劉向峰，何 峰，王來貴

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

遼寧海州露天礦國家礦山公園邊坡穩(wěn)定性分析

劉向峰，何 峰，王來貴

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

海州露天礦是我國大型露天煤礦之一，目前已閉坑，準(zhǔn)備建成國家礦山公園，但礦坑北幫受斷層及弱層影響，滑坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害十分嚴(yán)重，為保證海州露天礦國家礦山公園建設(shè)的順利進(jìn)行，對礦坑北幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價非常必要。本文利用 FLAC-2D軟件對 E12、E16、E18、E20等四個剖面的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，用強度折減法計算出了各剖面的安全系數(shù)。對安全系數(shù)較低的區(qū)域提出了相應(yīng)的加固措施，并對加固措施的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明加固措施是安全的、可行的。

國家礦山公園;邊坡穩(wěn)定性;安全系數(shù);弱層;海州露天礦

0 引言

海州露天煤礦是我國“一五”期間建設(shè)的大型露天煤礦，1953年正試投產(chǎn)，2005年閉坑。經(jīng)過50多年的開采，在采出2.2億噸煤炭的同時，也形成了東西長3.9km，南北寬1.8km，深度超過350m的露天礦坑［1］。2005年7月，海州露天煤礦被批準(zhǔn)成為我國首批國家礦山公園建設(shè)單位之一。

長期以來，海州露天煤礦在生產(chǎn)過程中存在重礦山資源開發(fā)，輕礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理的情況，采礦活動給礦山地質(zhì)環(huán)境帶來巨大的破壞，露天礦坑及周邊地區(qū)滑坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害非常嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，1993～2004年，海州露天煤礦共發(fā)生滑坡85次，平均每年發(fā)生1.6次，造成經(jīng)濟損失超過3億元［2］。

海州露天煤礦在進(jìn)行國家礦山公園建設(shè)過程中，首先要進(jìn)行園區(qū)內(nèi)滑坡、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害治理，只有消除了地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患，才能更好的保護(hù)礦業(yè)生產(chǎn)遺跡，對游人開放。本文對海州露天礦坑北幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算了各剖面的安全系數(shù)，對安全系數(shù)較低的區(qū)域提出了壓腳、錨固等處理措施，并計算了這些處理措施的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 邊坡工程地質(zhì)概況

海州礦位于阜新市細(xì)河南岸，阜新煤田中部，設(shè)計開采深度350m，采深已達(dá)350m，形成了北幫18°～20°的到界邊坡。采用非工作幫底板折返固定坑線環(huán)形鐵道運輸，沿煤層地板拉鉤向頂板推進(jìn)，水平分層開采。從邊坡穩(wěn)定條件看，南幫(工作幫)為逆層邊坡，屬于相對穩(wěn)定型。北幫(非工作幫)為順層邊坡，屬于相對不穩(wěn)定型。在太平下層煤底板以下，出露的巖石主要為砂質(zhì)頁巖和砂巖，并且每隔5～20m有一層軟弱夾層出現(xiàn)，其巖性以薄煤層和炭質(zhì)頁巖為主，少數(shù)為灰色頁巖。編號從上到下分別為1#、2#、3#、……9#。1#～3#弱層在露天西部與太下煤層底板逐漸合并，由于這些弱層的力學(xué)指標(biāo)較低，滑坡體如有滑動均會沿上述弱層滑落。

1.1 地層巖性

海州露天煤礦是阜新含煤盆地主要含煤地層，該地層共有六個煤層群，其埋藏順序(由上而下)如下:水泉層群、孫家灣群層、中間層群、太平上下群層及高德層群。其中部除高德層群未被揭露外其余五個層群均被露天采剝，各煤巖層厚度及巖層巖性如下:表層第四紀(jì)沖積層，主要分布在露天北部細(xì)河兩岸及東南端邦舊河床地帶，厚度為5～16m，是礦區(qū)內(nèi)主要含水地層，下伏與侏羅系巖層呈角度不整合接觸。

