(shù)優(yōu)化設計,對優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定性進行評價,提出了安全可行的剝離邊坡方案,可為類似斷層影響下解決邊坡安全性問題提供借鑒。

1 邊坡概況

鄂爾多斯某露天礦邊坡存在2處滑坡區(qū)域:南部滑坡區(qū)域和北部滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域地表有1片裂縫區(qū)域、1塊剝挖治理區(qū)域和3塊滑坡區(qū)域,裂縫區(qū)域與剝挖治理區(qū)域連為一體,剝挖治理區(qū)域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區(qū);北部滑坡區(qū)域有單獨的1片滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域裂縫長度約460 m,寬約20 m,地表剝挖治理區(qū)域平面面積約7 350 m2,滑坡區(qū)域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區(qū)域平面面積約23 000 m2。裂縫、剝挖及滑塊區(qū)域如圖1所示。

圖1 邊坡滑坡區(qū)域Fig.1 Slope landslide area

經過現(xiàn)場踏勘,滑坡體可見多處拉張裂縫,裂縫寬度0.2～2.2 m。整個滑坡可分為3個滑塊呈階梯狀,滑坡后緣壁向下延伸,形成后緣平臺,隨后傾角變緩,形成滑坡臺坎,前緣鼓脹突起。推斷滑體地層巖性:二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)由厚層狀含礫粗砂巖、砂巖等組成,下統(tǒng)山西組(P1s)主要由粗砂巖、中砂巖、砂質泥巖及炭質泥巖、煤層組成,局部夾黏土巖,滑體整體透水性較強,而滑動帶地層為砂質泥巖,其透水能力差,遇水濕滑。調查顯示,滑坡區(qū)構造特征為存在棋盤井逆斷層(F1逆斷層),該斷層位于露天礦區(qū)西部邊界,系滑坡區(qū)主要地質構造,為一低角度逆沖推覆斷層。該斷裂上盤為奧陶系灰?guī)r地層,下盤為二疊系砂巖、泥巖和石炭系。斷層破碎帶內巖石呈粉末狀且出現(xiàn)斷層泥。上述地質特征均有利于滑坡產生,而且該邊坡由于露天煤礦開采、開挖坡腳導致斜坡體前緣應力缺失、穩(wěn)定性遭到破壞,最終導致滑坡產生[7-8]。

2 邊坡剖面與巖土力學參數(shù)

2.1 邊坡剖面選取

選取的平剖面線位于礦區(qū)西部南側,北偏東117°,長約590 m,起源于西部邊界附近的滑坡區(qū),向東南依次穿越+1 373、+1 353、+1 348、+1 321、+1 307、+1 292、+1 262、+1 246 m等臺階,剖面形狀如圖2所示。

圖2 剖面形狀Fig.2 Profile morphology

2.2 巖石力學參數(shù)

通過整理、分析以往礦區(qū)試驗資料,并結合類似礦山巖土體物理力學指標進行歸納、總結,采用強度折減法得出該礦邊坡穩(wěn)定性分析的巖土體物理力學指標推薦值(表1)[9-10]。參照其他相關資料,初步確定排土場剝離物綜合力學指標(表2)[11]。

第四系坡體曾發(fā)生過滑坡,在地層巖性分布的基礎上,綜合考慮現(xiàn)場調查所得的坡體表面風化信息,基于自然邊坡穩(wěn)定性分析確定的危險滑移面,選取安全系數(shù)0.98～1.02,對工點各邊坡巖土參數(shù)采用靜力法進行指標反演分析[12-13],分析結果如圖3所示。反算得到第四系坡體強度參數(shù)c=50.0 kPa,φ=18°。

表1 巖石力學指標推薦Tab.1 Recommended rock mechanics indicators

表2 排土場剝離物綜合力學指標統(tǒng)計Tab.2 Statistics of comprehensive mechanical indicators of stripped materials in waste disposal sites

圖3 剖面分析結果Fig.3 Profile analysis results

3 邊坡變形破壞機理分析

構建該露天礦研究區(qū)域典型邊坡剖面計算模型,通過有限差分法計算并分析邊坡水平位移場、豎直位移場、切應變增量等值陰影圖、塑性破壞區(qū)分布以及位移矢量圖,確定邊坡潛在滑動部位與滑面形狀,并依此預計邊坡總體變形破壞趨勢[14-15]。

計算中的巖體采用理想彈塑性本構模型Mohr-Coulomb屈服準則描述:

