趙貴彬，封海洋，韓 猛，梁 也，陳亞飛

（1.內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 扎尼河露天礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

露天煤礦邊坡是露天煤礦的一個(gè)重要組成部分，其穩(wěn)定性直接影響礦山人員和設(shè)備的安全以及采礦進(jìn)度，也影響到礦山開采方案、投資規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益以及服務(wù)年限等諸多問題[1-3]。邊坡失穩(wěn)是露天煤礦常見的安全問題，失穩(wěn)后往往會(huì)對(duì)露天煤礦生產(chǎn)、安全造成影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致露天煤礦的停產(chǎn)，而露天煤礦邊坡巖體中存在弱層往往會(huì)加劇邊坡滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極其不利。

弱層泛指影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定巖體中的軟弱夾層及軟弱巖層，其普遍存在于露天煤礦邊坡的巖體中，弱層的蠕動(dòng)變形常常引起邊坡的變形、失穩(wěn)，大量的軟弱夾層（簡稱弱層）蠕動(dòng)變形實(shí)驗(yàn)證明，弱層抗剪強(qiáng)度是隨著剪應(yīng)力作用時(shí)間的延長而降低。許多滑坡災(zāi)害發(fā)生之前，大多都經(jīng)歷一定時(shí)間后發(fā)生失穩(wěn)破壞，特別是受弱層強(qiáng)度蠕動(dòng)過程降低控制的邊坡失穩(wěn)破壞更是如此，因此弱層的蠕變對(duì)邊坡穩(wěn)定性有著顯著的影響[4-6]。目前只知道弱層的存在對(duì)軟巖邊坡穩(wěn)定性存在一定的影響，但若基巖中含有弱層，弱層存在深度與軟巖邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系有待研究。為此，以內(nèi)蒙古某軟巖邊坡露天煤礦為研究背景，在工程地質(zhì)條件及巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，采用極限平衡法對(duì)弱層存在深度與軟巖邊坡的穩(wěn)定性影響關(guān)系進(jìn)行研究，依據(jù)研究成果提出了弱層勘查方案及地下巖移監(jiān)測方案。

1研究區(qū)概況

地層自下而上主要有泥盆系上統(tǒng)大民山組（D3d）、白堊系下統(tǒng)龍江組（K1l）、白堊系下統(tǒng)九峰山組（K1j）、白堊系下統(tǒng)甘河組（K1g）、白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）、白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1y）及第四系（Q）。礦區(qū)地下水充沛且降雨較多，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較差，巖土物理力學(xué)指標(biāo)低，屬于軟巖邊坡。9 煤和10 煤本礦可采煤層，煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，煤層底板巖性為泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。其中第四系黏土層、9煤層及10 煤層頂?shù)装迥鄮r均存在潛在弱層。此次弱層深度敏感度研究主要針對(duì)該礦東幫進(jìn)行，該礦東幫為內(nèi)排區(qū)域，且上部外該礦的外排土場，其地層自上而下分別為，第四系、黏土層、9 煤、10 煤及泥巖，其中9 煤底板及10 煤頂?shù)装宥即嬖谀鄮r弱層，東幫典型地質(zhì)模型如圖1。

圖1 東幫典型地質(zhì)模型Fig.1 Typical geological model of east side

2 工程地質(zhì)模型及巖土物理力學(xué)參數(shù)

在該礦東幫建立了2 條典型剖面，并建立各剖面的工程地質(zhì)簡化模型，2 條剖面工程地質(zhì)簡化模型如圖2 和圖3。

圖2 剖面1 工程地質(zhì)簡化模型Fig.2 Engineering geological simplified model of section 1

圖3 剖面2 工程地質(zhì)簡化模型Fig.3 Engineering geological simplified model of section 2

本次弱層深度敏感度研究的巖土物理力學(xué)參數(shù)通過對(duì)以往的各個(gè)項(xiàng)目的巖土體試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、分析。采用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比的方法來確定，未單獨(dú)開展研究區(qū)域的巖土物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)以往基礎(chǔ)研究成果資料的搜集、整理及分析，經(jīng)過總結(jié)最終確定的本次研究的巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3 弱層深度靈敏度

