高偉程
(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司 沈陽(yáng)分公司,遼寧 沈陽(yáng) 110031)
隨著我國(guó)露天煤礦開(kāi)采深度不斷增加,高陡邊坡日趨常態(tài)化,高陡邊坡問(wèn)題日漸突出,高陡邊坡穩(wěn)定性成為制約安全與經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素之一[1]。而軟弱夾層是地層巖體中的非連續(xù)性面,其物理力學(xué)性質(zhì)較差,往往是造成邊坡滑坡主要因素之一[2-3]。因此,探討含軟弱夾層高陡邊坡變形破壞機(jī)理,有利于高陡邊坡穩(wěn)定性研究及危險(xiǎn)邊坡治理。目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)露天邊坡已經(jīng)進(jìn)行了一系列研究。例如呂金星等[4]以勝利露天煤礦邊坡為例,基于數(shù)值模擬分析邊坡漸進(jìn)性破壞,研究表明巖石的流變特性引起邊坡漸進(jìn)破壞,最終導(dǎo)致滑坡;陶志剛等[5]基于高陡邊坡物理模擬試驗(yàn),確定邊坡滑坡時(shí)內(nèi)部應(yīng)力破壞規(guī)律及NPR 錨索力學(xué)特性,并證實(shí)NPR 錨索具有超前預(yù)警功能;何怡等[6]以四川某含弱層高邊坡為研究對(duì)象,基于應(yīng)變軟化M-C 模型分析礦山邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程,明確弱層含水量對(duì)邊坡破壞的影響;范昊天等[7]以蘇州某礦區(qū)滑坡區(qū)為研究對(duì)象,基于顆粒流離散元法建立PFC 邊坡模型,分析含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理及滑動(dòng)時(shí)應(yīng)力狀態(tài),為邊坡治理提供理論基礎(chǔ)。
基于平朔東露天礦以往勘探資料,得出露天礦南幫主要巖性有砂巖、泥巖、泥砂巖互層、粉質(zhì)黏土、煤層及弱層。其中弱層由富含高嶺土等黏土礦物組成,在地下水的長(zhǎng)期浸潤(rùn)下,力學(xué)強(qiáng)度極低,嚴(yán)重影響邊坡穩(wěn)定。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,在底部1245 臺(tái)階上有明顯錯(cuò)動(dòng)跡象,在上部1 345 m 水平有裂縫顯現(xiàn),存在邊坡發(fā)生大規(guī)模滑坡的危險(xiǎn)。
根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)條件、以往地質(zhì)鉆孔資料、滑坡反分析及節(jié)理化強(qiáng)度分析,以初步設(shè)計(jì)為依據(jù),構(gòu)建典型工程地質(zhì)模型,其地層依次為粉質(zhì)黏土、泥巖、泥砂巖互層、砂巖、弱層、泥巖、煤等,如圖1,相關(guān)巖土力學(xué)參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。
圖1 典型工程地質(zhì)剖面
表1 巖土力學(xué)參數(shù)推薦值
露天邊坡工程是一門復(fù)雜的涉及多學(xué)科的邊緣學(xué)科,其集采礦、安全、地質(zhì)、力學(xué)等為一體[8]。露天邊坡失穩(wěn)通常受多因素影響,其穩(wěn)定性研究極為復(fù)雜而且十分困難,不僅寄托于理論學(xué)科研究,還應(yīng)結(jié)合實(shí)踐的積累。通常采用物理模擬(相似實(shí)驗(yàn))、邊坡監(jiān)測(cè)(GNSS、雷達(dá)監(jiān)測(cè)等)和數(shù)值模擬(有限元、有限差分等)3 種研究方法,結(jié)合理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得出邊坡變形破壞機(jī)制和規(guī)律[9]。
利用有限元軟件,構(gòu)建典型剖面數(shù)值模擬模型,相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用位移邊界條件進(jìn)行模型約束,固定x=0 和x=474 2 個(gè)面x 方向位移,固定y=0 和y=100 2 個(gè)面y 方向位移,固定底面z=0豎直方向位移,頂面為自由邊界條件,介質(zhì)的彈塑性狀態(tài)采用理想的摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型描述,用以保持受力體系的平衡。
對(duì)典型剖面進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,高陡軟弱夾層邊坡水平方向位移云圖、總位移云圖、剪應(yīng)力云圖及剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖2~圖5。
圖2 水平方向位移云圖
圖3 總位移云圖
圖4 剪應(yīng)力云圖
圖5 剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D
由圖2 和圖3 可知,邊坡呈現(xiàn)上部第四系沉降,下部沿弱層剪出,總位移最大約0.256 m,發(fā)生在第四系黏土層區(qū)域,水平最大位移量約0.218 m,發(fā)生在弱層上方+1 355~1 380 m 水平。由圖4 可知,弱層上部1 355~1 380 m 水平出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中,表現(xiàn)為拉應(yīng)力,總體呈應(yīng)力剪出狀。由圖5 可知,邊坡剪應(yīng)變?cè)隽枯^大的位置主要集中在+1 355 m 水平弱層位置,尚未見(jiàn)貫通。綜上,南幫邊坡潛在滑移面是由切層巖體和軟弱夾層面組成的復(fù)合滑面,即南端幫邊坡的破壞模式主要為沿弱層滑動(dòng)的“坐落-滑移式”。
