李苗苗，徐勇超

（1.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司 南露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

滑坡是露天礦山工程領(lǐng)域最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。由于巖土體性質(zhì)的復(fù)雜性和影響因素的不確定性，即使嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計，仍不可避免地有滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，造成局部生產(chǎn)中斷，給露天礦造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。如何針對露天礦滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件，對滑坡體進(jìn)行安全、高效、有序地清理，盡早實現(xiàn)壓煤回采及煤炭產(chǎn)量接續(xù)，是避免滑坡體復(fù)活和最大限度減小露天礦經(jīng)濟(jì)損失的關(guān)鍵問題。

扎哈淖爾煤業(yè)有限公司采場南幫3＃煤破碎站東側(cè)分別于2018年6月21日6：00和6月24日12：00發(fā)生不同程度的滑移變形。6月21日6：00，在南幫3＃煤破碎站東側(cè)發(fā)現(xiàn)地表隆起，在隆起區(qū)域周圍伴生小的裂隙和隆起等變形跡象，隆起走向近東西向，因邊坡位移造成上盤出現(xiàn)裂隙，裂隙走向近東西向長度約150 m，整體向北移10～15 m，下沉2～3 m，變形區(qū)域平面面積大約1.4萬m2。6月24日12：00，在3＃煤破碎站東側(cè)，776～855 m水平發(fā)生大范圍沉降變形，裂隙近圓弧狀，變形區(qū)東西走向近500 m，滑坡上緣向北位移10～25 m，沉降約5 m；在采場內(nèi)776 m水平，發(fā)現(xiàn)有近東西走向的隆起，隆起高度約3～4 m，變形區(qū)域平面面積約18.3萬m2。

盡管滑坡過程中坡體內(nèi)應(yīng)力得到釋放，現(xiàn)有滑坡體暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，但滑坡發(fā)生后邊坡空間輪廓不規(guī)則，無法滿足采運設(shè)備布置需求。通過現(xiàn)場調(diào)查、滑坡前后坡體形態(tài)特征以及以往的地質(zhì)調(diào)查成果，明確弱層的賦存位置與形態(tài)；結(jié)合滑坡反分析的方法綜合確定邊坡穩(wěn)定性計算所需的力學(xué)參數(shù)；通過系統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析和計算，確定能夠滿足安全及技術(shù)要求的清理工程位置與邊坡形態(tài)，為合理清理方案的設(shè)計提供參考。

1 滑坡模式及滑坡成因

掌握邊坡工程地質(zhì)特征是分析邊坡穩(wěn)定性影響因素及滑坡機(jī)理，確定潛在滑坡模式及巖土體物理力學(xué)參數(shù)的前提和基礎(chǔ)[1]。搜集以往扎哈淖爾露天煤礦南幫邊坡工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，重點對滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查研究，分析南幫的潛在滑坡模式及“6·21”、“6·24”2次滑坡形成的內(nèi)在因素與外在因素，為邊坡穩(wěn)定性分析與滑坡治理方案設(shè)計提供必要的支持。

1.1 地層巖性特征

南幫邊坡地層自下而上由侏羅系、侏羅系－白堊系、第三系、第四系組成，其中上侏羅－下白堊霍林河群地層控制到扎哈淖爾露天煤礦含煤組地層IV煤底板，以泥巖、砂巖、煤為主，泥巖所占比重多，砂巖及炭質(zhì)泥巖較少。第三系由沖積黏土、亞黏土組成，較松散，下部由沖積、洪積沙礫石組成。第四系由洪積砂礫石、泥質(zhì)亞黏土構(gòu)成，該層上部為風(fēng)積砂，分選和磨圓度良好，下部為沖、洪積砂，磨圓度和分選性均較差。

1.2 弱層賦存特征

扎哈淖爾露天煤礦南幫屬典型的弱層發(fā)育的軟巖露天煤礦，坡體內(nèi)層理面發(fā)育，地層傾向由南向北，據(jù)此可斷定造成本次滑坡的主要原因是弱層，但在以往地質(zhì)寫實過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的層間錯動[2-3]。為此，有必要通過開展專門的現(xiàn)場調(diào)查工作，并結(jié)合滑坡前后坡體形態(tài)特征以及以往的地質(zhì)調(diào)查成果，明確弱層的賦存位置與形態(tài)，為邊坡穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。