海州含煤地層為陸相盆地沉積，巖性由顆粒不等的砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)頁巖和煤層構(gòu)成，巖相和厚度變化均較大，可采煤層頂板以上巖層是由粗顆粒砂巖，砂礫巖和厚層砂質(zhì)頁巖構(gòu)成。煤層底板以下巖層是由泥質(zhì)砂頁、砂巖夾薄煤層構(gòu)成。泥質(zhì)砂頁巖層層理發(fā)育，風(fēng)化后多呈薄片狀碎塊，遇水后軟化呈可塑狀，巖石內(nèi)自然含水率較高，力學(xué)強度低于煤層頂板上巖層。特別值得一提的是在北邦的單斜巖層中有編號為1～9號的煤系軟質(zhì)頁巖層［3-6］，為控制北邦邊坡變形與破壞的軟弱巖層，如圖1海州露天煤礦地質(zhì)平面簡圖所示。

圖1 海州露天煤礦地質(zhì)平面簡圖Fig.1 Simplified geologic plan of Haizhou open-pit mine

1.2 水文地質(zhì)條件

(1)第四系沖積層孔隙潛水含水層(類型Ⅰ)

含水層由卵石、砂礫、粗砂等組成，一般厚度2～8m。底板為透水性很弱的風(fēng)化砂質(zhì)頁巖和風(fēng)化砂巖。潛水流向隨基底坡向(坡度2‰)由 NE-SW，與細(xì)河水流向相同，水位標(biāo)高+170～+161。滲透系數(shù)K=1.62 × 10-4m·s-1。

(2)侏羅系裂隙承壓(或局部承壓)含水組(類型Ⅱ)

該含水組在區(qū)內(nèi)為太平煤層底板以下的侏羅系地層，由砂巖、砂質(zhì)頁巖、煤等巖層組成，主要以構(gòu)造裂隙貯水。

(3)東部1號斷層破碎帶裂隙含水組(Ⅲ)

破碎帶寬5～10m，發(fā)育數(shù)層斷層泥使含水組處于相對隔絕狀態(tài)。滲透系數(shù) K=1.58×10-9m·s-1。

另外，礦區(qū)雨量集中 7、8、9月，年降雨總量為383～661mm，平均降雨量 520mm，月降雨量 0～344mm，日最大降雨量131mm，土壤最大凍深1.4m。

1.3 弱層工程地質(zhì)特點

(1)4#弱層在F東1上盤，由0.5～1.5m厚的煤層組成，煤質(zhì)好，但較破碎，其凝聚力C=0.1kg/cm2，內(nèi)摩擦角Φ=16°。4#下弱層，在4#層之下，距4#弱層1～4m，厚度為0.1～0.5m，其凝聚力 C=0.1kg/cm2，內(nèi)摩擦角 Φ =17°。

(2)5#弱層在 E23剖面附近出露，由2～3個薄煤層組成，每層厚0.2～0.5m，薄煤層間隔1～3m，其凝聚力C=0.2kg/cm2，內(nèi)摩擦角 Φ=19°

(3)6#弱層在 E23附近有露頭，主要由煤層組成，厚0.5m左右，煤質(zhì)略差，有時也分成2～3個薄煤層。其凝聚力C=0.2kg/cm2，內(nèi)摩擦角Φ=19°。

(4)7#弱層在 E23～E24剖面之間可見其露頭，由薄煤層組成，厚0.5～1m，局部夾泥化炭質(zhì)頁巖，炭質(zhì)頁巖層厚0.1～0.3m。其凝聚力C=0.24kg/cm2，內(nèi)摩擦角Φ=13.81°。

(5)8#弱層在F東1下盤均布分布，由光亮-半光亮的煤層組成，厚0.5～1m，較破碎。在煤層中夾一層0.1～0.2m的泥化炭質(zhì)頁巖，含水量大，呈塑性。其凝聚力 C=0.45kg/cm2，內(nèi)摩擦角 Φ=19.71°。8#弱層是影響該區(qū)邊坡穩(wěn)定的主要弱層。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

根據(jù)海州露天礦坑的斷層、弱層等地質(zhì)構(gòu)造的分布情況及歷史上滑坡災(zāi)害的發(fā)生情況，本次數(shù)值模擬主要對E12、E16、E18、E20等四個剖面的北幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，各巖層及弱層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示［3］。數(shù)值計算采用有限差分法和有限元進(jìn)行，并采用強度折減法［7-8］計算各剖面的安全系數(shù)。強度折減有限元法的應(yīng)用，有助于考慮巖土介質(zhì)與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用，獲得支擋結(jié)構(gòu)上真實的推力分布狀況，它們是在土體處于極限平衡狀態(tài)下獲得的。

