周志廣，王旭剛，張劍

(遼寧有色勘察研究院 ，沈陽　110013)

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海州露天礦北幫邊坡滑動成因機(jī)制及其穩(wěn)定性分析

周志廣，王旭剛，張劍

(遼寧有色勘察研究院 ，沈陽110013)

以海州露天礦地質(zhì)背景條件為基礎(chǔ)，從邊坡滑動形成的影響因素分析出發(fā)，研究北幫邊坡滑動成因機(jī)制，確定邊坡的滑動破壞模式。同時，以該邊坡的典型工程地質(zhì)剖面為基礎(chǔ)，構(gòu)建穩(wěn)定性計算的地質(zhì)模型，并采用極限平衡法——簡布法、摩根斯坦-普利斯法、推力系數(shù)法等進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，用以說明北幫邊坡的整體穩(wěn)定性，為滑坡治理提供科學(xué)合理的設(shè)計依據(jù)。

露天礦；邊坡滑動；成因機(jī)制；穩(wěn)定性分析

海州露天煤礦地處阜新市區(qū)南部太平區(qū)境內(nèi)，目前占地面積約為26.82 km2。露天礦歷經(jīng)半個多世紀(jì)的開采，目前已經(jīng)形成一個東西長約3.9 km、南北寬約1.8 km、最大坑底深度350 m的巨型采坑，坑底最低海拔為-175 m，是我國目前的陸地最低點(diǎn)。經(jīng)過幾十年的開采，煤炭資源已經(jīng)枯竭，于2005年7月經(jīng)國家審批同意，海州露天礦停采閉坑。海州露天煤礦自1953年投產(chǎn)以來，在礦山生產(chǎn)過程中，發(fā)生過一系列的滑坡，不僅給露天煤礦本身，而且給周邊的企業(yè)、居民區(qū)等帶來了一系列的重大問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，海州露天礦北幫至今已發(fā)生滑坡80余次，給礦山造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

露天礦邊坡的穩(wěn)定性研究是伴隨采礦始終的一個長期性研究課題，也是影響或困擾露天礦山，特別是深凹露天礦山生產(chǎn)與安全的重大難題[1-2]。對海州露天礦北幫邊坡滑動成因機(jī)制進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行穩(wěn)定性研究是進(jìn)行滑坡治理以保證礦坑邊坡長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前，對于露天礦邊坡的研究主要集中在滑坡成因機(jī)制研究[3-6]、穩(wěn)定性分析方法研究[2，5-8]、滑坡治理措施研究[3，9]及滑坡監(jiān)測[10]等方面。而邊坡穩(wěn)定性計算方法主要有以有限差分法、離散單元法、有限單元法等為代表的數(shù)值計算方法和以Janbu法、Bishop法、瑞典圓弧法、Morgenstern-Price法等為代表的極限平衡法等。而極限平衡法由于其原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)且一般能夠滿足工程實(shí)踐需求而應(yīng)用最為廣泛。本文以海州露天礦礦山地質(zhì)背景特征為基礎(chǔ)，分析造成其北幫邊坡滑動的各種地質(zhì)環(huán)境因素，研究邊坡滑動成因機(jī)制及其破壞模式，并采用極限平衡法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

1　露天礦北幫邊坡地質(zhì)特征

1.1地形地貌

海州露天礦區(qū)是典型人工地貌，經(jīng)過數(shù)十年露天開采已形成一個面積約6.0 km2、深350.0 m的巨型礦山采坑，并形成了超高邊坡。礦坑北幫邊坡呈多級臺階狀，坡角在18°～20°。邊坡坡角及傾向與地層坡角及傾向基本一致，礦坑北幫邊坡為順層坡，不利于邊坡的穩(wěn)定，其穩(wěn)定性較差，宜產(chǎn)生順層滑坡。

1.2地層結(jié)構(gòu)及巖性特征

根據(jù)現(xiàn)場勘察，海州露天礦北幫場區(qū)地層在勘探深度內(nèi)主要由人工填土(Q4ml)、第四系沖洪積松散層(Q4apl)、上侏羅系阜新組(J3f)砂巖、頁巖、煤層等組成，自上而下分述如下：

