王振偉，郝 哲，尚文凱，秦建明

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧阜新市 123000;2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧沈陽110013;3.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司安家?guī)X露天煤礦， 山西朔州市 036006)

安家?guī)X礦北幫滑坡區(qū)深部邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)*

王振偉1，郝 哲2，尚文凱3，秦建明3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧阜新市 123000;2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧沈陽110013;3.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司安家?guī)X露天煤礦， 山西朔州市 036006)

針對(duì)安家?guī)X礦北幫滑坡區(qū)深部邊坡現(xiàn)狀，開展工程地質(zhì)調(diào)查，建立了相應(yīng)地質(zhì)模型，針對(duì)3個(gè)代表性剖面開展了現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià);并據(jù)此提出相應(yīng)的變形破壞防治措施和建議，為現(xiàn)場安全生產(chǎn)提供重要參考。

深部邊坡;滑坡;穩(wěn)定性分析;安全系數(shù);防治措施

0 前言

安家?guī)X露天煤炭有限公司露天礦位于山西省朔州市北部，南距太原市約250 km，北距大同市約145 km?；聟^(qū)位于安家?guī)X露天礦礦坑北側(cè)，由于采礦作用及地形規(guī)整，形成臺(tái)階狀坡體，邊坡由采掘臺(tái)階組成，滑坡后原有平盤遭到破壞，其下部有陷落柱存在?；w長287 m、寬315 m，面積57000 m2，滑體涉及1300 ～1375 平盤，致使北幫 1330，1345，1360，1375平盤運(yùn)輸通道被毀。

安家?guī)X露天礦北幫陷落柱區(qū)域的煤層開采計(jì)劃繞過陷落柱，該處地質(zhì)條件極其復(fù)雜，巖層破壞嚴(yán)重，并且上部為北幫滑坡區(qū)，下部有井工礦巷道。因此，北幫滑坡區(qū)邊坡極其敏感，加之下部的開挖將導(dǎo)致整體邊坡下部支撐力減小，臨空面積變大，可能誘發(fā)滑坡體發(fā)生變形乃至發(fā)生再次滑坡。則按照開采計(jì)劃的邊坡能否滿足安全生產(chǎn)要求、開采參數(shù)如何確定都是急須解決的問題，也是關(guān)系到整個(gè)露天礦安全生產(chǎn)的重大問題。開展“安家?guī)X礦北幫滑坡區(qū)深部邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)”工作對(duì)現(xiàn)場安全、有序生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)模型

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查

安家?guī)X礦北幫賦存地層主要有第四系黃土、第三系紅土和基巖石炭系。第四系黃土中有粉土層、粉質(zhì)粘土層和粘土層;第三系紅土層組為局部分布;石炭系基巖中有泥巖層、砂巖層和煤層?；鶐r頂板總體產(chǎn)狀為傾向南東，傾角變化較大，基巖巖層產(chǎn)狀傾向南東，傾角3°～5°。區(qū)內(nèi)受構(gòu)造影響(陷落柱)高角度斷層發(fā)育，縱橫交錯(cuò)，并伴有含水空洞，使巖體強(qiáng)度大幅度降低。通過野外節(jié)理裂隙調(diào)查，北端幫邊坡巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，頻度接近的優(yōu)勢節(jié)理有4組，優(yōu)勢節(jié)理的平均間距為3.5條/m。

北幫邊坡巖土體大體可以劃分為第四系潛水含水單元和基巖裂隙含水單元。第四系潛水含水單元的粉土層組具大孔隙，成為相對(duì)含水層組，其滲透系數(shù)為(1.2 ～2.0) ×10－5m/s，邊坡坡面未見出水點(diǎn)?；鶐r裂隙含水單元為地下水富集提供了較好的物理?xiàng)l件，從物探資料可以看出邊坡巖體內(nèi)有大量地下水富集點(diǎn)及含水空洞。

1.2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合指標(biāo)

通過分析、整理試驗(yàn)資料，得到安家?guī)X礦北端幫滑坡區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 安家?guī)X礦北幫滑坡區(qū)巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定分析方法及安全系數(shù)確定