選取極限平衡理論體系分析邊坡穩(wěn)定性[10]。依據(jù)“露天煤礦工程設(shè)計(jì)規(guī)范”相關(guān)規(guī)定,礦區(qū)非工作幫臨時(shí)性邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs取值范圍為1.00~1.20,根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料、邊坡邊坡現(xiàn)狀及南幫邊坡對(duì)露天礦的作用,本次選取安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.10。根據(jù)所建立的外排土場(chǎng)典型工程地質(zhì)剖面圖,巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見(jiàn)表1,利用Morgenstern-Price 法分析外排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性,穩(wěn)定分析結(jié)果如圖6。
圖6 穩(wěn)定分析結(jié)果
根據(jù)典型剖面邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知,邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.01,邊坡處于極限平衡態(tài),正在蠕動(dòng)變化,易發(fā)生滑坡事故。
鑒于南幫上部1 345 m 水平有裂縫顯現(xiàn)的現(xiàn)狀,為防止出現(xiàn)坡頂裂隙與弱層貫通,造成邊坡滑動(dòng)??紤]露天礦地質(zhì)條件、礦區(qū)現(xiàn)狀、治理的迫切性、施工費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性及施工安全性,選削坡減載治理為主,GNSS 監(jiān)測(cè)為輔的治理設(shè)計(jì)方案。
治理工程涉及+1 320~+1 380 m 水平范圍,削坡減載治理方案設(shè)計(jì)主要原則為:在開(kāi)采境界內(nèi),保障上部運(yùn)輸?shù)缆吠暾?,保障上部供電系統(tǒng)、其它設(shè)備位置不變,保障+1 350 m 水平運(yùn)輸?shù)缆穼挾炔恍∮?0 m,同時(shí)確保上部松散第四系黃土穩(wěn)定。
以現(xiàn)狀邊坡特征為基礎(chǔ),參考礦區(qū)初步設(shè)計(jì),同時(shí)結(jié)合邊坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,選取單臺(tái)階角度為55°,設(shè)計(jì)邊坡整體南移10、15、20、25、30 m,治理設(shè)計(jì)曲線如圖7。
圖7 治理設(shè)計(jì)曲線
根據(jù)圖7 計(jì)算結(jié)果及南幫安全儲(chǔ)備系數(shù)要求,確定南幫最優(yōu)削幫方案為南擴(kuò)25 m,單坡面角55°,穩(wěn)定系數(shù)1.110,滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求。同時(shí)可知,該設(shè)計(jì)方案下南幫單剖面開(kāi)挖量約455 m2,其中土方量273 m2,巖石182 m2。
為確保南幫邊坡的長(zhǎng)治久安,保證礦區(qū)正常生產(chǎn)作息安全,需建立健全“礦山邊坡監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)”,保證邊坡實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制,避免“為了監(jiān)測(cè)而監(jiān)測(cè)”或“只監(jiān)不控”局面的繼續(xù),故在邊坡變形區(qū)建立在線邊坡監(jiān)控系統(tǒng)(GNSS 邊坡監(jiān)控系統(tǒng)),對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析,繪制速度監(jiān)測(cè)成果,治理前位移曲線圖如圖8。
圖8 治理前位移曲線圖
由圖8 可知,變形區(qū)范圍內(nèi)DLT-01~DLT-04監(jiān)測(cè)點(diǎn)日均位移處于20.36~29.43 mm/d。未出現(xiàn)明顯加速階段,邊坡處于蠕動(dòng)變形階段與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行有效解算、處理與分析,能夠形成相應(yīng)的位移數(shù)據(jù)曲線,為邊坡“臨滑預(yù)警”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
1)基于數(shù)值模擬分析可知,平朔東露天礦邊坡變形破壞機(jī)理為沿軟弱夾層的“坐落-滑移”式破壞模式。水平最大位移量約0.218 m,發(fā)生在弱層上方+1 355~1 380 m 水平。
2)基于現(xiàn)場(chǎng)勘查及極限平衡法可知,南幫現(xiàn)狀邊坡處于極限平衡狀態(tài),并正在蠕動(dòng)變形,亟需開(kāi)展邊坡治理工程。
3)綜合考慮各種治理措施,針對(duì)南幫現(xiàn)狀提出:以削幫減載為主,GNSS 監(jiān)測(cè)為輔。治理設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.10,滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求;GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀邊坡變形速率約為0.025 m/d,需要盡快推進(jìn)治理方案。