某露天礦南端幫邊坡穩(wěn)定性分析及治理措施

陳亞飛，紀(jì)玉石，韓 猛

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

某礦南端幫邊坡自2015年以來曾多次發(fā)生滑坡或片幫現(xiàn)象，截止到2017年9月,在原有滑坡的基礎(chǔ)上，滑坡后緣向南延伸了25 m，地表出現(xiàn)了眾多平行于滑坡后緣邊界線的裂縫，裂縫寬度0.5～10 cm不等，裂縫逐漸接近剝離生活區(qū)，滑體東西寬約150 m。該礦南端幫地表標(biāo)高為+653 m,原滑體前緣578平盤裂縫寬度達(dá)0.5～1.0 m，數(shù)量眾多，平盤出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓與隆起現(xiàn)象，且滑體前緣底鼓與隆起位置向前移動了約60 m，至566水平，滑體有進(jìn)一步向前滑動的趨勢，現(xiàn)已影響到南端幫巖土剝離工作，后續(xù)將嚴(yán)重影響南端幫下部煤層開采工作。因此，對南端幫進(jìn)行綜合治理已迫在眉睫。

1 地質(zhì)條件概況

礦區(qū)全部被第四系地層所覆蓋，區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層自上而下有：新生界第四系海拉爾組（Qh）、伊敏組（K1ym）、大磨拐河組（K1d）、甘河組（K1gh）、中生界白堊系下統(tǒng)的龍江組（K1lj）。研究地層主要涉及新生界第四系海拉爾組（Qh）和伊敏組（K1ym）2組地層。

1）新生界第四系海拉爾組（Qh）。上部為腐植土、風(fēng)成砂，下部為礫石、黏土及亞黏土,該組地層厚度為18.8～61.0 m,平均29.4 m，與下伏伊敏組地層呈不整合接觸。

2）中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1ym）。本組地層為一套粗碎屑巖夾特厚煤層沉積的含煤地層，地層厚度為230.0～280.0 m,平均250.0 m，與大磨拐河組地層呈整合接觸。該組地層由泥巖、碳質(zhì)泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和煤層組成。可采煤層為9煤和10煤，9煤層是本區(qū)的主采煤層，埋藏深度最小22.0 m，最大270.0 m，煤層可采厚度最小5.10 m，最大50.94 m，平均31.94 m。10煤層埋藏深度最小22.0 m，最大280.39 m，煤層可采厚度最小0.40 m，最大7.28 m，平均2.01 m。

2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

該礦影響邊坡穩(wěn)定的不利地質(zhì)因素較多，而關(guān)于南端幫的專向地質(zhì)資料有限，因此在南端幫滑坡區(qū)域新增1條勘探線，4個鉆孔，從南至北依次為ND17-1、ND17-2、ND17-3、ND17-4，用以查清軟弱層位置、厚度、不良地質(zhì)構(gòu)造、滑坡參數(shù)等。根據(jù)本次滑坡區(qū)補(bǔ)充地質(zhì)勘察所得試驗成果、以往巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果及巖石-巖體折減結(jié)果，同時參考以往地質(zhì)資料，結(jié)合滑坡反分析所確定的弱層指標(biāo)。巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)推薦指標(biāo)

3 南端幫邊坡穩(wěn)定性評價

極限平衡法又稱條分法，常用于邊坡穩(wěn)定性評價當(dāng)中，該方法主要具備計算模型簡單易懂、計算參數(shù)相對固定、計算結(jié)果物理意義明確等特點。該方法主要思想是假設(shè)潛在的滑動破壞面，并將滑體劃分為若干條塊，通過對每個條塊建立靜力平衡方程來建立整個滑體的平衡方程，并將潛在滑面上的抗剪力與剪切力之比作為潛在滑體的穩(wěn)定性系數(shù)。隨著極限平衡法的發(fā)展，出現(xiàn)了很多更為簡化的方法，例如 Bishop法、Ordinary法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-price法、Sarma法、不平衡推力法和傳遞系數(shù)法等[1]。本次穩(wěn)定性計算采用Morgensternprice法來求解邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)[2]，該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件來消除計算方法的誤差，使得計算結(jié)果更加精確。

本次南端幫邊坡安全儲備系數(shù)的確定主要按照《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》之有關(guān)規(guī)定，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs見表2。依據(jù)對研究區(qū)域工程地質(zhì)條件的認(rèn)識程度和對所收集到的資料的掌握程度，以及邊坡穩(wěn)定性對露天礦生產(chǎn)的重要程度，確定南端幫邊坡安全儲備系數(shù)為1.1[3]。

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs

本次在南端幫共建立剖面15和剖面16進(jìn)行現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析計算。剖面15和剖面16地形剖面圖及穩(wěn)定計算結(jié)果如圖1～圖5。

圖1 剖面15滑坡后地形剖面圖

圖2 剖面15現(xiàn)狀邊坡滑體沿滑面繼續(xù)下滑穩(wěn)定計算結(jié)果

圖3 剖面15現(xiàn)狀邊坡滑體后緣后擴(kuò)并沿弱層下滑穩(wěn)定計算結(jié)果

經(jīng)計算剖面15區(qū)域現(xiàn)狀邊坡滑體沿滑面繼續(xù)持續(xù)下滑的穩(wěn)定系數(shù)為1.023，滑體后緣后擴(kuò)并沿弱層剪出時的穩(wěn)定系數(shù)為1.029，邊坡穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)。經(jīng)計算剖面16區(qū)域現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.995，潛在剪出位置為602水平，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 剖面16地質(zhì)剖面圖