極限平衡法是當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，具有計(jì)算模型簡單、計(jì)算參數(shù)量化準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果直截實(shí)用的特點(diǎn)。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計(jì)算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團(tuán)法等，不同的計(jì)算方法其力學(xué)機(jī)理與適用條件均有所不同。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，又出現(xiàn)了一些求解步驟更為嚴(yán)格的方法，如Morgenstern－Price法、Spencer法等。本文采用Morgenstern－Price法來確定邊坡安全系數(shù)，該法的特點(diǎn)是考慮全部平衡條件與邊界條件，可消除計(jì)算方法上的誤差，并對(duì)Janbu推導(dǎo)出來的近似解法提供了更加精確的解答，對(duì)方程式的求解采用微增量法，滑面的形狀為任意的，安全系數(shù)采用力平衡法。

安全儲(chǔ)備系數(shù)的確定按照“煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范”(GB50197－2005)有關(guān)規(guī)定，依據(jù)對(duì)滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)程度和對(duì)所收集到的資料的掌握程度，并考慮到研究區(qū)域邊坡的存留時(shí)間(＜10 a)及內(nèi)排土場的建設(shè)速度等因素，選取安全儲(chǔ)備系數(shù)為 1.2。

2.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)安家?guī)X露天礦北端幫滑坡區(qū)范圍及周邊地質(zhì)條件，選取3個(gè)工程地質(zhì)剖面作為本次邊坡穩(wěn)定計(jì)算剖面，即BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與分析所采用的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

(1)BH1剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。BH1剖面現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.252和1.220，其滑面位置如圖1、圖2所示。

圖1 BH1剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖2 BH1剖面考慮陷落柱設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

(2)BH3剖面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。BH3剖面現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.301和1.259，其滑面位置如圖3、圖4所示。

圖3 BH3剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖4 BH3剖面設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

(3)BH4剖面穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。BH4剖面現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.281和1.105，其滑面位置如圖5、圖6所示。

圖5 BH4剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖6 BH4剖面設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

可見，現(xiàn)狀邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩(wěn)定系數(shù)分別為:1.252、1.301 和1.281，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2的要求。計(jì)算結(jié)果表明，安家?guī)X露天礦北幫滑坡區(qū)深部現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的。

設(shè)計(jì)邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩(wěn)定系數(shù)分別為:1.220，1.259 和 1.105。計(jì)算結(jié)果表明，BH4剖面設(shè)計(jì)邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)不足。

3 邊坡變形破壞防治措施研究

通過前面分析可知，隨著開采深度增加，邊坡臨空面積增大，上部滑坡體支撐力減小，易造成上部滑坡體的復(fù)滑，因此保證北幫滑坡區(qū)深部邊坡的穩(wěn)定是非常重要的。擬定防治邊坡變形破壞的主要工程技術(shù)措施如下:

(1)通過對(duì)研究區(qū)域邊坡的穩(wěn)定計(jì)算，BH4剖面設(shè)計(jì)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)僅為1.105，不滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)的要求，因此對(duì)其邊坡輪廓進(jìn)行調(diào)整，對(duì)圖7中所示的3個(gè)平盤向后擴(kuò)10 m。

圖7 BH4剖面邊坡調(diào)整方案

邊坡輪廓調(diào)整后的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見圖8，其穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.229，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2的要求。但是此處的擴(kuò)幫工程施工難度較大，根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，該處邊坡短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)滑坡災(zāi)害的可能性不大，因此，建議加快此處內(nèi)排跟進(jìn)速度，對(duì)其進(jìn)行壓腳處理。

圖8 BH4剖面邊坡輪廓調(diào)整后穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

(2)由于陷落柱的存在，下部邊坡巖體賦存規(guī)律發(fā)生變化，且?guī)r體強(qiáng)度較低，為了保證其對(duì)上部邊坡有足夠的支撐力，應(yīng)嚴(yán)格按照邊坡設(shè)計(jì)方案，控制下部邊坡的邊坡角及整體邊坡角。