滑坡發(fā)生后，滑體北側(cè)弱層已被掩埋，故在滑體前緣一定距離處挖掘了1個約為20 m × 10 m × 10 m的探槽，結(jié)合以往勘探獲得的鉆孔資料，推斷滑坡的底滑面的位置。

通過分析現(xiàn)場勘查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在3B煤底板以下3～6 m處，存在厚度為1 m左右的炭質(zhì)泥巖?？紤]到這類含黏土類礦物成分的巖性具有親水、吸水、遇水軟化和膨脹等特性，對邊坡穩(wěn)定性不利，并結(jié)合滑坡前后邊坡的形態(tài)、現(xiàn)場出水點及地表徑流情況，推斷的弱層位置為距離3B煤底板以下5 m處，其形態(tài)與3B煤底板一致。弱層推斷位置與形態(tài)如圖1。

圖1 弱層推斷位置與形態(tài)

1.3 地下水滲流規(guī)律調(diào)查

對變形區(qū)周圍地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的踏勘，在踏勘過程中發(fā)現(xiàn)在920排土場南側(cè)有4處出水點，東側(cè)2處出水點水流較大，且水流渾濁，中間的出水點水流較小，且水流清澈。4處出水點涌水量共計達(dá)到20 m3/h。西側(cè)出水點水流分支經(jīng)920排土場向西滲入到邊坡變形區(qū)域，其余出水點水流向東側(cè)流淌，在920排土場中部滲入排土場內(nèi)部。南幫出水點水流情況如圖2。

圖2 南幫出水點水流情況

1.4 潛在滑坡模式

露天礦邊坡的破壞模式主要有剝落、崩落、傾倒、滑動等，其中，滑動是最主要和最常見的變形破壞類型，包括平面滑動、圓弧滑動、楔體滑動及不規(guī)則曲面滑動等[1]。扎哈淖爾露天礦南幫邊坡主要由散體結(jié)構(gòu)的第四系砂土和風(fēng)化帶泥巖、層狀結(jié)構(gòu)的泥巖和煤層構(gòu)成，邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度普遍較低，巖性組合復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性主要受風(fēng)化帶泥巖弱層、IVC煤層底板弱層及弱層上覆巖土體載荷的控制，易發(fā)生以四系與風(fēng)化帶中產(chǎn)生的后緣圓弧裂縫為側(cè)界面、以各弱層為底界面的切層－順層滑動。值得注意的是，沿IVC煤層底板弱層產(chǎn)生的滑動將使深部境界某一位置底鼓，形成的鼓脹裂縫將與弱層貫通共同組成滑面。

1.5 滑坡成因

邊坡穩(wěn)定性影響因素包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、軟弱夾層等內(nèi)在因素和邊坡高度、邊坡角等人為因素，水和震動往往也是滑坡的誘發(fā)因素[4]。根據(jù)滑坡前后的工程發(fā)展?fàn)顩r、坡體形態(tài)特征、大氣降水特征、地質(zhì)構(gòu)造特征和弱層賦存特征可知：3B煤底板以下3～6 m處的炭質(zhì)泥巖夾層是滑體的下部邊界，該泥巖夾層由于受到地下水的浸潤作用逐漸演化形成弱層是本次滑坡發(fā)生的主控因素；滑移模式為以該演化弱層為底界面的切層-順層滑動；920排土場南側(cè)有4處出水點并向滑坡區(qū)段滲透，造成巖體尤其是弱層的力學(xué)強(qiáng)度降低，是本次滑坡發(fā)生的重要因素。分析滑坡前的邊坡形態(tài)可知，局部臺階高度過大，在重力作用下擠壓下部巖體沿弱層發(fā)生滑動，即滑坡發(fā)生的力學(xué)成因機(jī)制類型為推動式滑坡，清幫是治理該類滑坡體的有效途徑。

2 邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡清理方案

扎哈淖爾露天煤礦南幫“6·21”、“6·24”2次滑坡導(dǎo)致周邊局部區(qū)段生產(chǎn)中斷。盡管滑坡過程中坡體內(nèi)應(yīng)力得到釋放，現(xiàn)有滑坡體暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，但滑坡發(fā)生后，原有的完整巖體呈現(xiàn)松散狀態(tài)，穩(wěn)定性差，空間輪廓不規(guī)則，無法滿足采運設(shè)備布置需求。為避免二次滑坡發(fā)生和規(guī)范生產(chǎn)，應(yīng)通過系統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析和計算，確定能夠滿足安全及技術(shù)要求的清理工程位置與邊坡形態(tài)，為設(shè)計合理的清理方案奠定基礎(chǔ)。為避免發(fā)生大規(guī)模滑坡，有必要重新分析南幫到界邊坡的穩(wěn)定性并設(shè)計其合理的空間形態(tài)。為此采用經(jīng)典剛體極限平衡法，在分析巖土體與弱層力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過定量分析邊坡穩(wěn)定性，設(shè)計能夠滿足安全要求的邊坡形態(tài)。