2.1 E12剖面數(shù)值模擬結(jié)果

模型幾何尺寸高 408m，寬 1670m，下標(biāo)高-250m，上標(biāo)高 +158m。弱層從上往下，依次為4#、5#、6#、7#和 8#弱層。

通過對E12斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計算，得到沿各弱層發(fā)生滑動的安全系數(shù)如表2所示。

因此可判斷，控制 E12剖面邊坡穩(wěn)定性的主要是5#弱層，但其安全系數(shù)大于1.5，不需進(jìn)行加固處理。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 The table of physical and mechanical parameters of rock layer

表2 E12剖面沿各弱面滑動安全系數(shù)Table 2 Factor of safety of the slope along each weak layer of the profile E12

2.2 E16剖面數(shù)值模擬結(jié)果

E16剖面幾何尺寸寬950m，高270m，下邊界標(biāo)高為-142m，坑底標(biāo)高為-113m。通過對4#、5#、6#、7#弱層分別進(jìn)行整體及局部穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，E16剖面邊坡穩(wěn)定性受弱面控制明顯，安全系數(shù)較低，尤其是弱層含水時，極易發(fā)生滑坡災(zāi)害，必須要采取加固措施。

表3 E16剖面安全系數(shù)Table 3 Factor of safety profile of the E16

2.3 E18剖面數(shù)值模擬結(jié)果

E18剖面幾何尺寸寬1230m，高330m，下邊界標(biāo)高為-150m，坑底標(biāo)高為-127m。對該剖面按弱層不含水與弱層含水兩種情況進(jìn)行模擬，得到的邊坡安全系數(shù)分別為1.75和1.14，如圖2，圖3所示。

可見，導(dǎo)致邊坡滑動的原因主要為5#、6#和7#弱層，其中6#和7#弱層為主要滑移面，當(dāng)弱層不含水時邊坡總體相對穩(wěn)定。若水入滲到各弱層使得其隨時間的推移整個邊坡會沿弱層發(fā)生蠕動，導(dǎo)致整體滑坡，所以建議對5#、6#和7#弱層對應(yīng)地面處采取相應(yīng)的隔水處理措施。

圖2 E18剖面弱層不含水情況的可能滑面及安全系數(shù)Fig.2 Factor of safety and possible slide face of the profile E18 without considering the affect of water

圖3 E18剖面弱層含水情況的安全系數(shù)及可能滑面Fig.3 Factor of safety and possible slide face of the profile E18 with considering the affect of water

2.4 E20剖面數(shù)值模擬結(jié)果

在不影響計算結(jié)果的前提下，E20剖面模型經(jīng)過簡化其寬為972m，長為345m，下邊界標(biāo)高為-115m，坑底標(biāo)高為-75m。對該剖面按弱層不含水與弱層含水兩種情況進(jìn)行模擬，得到的邊坡安全系數(shù)分別為1.90和1.25，如圖4，圖5所示。

圖4 E20剖面弱層不含水情況的可能滑面及安全系數(shù)Fig.4 Factor of safety and possible slide face of the profile E20 without considering the affect of water

圖5 E20剖面弱層含水情況的安全系數(shù)及可能滑面Fig.5 Factor of safety and possible slide face of the profile E20 with considering the affect of water

導(dǎo)致邊坡滑動的原因主要為6#、7#和8#弱層，其中8#弱層為主要滑移面，邊坡總體相對穩(wěn)定，由于滑移面與地面貫通，若水入滲到各弱層使得其隨時間的推移整個邊坡會沿弱層發(fā)生蠕動，導(dǎo)致整體滑坡，所以建議對6#、7#和8#弱層對應(yīng)地面處采取相應(yīng)的隔水處理措施。

3 邊坡加固措施及效果模擬

3.1 邊坡加固措施

通過以上邊坡穩(wěn)定性計算，各剖面均存在一定的滑坡穩(wěn)定性，尤其是E16剖面，弱層含水時邊坡幾乎處于極限平衡狀態(tài)，安全系數(shù)不足1.1。必須要采取必須的措施進(jìn)行加固。通過對E16剖面的整體與局部穩(wěn)定性計算與分析可知，E16剖面邊坡主要受4#、5#、6#、7#弱層控制，其可能的破壞機制為沿某一弱層滑移，在坡腳處以圓弧滑面剪出，其推力與剪力最大處位于整體邊坡水平位置距坡腳約五分之一至四分之一處，因此在該位置應(yīng)該采取壓腳處理，防治滑塊剪出。同時，應(yīng)該施工貫穿各弱層的錨索，提高弱層的抗剪能力，提高邊坡的安全系數(shù)。