剖面1 沿9 煤、10 煤底板滑動(dòng)及沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)如圖4～圖6。剖面2 沿9 煤、10 煤底板滑動(dòng)及沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)如圖7～圖9。

圖4 剖面1 沿9 煤底板滑動(dòng)Fig.4 Section 1 sliding along the 9th coal floor

圖5 剖面1 沿10 煤底板滑動(dòng)Fig.5 Section 1 sliding along the 10th coal floor

圖6 剖面1 沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)Fig.6 Section 1 sliding along the bottom mudstone

圖7 剖面2 沿9 煤底板滑動(dòng)Fig.7 Section 2 sliding along the 9th coal floor

圖8 剖面2 沿10 煤底板滑動(dòng)Fig.8 Section 2 sliding along the 10th coal floor

圖9 剖面2 沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)Fig.9 Section 2 slides along the bottom mudstone

通過對(duì)該礦東幫的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)于沿9 煤底板及10 煤底板較小，如剖面1 中沿9 煤底板及10 煤底板滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.136 及1.176，而沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.110；剖面2 中沿9 煤底板及10 煤底板滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.118 和1.179，而沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.107，因?yàn)? 煤底板及10 煤底板存在泥巖弱層，因此考慮如果在底板泥巖中含有弱層，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較之于9 煤及10 煤底板的影響更大。

針對(duì)沿底板泥巖內(nèi)部滑動(dòng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于沿9 煤底板及10 煤底板的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的情況，使用極限平衡法對(duì)弱層深度敏感度與軟巖邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行研究。

極限平衡法又稱條分法，是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的常用軟件，主要具有計(jì)算模型簡單易懂、計(jì)算參數(shù)相對(duì)固定、計(jì)算結(jié)果物理意義明確等特點(diǎn)。其主要思想為假設(shè)存在潛在的滑動(dòng)破壞面，并將滑體劃分為若干條塊，通過對(duì)每個(gè)條塊建立靜力平衡方程來建立整個(gè)滑體的平衡方程，并將潛在滑面上的抗剪力與剪切力之比作為潛在滑體的穩(wěn)定性系數(shù)。隨著極限平衡法的發(fā)展，出現(xiàn)了很多更為簡化的方法，例如Bishop 法、Ordinary 法、Janbu 法、Spencer 法、Morgenstern-price 法、Sarma 法、不平衡推力法及傳遞系數(shù)法等[7-8]。針對(duì)本次研究，選擇用Morgenstern-price法來計(jì)算不同深度的泥巖弱層對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[9]，該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件來消除計(jì)算方法的誤差，使得計(jì)算結(jié)果更加精確。

剖面1 沿第3、第4、第5 弱層滑動(dòng)如圖10～圖12。剖面2 沿第3、第4、第5 弱層滑動(dòng)如圖13～圖15。

圖10 剖面1 沿第3 弱層滑動(dòng)Fig.10 Section 1 sliding along the 3rd weak layer

圖11 剖面1 沿第4 弱層滑動(dòng)Fig.11 Section 1 sliding along the 4th weak layer

圖12 剖面1 沿第5 弱層滑動(dòng)Fig.12 Section 1 sliding along the 5th weak layer

圖13 剖面2 沿第3 弱層滑動(dòng)Fig.13 Section 2 sliding along the 3rd weak layer

對(duì)第1～第6 弱層深度與其對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，弱層位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系統(tǒng)計(jì)表表2。

圖14 剖面2 沿第4 弱層滑動(dòng)Fig.14 Section 2 sliding along the 4th weak layer

圖15 剖面2 沿第5 弱層滑動(dòng)Fig.15 Section 2 sliding along the 5th weak layer

表2 弱層位置與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of relationship between weaklayer position and slope stability coefficient

從表2 可以得出，隨著弱層深度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)在隨之減小，當(dāng)弱層位于10 煤底板以下20 m 處時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低到極限值，然后隨著弱層深度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)又逐漸增大，其函數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)出來的是1 條先下降到達(dá)最低點(diǎn)然后再上升的曲線，由此可以得到，如果10 煤底板以下存在有弱層，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并不是隨著弱層的深度增加一直遞減，而是遞減到一定程度又隨著弱層深度的增加出現(xiàn)遞增，當(dāng)該弱層位于10 煤底板以下20 m 處時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大。