(3)做好疏干排水工程。通過以往對(duì)北幫滑坡區(qū)的地質(zhì)勘查，滑坡體內(nèi)存在風(fēng)化泥巖層，該層為軟弱結(jié)構(gòu)面，水是影響弱層強(qiáng)度的主要因素，因此要加強(qiáng)北幫滑坡區(qū)及周邊的排水疏干工程，避免大氣降水、地表水入滲到滑坡體內(nèi)，以提高弱層強(qiáng)度。

(4)加強(qiáng)邊坡維護(hù)。由于研究區(qū)域曾發(fā)生過滑坡，造成滑體巖土體嚴(yán)重破碎、強(qiáng)度降低，隨著滑體的不斷密實(shí)、固結(jié)，在其上部平盤可能會(huì)出現(xiàn)大量的地表裂縫或拉張裂縫，這為降雨入滲提供了條件，因此一旦發(fā)生地表沉陷與裂縫時(shí)要及時(shí)回填壓實(shí)，避免大氣降水及地表水通過裂縫大量滲入邊坡體中。

(5)由于北幫下部有井工礦的開采活動(dòng)，將導(dǎo)致露天礦邊坡的變形與破壞，在井采影響域內(nèi)邊坡體發(fā)生沉陷，并在邊坡上部形成沉陷帶，因此需加強(qiáng)井采影響域內(nèi)邊坡體的監(jiān)測與維護(hù)。

(6)對(duì)北幫滑坡區(qū)要建立日常的巡查監(jiān)測制度，特別是雨季或坡面上出現(xiàn)沉陷裂縫時(shí)更要加強(qiáng)巡查監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況(如邊坡有明顯失穩(wěn)先兆)，及時(shí)預(yù)警避讓或采取防治工程措施。

4 結(jié)論

本文針對(duì)安家?guī)X露天煤礦北幫滑坡區(qū)深部邊坡開展了穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，主要工作和結(jié)論如下:

(1)通過對(duì)安家?guī)X露天礦北幫滑坡區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料及以往項(xiàng)目的巖土體試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、分析，建立了北幫滑坡區(qū)深部邊坡工程地質(zhì)簡化模型。采用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比的方法，給出了北幫滑坡區(qū)深部邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與分析所用的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的推薦值。

(2)通過對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的3個(gè)典型剖面的穩(wěn)定性計(jì)算，得出如下結(jié)果:現(xiàn)狀邊坡條件下，BH1剖面、BH3剖面和BH4剖面的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.252，1.301 和 1.281，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù) 1.2 的要求，計(jì)算結(jié)果表明，安家?guī)X露天礦北幫滑坡區(qū)深部現(xiàn)狀邊坡是穩(wěn)定的;設(shè)計(jì)邊坡條件下，BH1剖面和BH3剖面的穩(wěn)定系數(shù)分別為 1.220，1.259 和 1.105，計(jì)算結(jié)果表明BH4剖面設(shè)計(jì)邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)不足，因此對(duì)此處邊坡輪廓進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.229，能滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2的要求。

(3)為保證北幫滑坡區(qū)深部邊坡的穩(wěn)定性，制定了防治邊坡變形破壞的主要工程技術(shù)措施。

[1] 黃昌乾，丁恩保.邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果的表達(dá)與邊坡穩(wěn)定判據(jù)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1997，(4).

[2] GB50197－2005.煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 王建國.礦山邊坡巖體力學(xué)試驗(yàn)與巖體、抗剪強(qiáng)度的確定[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[4] 祖國林，等.露天煤礦滑坡災(zāi)害與整治[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1995，(3).

[5] 王振偉，王來貴，王建國，等.弱面控制蠕動(dòng)邊坡變形機(jī)制及滑坡控制技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(2).

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(50774046).

2011－02－13)

王振偉(1977－)，男，吉林農(nóng)安人，注冊(cè)安全工程師，博士研究生，主要從事巖體力學(xué)及邊坡工程方面的研究工作，Email:wangzw627@163.com。