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析

考慮到滑坡體的分布及其與煤層產(chǎn)狀之間的關(guān)系，在“6·21”滑坡區(qū)選擇1個剖面，在“6·24”滑坡區(qū)選擇3個剖面，以P1剖面為例進(jìn)行分析，邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置平面圖如圖3。

2.1.1 正反分析相結(jié)合的邊坡巖土體參數(shù)確定方法

圖3 邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置平面圖

邊坡在臨滑時處于極限平衡狀態(tài)，反分析即是基于此對參數(shù)進(jìn)行估算的。反分析也稱之為反演，是巖土工程領(lǐng)域尤其是邊坡工程領(lǐng)域確定巖土體及弱層抗剪強(qiáng)度參數(shù)的行之有效的方法之一[5]。由于滑體是由于重力的作用，滑體前緣先滑動生成了動載荷，致使滑體后緣再發(fā)生滑動。該方法是通過恢復(fù)已破壞邊坡的原始狀態(tài)，在分析其變形破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立極限平衡方程，對于滑體后緣失穩(wěn)邊坡穩(wěn)定系數(shù)可取值為Fs=0.98～0.99。據(jù)此反求滑面位置區(qū)域巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力C和摩擦角φ。正分析也稱之為正演，該方法是通過滑坡后的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，建立極限平衡方程，對于滑坡后邊坡的整體或局部穩(wěn)定性可取穩(wěn)定系數(shù)值為Fs=1.01～1.02，據(jù)此可以驗證反分析確定的巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力C和摩擦角φ。但是，傳統(tǒng)的參數(shù)反分析方法僅僅適用于均質(zhì)、單一滑面并且是滑坡模型和邊界條件清楚的情況[5]，對于扎哈淖爾露天礦南幫以泥巖為主體、以弱層為底界面這種組合形式的滑坡，且滑體物理力學(xué)參數(shù)無法確定，須同時對滑體與弱層的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反分析，尚存在一定的不足。為解決該技術(shù)問題，保證選取巖土體與弱層力學(xué)參數(shù)的合理性，應(yīng)對該方法進(jìn)行一定的約束和限制，采用多重反演的方法確定計算參數(shù)。

分析“6·21”滑坡原因可知，地下水的滲入致使后半段弱層弱化嚴(yán)重，強(qiáng)度極低，滑面貫通，后半段弱層的黏聚力為0 kPa；前半段弱層黏聚力需要通過分析求解?；w為松散體，近似為排棄物料，但強(qiáng)度應(yīng)大于排棄物料的強(qiáng)度，因此取滑體的內(nèi)摩擦角為排棄物料的內(nèi)摩擦角[6]，黏聚力需要正分析求解。弱層分區(qū)示意圖如圖4。

圖4 弱層分區(qū)示意圖

具體的方法和步驟如下：

1）在反分析過程中選取后半段弱層黏聚力CB為0 kPa，滑體的內(nèi)摩擦角φh為17°。

2）對P1、P4典型地質(zhì)剖面的邊坡不斷改變后半段弱層的內(nèi)摩擦角，直至當(dāng)邊坡的整體穩(wěn)定系數(shù)Fs介于0.98～0.99之間時，為保守計算，2個典型地質(zhì)剖面計算過程中最小的內(nèi)摩擦角為后半段弱層的內(nèi)摩擦角記為φB。

3）確定后半段弱層的黏聚力CB、內(nèi)摩擦角φB后，通過正分析，不斷改變滑體的黏聚力Cs，直至當(dāng)邊坡的整體或局部穩(wěn)定系數(shù)Fs介于1.01～1.02之間時，此時泥巖的黏聚力記為Cs。

4）滑體、后半段弱層強(qiáng)度參數(shù)確定后，再通過正分析，不斷調(diào)整前半段弱層的黏聚力CF，直至當(dāng)邊坡的整體或局部穩(wěn)定系數(shù)Fs介于1.01～1.02之間時，此時的前半段弱層的黏聚力為CF。