(1) 人工填土(Q4ml)：黑褐色-黃褐色，主要由煤矸石、粉煤灰組成，結(jié)構(gòu)松散。該層分布局限，厚度在0.3～6.2 m。

(2) 第四系松散層(Q4apl)：由粉質(zhì)粘土、砂礫石組成，分布于露天礦邊坡頂部。粉質(zhì)粘土呈黃褐色，可塑-硬塑狀態(tài)，局部夾粉土，層厚在6.7～13. 5 m；砂礫石呈中密狀態(tài)，層厚2.7～5.5 m。

(3) 砂巖(J3f)：灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，該層局部見泥質(zhì)砂巖層，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈碎石狀-短柱狀，單層厚度在3.3～17.5 m。

(4) 砂質(zhì)頁巖(J3f)：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈礫狀-碎石狀，單層厚度在2.6～15.4 m。

(5) 泥質(zhì)頁巖(J3f)：黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈土狀-碎石狀，單層厚度在4.0～13.5 m。

(6) 煤層(J3f)：黑色，具油脂光澤，炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀。該層以夾層形式存在于以上各層中，分布不連續(xù)，厚度不均。

此外，露天礦底板下有多層弱層存在，主要是薄煤層和炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖巖層，這些弱層巖石顆粒膠結(jié)性差，所含粘土礦物成分主要為蒙脫石，層理發(fā)育，吸水后體積膨脹，呈塑性狀態(tài)，干燥后收縮，呈固態(tài)，易產(chǎn)生裂縫，并有較大的流變性，是影響該區(qū)邊坡穩(wěn)定的主要弱層(圖1)。

圖1　露天礦北幫邊坡典型地質(zhì)剖面簡圖

1.3地質(zhì)構(gòu)造

在露天礦北幫場區(qū)內(nèi)共有4條構(gòu)造斷裂帶，包括高德一號斷層、太平東部一號斷層、太平東部二號斷層、太平東部三號斷層和太平中部一號斷層，其中，太平東部一號斷層與太平中部一號斷層對露天礦采坑北幫邊坡穩(wěn)定性影響最大。

(1) 太平東部一號斷層(F東1)

F東1斷層走向呈NNE向，其規(guī)模較大，幾乎斜穿整個礦區(qū)，將北幫邊坡巖體中8#、9#上和9#軟弱夾層截斷。該斷層上盤相對向下運(yùn)動，下盤相對向上運(yùn)動，且上盤有相對向北扭動現(xiàn)象，屬張扭性正斷層。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該斷層破碎帶寬在0.5～5.0 m之間，其產(chǎn)狀為傾向SEE，傾角70°。斷層斷距大約50 m，太平層群和高德層群地層分別出露于斷層的上、下盤。斷層角礫巖和斷層泥于斷層中有發(fā)育，其中斷層角礫巖中角礫粒徑大小不等，最大粒徑可達(dá)2 m，最小僅幾厘米，角礫棱角清楚，未見明顯擠壓特征；斷層泥顏色呈深灰，含水量較大，可塑狀，發(fā)育有兩層，單層厚度均在0.1～0.3 m之間，分布不均勻，斷續(xù)出現(xiàn)。

F東1斷層破碎帶寬度大，發(fā)育規(guī)模大，對邊坡巖體破壞強(qiáng)烈，斷層角礫巖和斷層泥于斷層中有發(fā)育，其中斷層泥含水量較大，強(qiáng)度低。因此，對邊坡的穩(wěn)定性影響巨大，并已導(dǎo)致多次滑坡。

(2) 太平中部一號斷層(F中1)

太平中部一號斷層(F中1)位于露天礦中部，屬與煤層走向斜交的張性正斷層，斜切各煤巖層，致使露天礦深部各煤層下降，并斜切煤層底板下弱層，是礦區(qū)北幫場區(qū)主要斷層之一，給北幫邊坡的穩(wěn)定帶來較大影響，嚴(yán)重威脅北幫邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并曾導(dǎo)致該區(qū)滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

此外，該區(qū)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)發(fā)育有3～4組節(jié)理裂隙，對邊坡的穩(wěn)定也有很重要的影響。

1.4水文地質(zhì)條件

海州露天礦北幫場區(qū)地下水類型主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和斷層破碎帶水。

1.4.1第四系孔隙潛水

第四系孔隙潛水，賦存于砂礫石地層中。含水層厚度為0.40～2.20 m，埋深5.0～12.0 m，該含水層底板為風(fēng)化的透水性弱的砂巖及砂質(zhì)頁巖。潛水流向與細(xì)河流向一致，潛水位標(biāo)高161.0～170.0 m，水力坡度為2.0 ‰，滲透系數(shù)為8.39～19.3 m/d。該孔隙潛水補(bǔ)給方式以大氣降水入滲補(bǔ)給及其附近河流滲入補(bǔ)給為主，排泄方式主要為礦山采坑疏水通道排泄。