式中,σ1、σ3分別為最大和最小主應力;c、φ分別為黏聚力和內摩擦角。

當fs>0時,材料將發(fā)生剪切破壞。數(shù)值計算結果的可靠度很大程度上依賴于計算模型的建立,即巖體力學參數(shù)、本構模型及邊界條件選取的可靠性與合理性[16-17]。結合研究區(qū)域邊坡變形和地貌特征,對剖面構建分析模型如圖4所示。模型的前、后、左、右邊界為截離邊界,模型前、后邊界以Y方向位移約束,模型左、右邊界以X方向位移約束,模型底部邊界以Z方向位移約束,從而構成位移邊界條件,以保持整個系統(tǒng)的受力平衡[18-19]。

邊坡水平位移云圖和水平速度云圖如圖5所示。由圖5可以看出,坡體變形區(qū)域為+1 353 m和+1348m臺階,其余區(qū)域基本保持穩(wěn)定。+1353m和+1 348 m臺階區(qū)域以及下部+1 307 m臺階區(qū)域存在水平變形速度增大現(xiàn)象。

圖5 坡體水平位移、速度云圖Fig.5 Horizontal displacement and velocity cloud map of slope body

坡體總應力分布圖和剪應變增量云圖如圖6所示。由圖6可知,坡體不存在應力集中分布區(qū)域和剪應力增量明顯增大區(qū)域,不存在塑性變形區(qū)域。因此,坡體目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 坡體總應力、剪應變增量云圖 Fig.6 Cloud map of total stress and shear strain increment of slope body

4 邊坡穩(wěn)定性評價與優(yōu)化研究

4.1 現(xiàn)狀穩(wěn)定性評價

采用極限平衡法,建立模型計算邊坡安全系數(shù),如圖7所示,邊坡最下部臺階(+1 292～+1 246 m臺階)滑動安全系數(shù)為1.403(圖7(a)),坡體中部臺階(+1 348～+1 307 m臺階)滑動安全系數(shù)為1.675(圖7(b)),均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性Fig.7 Current stability of slope

4.2 邊坡參數(shù)優(yōu)化設計

邊坡現(xiàn)狀最小安全系數(shù)為1.403,大于1.2,處于穩(wěn)定狀態(tài),且抗滑力大于滑動力較多。為了保證邊坡安全情況下盡可能將煤炭資源采出,需要對邊坡參數(shù)進行優(yōu)化,保障利益最大化。設計邊坡參數(shù)優(yōu)化采用4種方案,邊坡角均按照優(yōu)化設計37°、臺階角度均按照優(yōu)化設計的70°來確定,方案1從+1 307 m臺階開始到坑底16煤,方案2從+1 348 m臺階開始到坑底16煤,方案3從優(yōu)化設計確定的地表界線(+1 348 m臺階處)開始到坑底16煤,方案4從+1 353 m臺階開始到優(yōu)化設計確定的坑底界線(16煤)。優(yōu)化臺階如圖8所示。

圖8 邊坡參數(shù)優(yōu)化Fig.8 Optimization of slope parameters

方案1優(yōu)化區(qū)域為從+1 307 m臺階開始到坑底16煤,+1 307 m以上臺階保持不變。將下部+1 307、+1 292、+1 262 m臺階平行向前推進,臺階+1 307 m以下坡體角度設計為37°,整體邊坡角,臺階+1 307 m向前推進65 m。方案2優(yōu)化區(qū)域為從+1 348 m臺階開始到坑底16煤,+1 348 m以上臺階不變,坡體剝離至+1 348 m臺階,+1 348 m臺階以下坡體角度設計為37°。方案3優(yōu)化區(qū)域為優(yōu)化設計確定的地表界線(+1 348 m臺階處)開始到坑底16煤,地表界線以上臺階不變。在方案2基礎上將+1 348 m臺階以下坡體整體推進17.5 m。方案4優(yōu)化區(qū)域為從+1 353 m臺階開始到優(yōu)化設計確定的坑底界線(16煤),+1 353 m以上臺階不變,將下部坡體剝離推進至+1 353 m臺階,推進距離50 m,+1 353 m臺階以下坡體角度設計為37°。

優(yōu)化方案臺階布置平面如圖9所示。

4.3 優(yōu)化后穩(wěn)定性評價

根據4種優(yōu)化方案建立模型,采用極限平衡法計算各方案邊坡穩(wěn)定性如圖10—圖13所示。搜索潛在滑移面優(yōu)化方案1滑移范圍為+1 348～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.308(圖10(a)),滑移范圍+1 353～+1 259 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.388(圖10(b))?？够笥诨瑒恿?安全系數(shù)均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