2.1.2 滑體與弱層力學(xué)參數(shù)

參照以往的邊坡穩(wěn)定性研究與地質(zhì)成果，弱層、滑體的密度ρw、ρs分別為1.77 t/m3和1.7 t/m3，滑體的內(nèi)摩擦角為17°。按照所提出的參數(shù)反分析原則、方法與步驟可獲得的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs介于0.98～0.99之間的內(nèi)摩擦角反分析結(jié)果（表1），邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于1.01～1.02之間的內(nèi)摩擦角正分析結(jié)果（表2）。從而得出所需的力學(xué)計算參數(shù)：CB=0 kPa，φw=14.3°；Cs=30 kPa，CF=10 kPa。

表1 反分析確定弱層內(nèi)摩擦角計算結(jié)果

表2 滑體、前半段弱層黏聚力正分析結(jié)果

結(jié)合《扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)邊坡壓覆資源采出方案研究報告》、扎哈淖爾露天礦初步設(shè)計中的數(shù)據(jù)、以及弱層指標(biāo)反分析結(jié)果，綜合確定的分析用巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 滑坡體清理形態(tài)確定

1）安全儲備系數(shù)。依據(jù)GB 50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范中對邊坡安全系數(shù)的規(guī)定，評價標(biāo)準(zhǔn)為采場工作幫邊坡（臨時）FS宜采用1.0～1.2，非工作幫邊坡服務(wù)年限小于10年FS宜采用1.1～1.2。由于滑坡區(qū)清理邊坡為臨時邊坡，存在時間短，而且通過反分析獲得的弱層與泥巖巖體的計算參數(shù)具有較高的精度，同時考慮在滑坡治理過程中形成的邊坡為臨時邊坡，而且采用安全監(jiān)測等一系列配套措施，選取滑坡區(qū)邊坡安全儲備系數(shù)為1.05。

2）邊坡形態(tài)基礎(chǔ)參數(shù)與原則。根據(jù)巖性及生產(chǎn)現(xiàn)狀，最小工作平盤寬度40 m，采掘帶寬度20 m，臺階坡面角70°，臺階高度為12 m，由于作業(yè)設(shè)備小型化，采取6 m分層開采。考慮平盤運輸?shù)缆凡贾靡?，確定836 m水平為運輸平盤標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)高。清理時應(yīng)能在滿足邊坡安全的前提下，盡量減少清理量，以縮短清理工期[7]。清理后的邊坡整體與局部的穩(wěn)定性均需要大于1.05[8]。

3）滑坡體穩(wěn)定性與形態(tài)?；谶吰路€(wěn)定、滿足作業(yè)要求、清理滑體最小的原則，將848、836 m水平以上部分滑體清除，驗證邊坡整體與局部穩(wěn)定性是否滿足安全要求。邊坡形態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.05，清理后的邊坡整體及局部穩(wěn)定性均能滿足安全儲備系數(shù)要求，且能夠滿足設(shè)備作業(yè)需要，清理滑體工程量最小。

3 結(jié)論

1）3B煤底板以下3～6 m處的炭質(zhì)泥巖夾層是滑體的下部邊界，該泥巖夾層由于受到地下水的浸潤作用逐漸演化形成弱層是滑坡發(fā)生的主控因素。滑移模式為以該演化弱層為底界面的切層-順層滑動。

2）局部臺階高度過大，920 m水平涌水的滲流作用及火燒巖的倒水作用均是“6·21”和“6·24”滑坡的重要因素，適當(dāng)?shù)厍謇砘w、疏干排水是避免滑坡體復(fù)活或范圍擴(kuò)大的重要措施?；掳l(fā)生的力學(xué)成因機(jī)制類型應(yīng)為推動式，在清理滑體時應(yīng)按照自上而下的順序清理。

3）提出了邊坡滑裂面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的多重反分析方法及正反分析相結(jié)合的巖體參數(shù)確定方法；分階段確定了滑坡區(qū)邊坡弱層與泥巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)：Cs=30 kPa，φs=17°；CB=0 kPa，φB=14.3°；CF=10 kPa，φF=14.3°。

4）基于邊坡穩(wěn)定、滿足作業(yè)要求、清理滑體最小的原則，將848、836 m水平以上部分滑體清除，滑坡體的整體與局部穩(wěn)定性均可滿足安全儲備系數(shù)1.05的要求。