1.4.2基巖裂隙水

該類型地下水賦存地層主要為頁巖和含煤砂巖。地層中泥質(zhì)頁巖夾層具有一定的相對隔水性，導(dǎo)致局部地下水具有一定的承壓性質(zhì)。由于地下巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度的空間差異，導(dǎo)致基巖裂隙水含水層的分布及其含水量大小極不均勻，且造成巖體滲透性能差異大，地下水活動能力也有所不同。該裂隙水補(bǔ)給方式以大氣降水入滲補(bǔ)給和附近河流下滲補(bǔ)給為主；地下水排泄方式主要為礦山開采排泄。據(jù)抽水試驗(yàn)相關(guān)成果，該含水地層單位涌水量在7.52×10-6～3.04×10-4m3/s·m之間，滲透系數(shù)為1.736×10-7～1.192×10-5m/s。

1.4.3斷層破碎帶水

斷層區(qū)由于巖體破碎和節(jié)理裂隙極度發(fā)育，使其成為良好的地下水賦存空間和補(bǔ)排通道。該類型地下水的賦存性態(tài)受到斷層的發(fā)育規(guī)模、產(chǎn)狀及其性質(zhì)的控制。由于斷層區(qū)地下水非常發(fā)育且活躍，對該區(qū)邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。地下水補(bǔ)給方式以大氣降水入滲補(bǔ)給和其他含水單元對該區(qū)的越流補(bǔ)給為主。通過試驗(yàn)，該斷層破碎帶滲透系數(shù)為1.5×10-8m/s。

據(jù)不完全統(tǒng)計，海州露天礦北幫80次滑坡中，有29次滑坡與地下水有關(guān)。

2　露天礦北幫邊坡滑動成因機(jī)制分析

邊坡穩(wěn)定性評價之最首要的問題就是搞清邊坡產(chǎn)生變形與破壞的成因機(jī)制，只有充分認(rèn)識邊坡的變形破壞機(jī)制，才能構(gòu)建符合實(shí)際的邊坡穩(wěn)定性評價地質(zhì)力學(xué)模型，才能弄清合理的邊界條件，進(jìn)行有效的科學(xué)計算。下面就海州露天礦北幫邊坡滑動變形破壞成因機(jī)制進(jìn)行分析。

據(jù)記載，海州露天礦北幫邊坡最早滑坡發(fā)生于20世紀(jì)50年代后期，隨后時有發(fā)生，但主要集中在80年代，且滑坡的滑動面均系邊坡巖體中存在的薄煤層、泥質(zhì)頁巖和炭質(zhì)頁巖等軟弱夾層面或弱層間接觸面，其主要滑動破壞模式為平面滑移破壞，此外，露天礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的兩條陡傾SE的正斷層如太平東部一號斷層(F東1)和太平中部一號斷層(F中1)，對于邊坡的滑動變形也有重要的影響。據(jù)滑坡相關(guān)調(diào)查，露天礦北幫邊坡的滑動變形主要受4#～9#軟弱夾層的控制，此外其滑動帶前緣部位還受到如F東1斷層等斷裂構(gòu)造的影響，且斷層破碎帶內(nèi)巖體的抗剪強(qiáng)度也有所弱化。