3.2 邊坡加固措施效果模擬

對E16剖面邊坡采用壓腳與錨索聯(lián)合加固措施，加固示意圖如圖6所示，聯(lián)合加固參數(shù)如表4所示。

表4 壓坡腳、錨索聯(lián)合加固參數(shù)表Table 4 The parameters of reinforcement

圖6 E16剖面邊坡壓腳、錨索聯(lián)合加固示意圖Fig.6 Arrangement of the reinforcement of profile E16 with anchor and loading on the heel of slope

計算結(jié)果表明，采取如上聯(lián)合加固措施后，弱層不含水時的安全系數(shù)為2.06，弱層含水情況的安全系數(shù)為1.53，加固效果明顯，可有效防止滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對海州露天礦國家礦山公園北幫E12，E16，E18，E20剖面的邊坡穩(wěn)定性計算，得到如下結(jié)論:

(1)北幫 E12，E16，E18，E20 剖面邊坡的穩(wěn)定性主要受弱層控制;

(2)弱層含水時各剖面邊坡安全系數(shù)降低，當(dāng)弱層含水時，E16，E18，E20剖面邊坡的安全系數(shù)小于1.25，其中E16剖面邊坡幾乎處于極限平衡狀態(tài)，發(fā)生滑坡的可能性極大;需要對各弱層在北幫露頭處采取必要的隔水措施，防止大氣降水等滲入弱層;

(3)對E16剖面必須要采取邊坡加固工程，根據(jù)該剖面邊坡的可能破壞機制，可采取壓腳與錨索施工聯(lián)合加固措施，數(shù)值計算表明，采取該聯(lián)合加固措施后，邊坡安全系數(shù)大于1.5，加固效果明顯。

［1］馮美生，王來貴，等.海州露天礦邊坡穩(wěn)定性及變形分析［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2005，16(4):20-24.

［2］中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.海州露天礦環(huán)境災(zāi)害演化趨勢與防治對策研究［R］.2005.

［3］遼寧有色勘察研究院，吉林大學(xué).阜新海州露天煤礦北幫東部巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價治理研究［R］.2007.

［4］阜新礦業(yè)學(xué)院，海州露天煤礦.海州露天煤礦工程報告說明書［R］.阜新，1988，4-17.

［5］阜新礦業(yè)學(xué)院，海州露天煤礦.海州露天煤礦非工作幫巖石力學(xué)試驗研究報告［R］.阜新，1988，1-10.

［6］阜新礦業(yè)學(xué)院，海州露天煤礦.海州露天煤礦非工作幫邊坡弱層巖石力學(xué)性質(zhì)研究報告之Ⅱ——4號下、7號、8號弱層室內(nèi)直剪試驗報告［R］.阜新，1988，1-17.

［7］趙尚毅，鄭穎人，時衛(wèi)民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2002，24(3)，343-347.

［8］劉祚秋，周翠英，董立國，等.邊坡穩(wěn)定及加固分析的有限元強度折減法［J］.巖土力學(xué)，2005，26(4):558-561.

Analysis of slope stability of the Haizhou open-pit mine national mining park

LIU Xiang-feng，HE Feng，WANG Lai-gui
(Collage of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

Haizhou is one of the large-scale open-pit mines，but it is closed now，and it is ready to be built as a national mining park.In order to ensure the construction of Haizhou national mining park smoothly，it’s necessary to evaluate the slope stability of its north wall which is influenced by faults and weak layers，and geological hazards like landslides and ground fissures are serious.The slope stability of four sections as E12，E16，E18 and E20 are numerical simulated in this paper，and also their safety coefficients are calculated by the measure of intension decreased.Then reinforcement measures are given in this area of lower safety coefficient，and its effects are also numerically simulated，in addition，the effects indicate that the reinforcement measures are safe and feasible.

national mining park;slope stability;safety factor;weak layer;Haizhou Open-pit Mine

1003-8035(2010)02-0050-05

TU457

A

2009-10-09;

2010-03-18

遼寧省教育廳基金(2008302)

劉向峰(1974—)，男，博士，副教授，主要從事動力學(xué)方面的研究。

E-mail:lxfeng0001@sina.com。