圖5 剖面16現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

通過對剖面15和剖面16進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算，得出剖面15區(qū)域邊坡處于臨界狀態(tài)，剖面16區(qū)域邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 南端幫邊坡治理措施

通過前面的穩(wěn)定性分析，得出該礦南端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)不能滿足安全儲備要求，因此需采取必要的邊坡治理措施，以防止邊坡滑坡范圍持續(xù)擴(kuò)大，并保證后續(xù)剝離及開采工作人員、設(shè)備安全。建議南端幫邊坡治理措施應(yīng)以削坡減載、清理滑體、調(diào)整邊坡參數(shù)為主，同時輔以地下水防治措施及邊坡監(jiān)測措施[4-9]。

4.1 削坡減載和清理滑體及調(diào)整邊坡參數(shù)措施

由于南外排距南端幫最近距離為542 m，因此在擴(kuò)幫的同時應(yīng)考慮南端幫與南外排的安全距離。選剖面15為計算剖面，以2018年設(shè)計邊坡坡腳為基準(zhǔn)。當(dāng)邊坡角為15°時，須要向南擴(kuò)幫131 m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.675。當(dāng)邊坡角為14°時，需向南擴(kuò)幫166 m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.708。當(dāng)邊坡角為13°時，需向南擴(kuò)幫205 m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.739。當(dāng)邊坡角為12°時，需向南擴(kuò)幫254 m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.103。當(dāng)邊坡角為11°時，須向南擴(kuò)幫317 m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.274。坡角-穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系表見表3。

根據(jù)邊坡角與穩(wěn)定性關(guān)系可以看出在坡角從13°到12°變化期間，穩(wěn)定系數(shù)發(fā)生非線性變化，這是因為此時邊坡上部滑體基本清理干凈，滑坡模式從大于13°時以滑體松散物滑動為主轉(zhuǎn)化為沿深部弱層滑動為主，因此在該處產(chǎn)生明顯的拐點。為保證擴(kuò)幫后南外排土場-采場復(fù)合邊坡穩(wěn)定性，同時以盡量減少擴(kuò)幫工程量為出發(fā)點，推薦采用滑體全部清理、以12°（邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.1）作為現(xiàn)階段邊坡參數(shù)調(diào)整方案。

表3 坡角-穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系表

4.2 防排水措施

通過不同含水率試驗可知，隨著含水率的增大，巖石的抗剪強(qiáng)度急劇降低，尤其是對黏聚力的影響更為明顯。南端幫第四系邊坡為主要持水邊坡，砂土礫石層為主要含水層，礫石層下方黏土層為主要隔水層，同時也是潛在弱層，當(dāng)黏土層在地下水長期滯留浸泡作用下，黏土層強(qiáng)度勢必降低，對邊坡穩(wěn)定較為不利，本次地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)南端幫出水位置主要在砂土礫石層與黏土層交界處，南端幫最初滑坡也是沿著該層，因此第四系潛水對邊坡穩(wěn)定的影響必須加以重視。

1）地表水處理。露天礦南端幫地面區(qū)域總體地勢較低，極易造成匯水滯留，地質(zhì)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)南端幫地面有匯水存在。地面匯水對南端幫第四系邊坡穩(wěn)定極為不利，建議采用疏水明渠或積水坑的方式，及時進(jìn)行地面匯水疏排。

2）滑坡區(qū)防水措施。建議在滑坡區(qū)周圍設(shè)置防水圍堰，防止地面匯水沿裂縫滲入地下,活化滑面及弱層。同時，一旦發(fā)現(xiàn)滑體內(nèi)有地下水滲出必須立即疏排，嚴(yán)禁水體在滑體前緣滯留。

3）地下水疏干。通過補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南端幫涌水主要來自風(fēng)成砂層和第四系地層交界處。因此，建議針對南端幫風(fēng)成砂層的潛水進(jìn)行疏干，以提高南端幫四系層巖體力學(xué)強(qiáng)度。

4.3 邊坡監(jiān)測

南端幫現(xiàn)狀邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，既存在既有滑體持續(xù)下滑風(fēng)險，又存在滑坡范圍擴(kuò)大風(fēng)險，因此在后續(xù)剝離尤其擴(kuò)幫清理滑體過程中，必須保證在邊坡實時監(jiān)測條件下進(jìn)行，防止災(zāi)害性滑坡發(fā)生。綜合考慮南端幫工程地質(zhì)條件差、滑坡災(zāi)害頻發(fā)、與南外排土場最終形成約330 m高大復(fù)合邊坡的客觀現(xiàn)實，其邊坡監(jiān)測必須滿足“全覆蓋”、“面監(jiān)測”、“實時預(yù)警”等要求，結(jié)合目前國內(nèi)邊坡監(jiān)測領(lǐng)域各類技術(shù)的優(yōu)缺點及適用條件，建議采用MSR邊坡雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)作為邊坡監(jiān)測主要措施[10-11]。

5 結(jié)語

研究區(qū)域地層自上而下由腐植土、風(fēng)成砂，礫石、黏土及亞黏土，泥巖、碳質(zhì)泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和煤層組成。綜合推薦巖土體弱層指標(biāo)為：第四系弱層黏聚力C=8.8～11.3 kPa,內(nèi)摩擦角φ=10.1°～11.2°, 密度 ρ=1.78 t/m3。泥巖弱層 C=9.5～12.7 kPa，φ=7.9°～9.4°，ρ=17.8 t/m3。通過穩(wěn)定性分析計算，得出剖面15區(qū)域邊坡處于臨界狀態(tài)，剖面16區(qū)域邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。南端幫邊坡治理措施應(yīng)以削坡減載、清理滑體、調(diào)整邊坡參數(shù)為主，同時輔以防排水措施及邊坡監(jiān)測措施。