海州露天礦北幫邊坡巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，邊坡坡向與巖層傾向基本一致，且傾角較小，該邊坡屬層狀單斜緩傾順層邊坡，且邊坡巖體內(nèi)夾有一系列薄的軟弱巖層，隨著礦山的剝離開采，邊坡巖體在短時間內(nèi)發(fā)生了顯著的卸荷效應(yīng)，同時伴隨著明顯的回彈現(xiàn)象，進(jìn)一步減弱了煤系巖層中軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度，同時導(dǎo)致邊坡巖體層狀結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步松弛。此外，邊坡層狀巖體在其自重應(yīng)力場的作用下，弱層面間的薄層巖組也會產(chǎn)生相應(yīng)沿軟弱夾層面的順層滑動變形趨勢。由于露天礦北幫邊坡巖層傾角與邊坡坡角基本一致，弱層面未在坡面暴露而臨空，使得其上部巖層順層滑動受阻，造成坡角附近順層巖板由于自重應(yīng)力場的作用而承受縱向壓應(yīng)力，在一定條件下可使之發(fā)生彎曲變形，甚至導(dǎo)致潰曲破壞，這類變形一般分為3個階段，即輕微彎曲階段(a)、強(qiáng)烈彎曲和隆起階段(b)滑裂面貫通后邊坡破壞階段(c)。特別是，當(dāng)在上部巖體滑動受阻部位存在相對軟弱的構(gòu)造時，那么這種彎曲變形破壞形式便會在這個構(gòu)造部位表現(xiàn)出來。在露天礦北幫邊坡區(qū)存在著太平東部一號斷層，由于斷層的錯動作用，斷層帶及其影響范圍內(nèi)巖體比較破碎，巖體力學(xué)強(qiáng)度很低，在其上部順層巖體的下滑推動下，整個邊坡巖體的彎曲變形破壞在斷層帶及其附近發(fā)生，此時，邊坡滑動面將在此剪出。F中1斷層與F東1斷層情況相近，其對邊坡巖體滑動破壞影響與上述F東1斷層的影響基本一致。

綜上所述，海州露天礦北幫邊坡巖體的滑動變形破壞模式應(yīng)屬類滑移彎曲破壞模式，如圖2所示。

海州露天礦北幫邊坡的類滑移彎曲變形破壞模式的主要特點(diǎn)是：滑動變形體的滑動面主要為層狀結(jié)構(gòu)巖體中的煤層及炭質(zhì)頁巖薄夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，與F東1斷層相關(guān)的滑動面主要為9#弱層，而與F中1斷層相關(guān)的滑動面主要為7#弱層。滑坡后緣主要在礦坑邊緣地表弱層出露且節(jié)理裂隙發(fā)育部位，由于北幫邊坡巖層傾角與坡面傾角近乎一致，弱層一般不會臨空，導(dǎo)致邊坡滑動體滑面剪出口容易發(fā)生于構(gòu)造發(fā)育部位，在剪出口部位滑坡體不再沿軟弱層滑動，而是對邊坡巖體層狀巖層的剪斷。由此，認(rèn)為露天礦北幫邊坡滑動變形的滑動面形態(tài)是3個不同方向的折線構(gòu)成的組合滑動面。

圖2　層狀順層邊坡的滑移彎曲破壞機(jī)制示意圖

3　北幫邊坡穩(wěn)定性分析

3.1計算方法的選擇

考慮露天礦北幫邊坡滑動破壞機(jī)制屬類滑移彎曲變形破壞模式，本次穩(wěn)定性計算采用了二維極限平衡理論方法來進(jìn)行北幫邊坡的穩(wěn)定性分析。目前，比較成形的極限平衡理論計算方法有：瑞典圓弧法、畢肖普法、簡布法、薩爾瑪法、摩根斯坦-普利斯法、斯賓塞法和滑坡推力系數(shù)法等方法。但是不同的方法都有其一定的適用范圍，適合于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算的瑞典圓弧法和畢肖普法并不適合于海州露天礦北幫邊坡的模型特征，其他方法均可應(yīng)用于該邊坡的穩(wěn)定性評價。

3.2穩(wěn)定性計算模型的建立

邊坡穩(wěn)定性分析所需計算剖面的選取并不是任意的，通常所選剖面方向應(yīng)該是該邊坡變形體或滑體的主要變形滑移方向。海州露天礦北幫邊坡的坡向與巖層的傾向基本一致，依據(jù)前述北幫邊坡滑動變形機(jī)制分析，其蠕動滑移變形主要依附面是夾于層狀巖層間的弱層，因此，選取邊坡的坡向作為邊坡的蠕動滑移方向，本次穩(wěn)定性計算剖面線方向取為S30°E。

海州露天礦北幫邊坡是整個礦區(qū)滑坡多發(fā)地段，且主要集中在F東1斷層與F中1兩斷層之間，特別是與F東1斷層相關(guān)的北幫邊坡的穩(wěn)定性問題尤其值得關(guān)注。限于篇幅，本文僅選取露天礦北幫邊坡滑坡多發(fā)地段最具代表性的剖面E20為穩(wěn)定性計算剖面，其潛在滑動面為6#至8#弱層。海州露天礦E20剖面7#弱層變形體幾何形態(tài)見圖3。