4 弱層勘查及地下巖移監(jiān)測

4.1 弱層勘查

通過分析得知如果該礦10 煤底板下方20 m 處存在泥巖弱層時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大。而該露天礦在后期的開采過程中將會(huì)對(duì)下部9 煤及10 煤進(jìn)行開采，并對(duì)內(nèi)排區(qū)域進(jìn)行內(nèi)排增高擴(kuò)容，因此會(huì)加劇滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，為避免露天煤礦在后期開采中邊坡由該層位滑動(dòng)對(duì)露天煤礦生產(chǎn)及安全造成影響，因此需要對(duì)弱層位置進(jìn)行勘查，查明該位置是否存在弱層，如若有弱層，查明該位置弱層的性質(zhì)及厚度。

根據(jù)該礦內(nèi)排土場原有地質(zhì)勘查資料及鉆孔布置位置資料并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，依據(jù)DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地質(zhì)勘察規(guī)范》、MT/T 1042—2007《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》及《露天礦邊坡工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等國家相關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求，在東幫下部垂直于東幫方向自北向南共布置3 條勘探線，勘探線1與勘探線2 間距約237 m，勘探線2 與勘探線3 間距約320 m，每條勘探線共布置2 個(gè)鉆孔，共布置6個(gè)鉆孔，根據(jù)弱層深度敏感度研究結(jié)果終孔位置需跨越弱層最大影響區(qū)域，最終確定終孔10 煤底板下30 m，用以查明10 煤底板下的工程地質(zhì)條件，并查明弱層分布情況。

4.2 地下巖移監(jiān)測

地下巖移監(jiān)測是指通過儀器測量的方式，對(duì)地下巖體相對(duì)于穩(wěn)當(dāng)?shù)貙拥奈灰扑俣?、位移量以及方向，從而確定移動(dòng)巖體滑移面與變形變化規(guī)律[10-12]。一般方法是通過工程地質(zhì)勘探鉆孔來實(shí)現(xiàn)，利用工程地質(zhì)勘探中的鉆孔建立地下位移監(jiān)測孔，弱層勘查孔成孔后，本著“一孔多用，相互驗(yàn)證”的原則，在鉆孔中下入地下巖移監(jiān)測系統(tǒng)，用于地下巖移監(jiān)測，因該礦東幫區(qū)域?yàn)閮?nèi)排區(qū)域，隨著后期內(nèi)排量的增加，東幫位移量會(huì)增大，而且隨著內(nèi)排的增高，此次的成孔可能會(huì)被掩埋，因此內(nèi)排土場地下位移監(jiān)測是很有必要的，且不可使用固定監(jiān)測裝置對(duì)東幫地下巖移進(jìn)行監(jiān)測，需使用人工監(jiān)測方法對(duì)地下巖移進(jìn)行監(jiān)測，人工地下位移監(jiān)測裝置示意圖如圖16。

圖16 人工地下位移監(jiān)測裝置示意圖Fig 16 Schematic diagram of artificial underground displacement monitoring device

5 結(jié) 語

1）采用極限平衡法對(duì)弱層深度敏感度進(jìn)行了分析，得出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)并不是隨著弱層的深度增加一直遞減，而是遞減到一定程度又隨著弱層深度的增加出現(xiàn)遞增，當(dāng)該弱層位于10 煤底板以下20 m 處時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大。

2）如果10 煤底板以下20 m 處存在弱層，對(duì)排土場邊坡穩(wěn)定性影響最大，為了保證在后期開采及內(nèi)排過程中邊坡的穩(wěn)定，需要對(duì)弱層進(jìn)行勘查及進(jìn)行地下巖移監(jiān)測，在內(nèi)排土場下部布置3 條勘探線，共6 個(gè)鉆孔用于弱層勘查，終孔位置為10 煤底板下30 m，在成孔后，采用人工地下位移監(jiān)測裝置進(jìn)行地下位移監(jiān)測。