搜索潛在滑移面優(yōu)化方案2滑移范圍+1 348～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.266(圖11(a)),滑移范圍+1 353～+1 257 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.306(圖11(b))。抗滑力大于滑動力,安全系數(shù)均大于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

搜索潛在滑移面優(yōu)化方案3滑移范圍+1 353～+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.166(圖12(a)),滑移范圍從坡頂?shù)谒南蹬_階至+1 277 m臺階,臨界滑動面安全系數(shù)為1.304(圖12(b))?？够Υ笥诨瑒恿?安全系數(shù)均小于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)不足。

優(yōu)化方案4臨界滑動面安全系數(shù)為1.133(圖13(a))和1.172(圖13(b)),滑移面范圍從不同遠近坡頂?shù)谒南抵?1 277 m臺階,為多臺階滑動。抗滑力大于滑動力,安全系數(shù)小于1.2,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)不足。

經過對不同優(yōu)化方案計算分析可知,方案1—4邊坡最小安全系數(shù)分別為1.308、1.266、1.166和1.133,安全系數(shù)均大于1,抗滑力大于滑動力,坡體均未發(fā)生失穩(wěn)。但出于安全要求,邊坡安全系數(shù)必須大于1.2,方案3和方案4不滿足安全要求,方案1和方案2滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2為最優(yōu)方案。鑒于目前現(xiàn)狀,建議前期采用方案1,剝采結束后,對邊坡穩(wěn)定狀況進行進一步論證,再采用方案2繼續(xù)剝采。

圖9 優(yōu)化方案臺階布置平面Fig.9 Layout plan of optimization plan step

圖10 優(yōu)化方案1邊坡穩(wěn)定性計算Fig.10 Optimization scheme 1 slope stability calculation

圖11 優(yōu)化方案2邊坡穩(wěn)定性計算Fig.11 Optimization scheme 2 slope stability calculation

圖12 優(yōu)化方案3邊坡穩(wěn)定性計算Fig.12 Optimization scheme 3 slope stability calculation

圖13 優(yōu)化方案4邊坡穩(wěn)定性計算Fig.13 Optimization scheme 4 slope stability calculation

5 結論

通過現(xiàn)場調查分析該露天礦西部端幫邊坡情況,結合該礦地質條件,分析西部端幫邊坡土巖物理力學特性,確定巖土物理力學參數(shù),建立剖面數(shù)值模型。通過有限差分法進行邊坡變形破壞機理分析,基于剝挖現(xiàn)狀對西部邊坡現(xiàn)狀進行邊坡穩(wěn)定性評價,并對西部邊坡進行了4種方案的參數(shù)優(yōu)化,對優(yōu)化后的邊坡進行穩(wěn)定性分析,對比提出了推薦方案。

(1)該煤礦西側邊坡存在2處滑坡區(qū)域:南部滑坡區(qū)域和北部滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域地表有1片裂縫區(qū)域、1塊剝挖治理區(qū)域和3塊滑坡區(qū)域,裂縫區(qū)域與剝挖治理區(qū)域連為一體,剝挖治理區(qū)域邊緣有2塊剝挖治理土方滑落形成的滑坡區(qū);北部滑坡區(qū)域有單獨的1片滑坡區(qū)域。南部滑坡區(qū)域裂縫長約460 m、寬約20 m,地表剝挖治理區(qū)域平面面積約7 350 m2,滑坡區(qū)域平面面積約為31 600 m2;北部滑坡區(qū)平面面積約23 000 m2。

(2)通過整理、分析以往礦區(qū)試驗資料,并結合類似礦山巖土體物理力學指標進行歸納、總結,采用強度折減法得出該礦此次邊坡穩(wěn)定分析的巖土體物理力學指標推薦值。通過極限平衡分析,計算邊坡現(xiàn)狀最小安全系數(shù)為1.403,邊坡安全系數(shù)大于1.2,滿足安全生產要求。

(3)設計4種邊坡參數(shù)優(yōu)化方案,分別對4種方案邊坡穩(wěn)定性進行計算。結果顯示,4種方案邊坡安全系數(shù)分別為1.308、1.266、1.166和1.133。方案1和方案2邊坡安全系數(shù)大于1.2,均滿足安全要求,方案2資源采出率更高。因此,方案2既能保證邊坡安全,又能實現(xiàn)資源回收率最大。鑒于目前現(xiàn)狀,建議前期采用方案1,剝采結束后,對邊坡穩(wěn)定狀況開展進一步論證,再采用方案2繼續(xù)剝采。