圖3　海州露天礦E20剖面7#弱層變形體幾何形態(tài)

圖3中第一、第二條塊為滑移變形體的剪出口段，即該段為對巖體的剪切段，第三、第四、第五條塊是沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滑移的，但是這一層位并非7#弱層，而是由于正斷層的作用導(dǎo)致3#弱層出現(xiàn)在這個位置上，第六條塊是F東1斷層，第七條塊至第二十一條塊是沿著7#弱層滑移，第二十一號塊體的后緣是一發(fā)育在黃土狀土中的鉛直裂隙。因此，海州露天礦北幫邊坡的穩(wěn)定性分析的地質(zhì)力學(xué)模型之邊界條件就是以E20剖面7#弱層為基本模式了。

3.3參數(shù)的選擇

根據(jù)現(xiàn)場邊坡工程地質(zhì)勘察資料以及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合各科研院所多年的研究成果，最終確定本次穩(wěn)定性計算所用邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)，如表1。

表1　露天礦北幫邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)表

3.4穩(wěn)定性分析結(jié)果

本文以露天礦北幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面E20作為穩(wěn)定性計算對象，考慮無水作用與有水作用兩種工況，采用基于極限平衡理論的簡布法法、摩根斯坦-普利斯法、薩爾瑪法、斯賓塞法和滑坡推力系數(shù)法針對6#～8#弱層進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果如圖4和表2。

圖4有水工況下E20剖面7#弱層Morgenstern-Price法穩(wěn)定性計算結(jié)果圖

表2　北幫邊坡E20剖面各軟弱層穩(wěn)定性計算結(jié)果

從上述穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，露天礦北幫邊坡E20剖面穩(wěn)定性程度最差的是7#弱層，該剖面7#弱層在各種計算方法下的穩(wěn)定性系數(shù)在考慮地下水情況下均小于1，在無水的情況下也都小于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.35。

4　結(jié)論

通過對海州露天礦北幫邊坡滑動成因機(jī)制分析和穩(wěn)定性計算，得出結(jié)論如下：

(1) 海州露天礦北幫邊坡為單斜緩傾順層邊坡，層內(nèi)夾薄煤層、炭質(zhì)頁巖和泥質(zhì)頁巖等軟弱層，同時近坡腳處有斷層帶出現(xiàn)，由于層狀巖體在其自身重力場的影響和開挖卸荷作用，使得層狀巖體沿弱層面發(fā)生順層向蠕動滑移現(xiàn)象，其主要變形破壞模式為類滑移彎曲變形，滑動面形態(tài)是3個不同方向的折線構(gòu)成的組合滑動面。

(2) 以露天礦北幫邊坡E20剖面為計算對象，采用極限平衡法對該邊坡進(jìn)行考慮地下水和不考慮地下水兩種工況下的穩(wěn)定性計算。計算結(jié)果說明，該邊坡E20剖面中7#弱層穩(wěn)定性程度較差，在考慮地下水工況下的穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，而在不考慮地下水工況下穩(wěn)定性系數(shù)均小于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.35。

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ANALYSIS OF SLIDING MECHANISM AND STABILITY OF THE NORTHERN SLOPE HAIZHOU OPEN-PIT COAL MINE

ZHOU Zhi-guang, WHANG Xu-gang, ZHANG Jian

(Survey Institute of LiaoNing Nonferrous Metals Geological Bureau, Shenyang110013,China)

This paper,based on the geological background conditions of Haizhou open-pit mine,from the analysis of the influence factors for causing slope sliding,researches on the sliding mechanism of the northern slope and determines the sliding failure mode of the slope.At the same time, on the basis of the typical engineering geological profile of the slope, the limit equilibrium method such as Janbu method, Morgenstern - Price method, thrust coefficient method etc is used to analyze the slope stability, in order to explain the overall stability of the northern slope, and to provide a scientific and reasonable design basis for the slope treatment.

Open-pit Coal Mine; Slope Sliding; Genetic Mechanism; Stability Analysis

1006-4362(2016)03-0020-05

2016-03-07改回日期：2016-05-20

TD167;TU457

A

周志廣(1981-)，男，漢族，內(nèi)蒙古興和人，碩士研究生，巖土工程高級工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害設(shè)計、治理方面的工作。

E-mail:smallbackcat@163.com