楊福卿，時(shí)旭陽(yáng)，張傳偉，才慶祥

（1.昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤炭露天開(kāi)采過(guò)程中易形成高大端幫邊坡，邊坡失穩(wěn)滑坡嚴(yán)重影響生產(chǎn)和人員安全，因此，保證邊坡安全是露天礦山安全高效生產(chǎn)的基本條件[1]。布沼壩露天礦南幫西段為典型含軟弱夾層軟巖邊坡，弱層巖土體力學(xué)指標(biāo)差，在構(gòu)造應(yīng)力及地下水影響下易發(fā)生軟化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，極易形成沿弱面順層滑坡[2-6]。邊坡巖體內(nèi)普遍存在軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層，受開(kāi)采擾動(dòng)影響，弱面夾層產(chǎn)生發(fā)育擴(kuò)張，貫通后將形成主動(dòng)滑面，誘發(fā)滑坡災(zāi)害[7-8]；水是影響弱面力學(xué)特性的另一關(guān)鍵因素，在降雨、地下水補(bǔ)給作用下，結(jié)構(gòu)面或弱層充水甚至達(dá)到飽和狀態(tài)，強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)一步弱化，產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)隱患[9-11]。一定程度上邊坡的穩(wěn)定性是受結(jié)構(gòu)面和弱層控制，因此無(wú)論采用二維極限平衡法或數(shù)值仿真手段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，首先要考慮邊坡體中的結(jié)構(gòu)面和弱層[12-15]。

1 南幫西段邊坡概況

布沼壩露天礦采場(chǎng)東西長(zhǎng)2.6 km，南北寬2.4 km，面積約5.84 km2。采場(chǎng)最高臺(tái)階位于西幫1 260 m 水平，最低臺(tái)階為坑底960 m 水平。南幫為工作幫，由于征地問(wèn)題制約，南幫未能正常往前推進(jìn)，并形成了約16°左右的幫坡角。GPS 邊坡位移監(jiān)測(cè)顯示，南幫大部分區(qū)域邊坡較為穩(wěn)定，而南幫西段一直處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)。2015 年8 月3 日，南幫西段邊坡發(fā)生滑移，滑移范圍東西長(zhǎng)390 m，南北寬340 m，面積為8.35 km2，滑移前緣位于1 070 m 水平，滑移后緣位于1 157 m 水平，相對(duì)高差為87 m，其中底部隆起高度達(dá)15 m，后方塌陷高度約20 m，滑體體積約28.87 萬(wàn)m3。

2 影響邊坡滑移的因素

2.1 構(gòu)造條件

構(gòu)造是巖石中不同礦物集合體之間、巖石的各個(gè)組成部分之間或礦物集合體與巖石其他組成部分之間的相互關(guān)系。它反映的是礦物集合體的形狀、大小和空間的相互關(guān)系及充填方式，即礦物集合體組合的幾何學(xué)特征。

布沼壩露天礦南幫西段邊坡滑移，其范圍從平面上看位于布沼壩向斜的西翼、F4和F7斷層之間。布沼壩向斜長(zhǎng)軸方位為北東-南西，全長(zhǎng)5 km，北西-南東寬2.4～3.0 km，呈橢圓形兩端封閉的平緩向斜。北西翼傾角平緩在8°～20°；南東翼較陡為15°～35°，兩翼不甚對(duì)稱。而F4和F7斷層的存在，有可能切斷下伏地層，直接影響下伏地層的水力聯(lián)系。因此，邊坡滑移區(qū)較為復(fù)雜的構(gòu)造條件使得該區(qū)域地層及基底巖層較為破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，并有可能破壞原有各地層間的水力聯(lián)系。

2.2 水文地質(zhì)條件

1）隔（含）水地層條件。從地層上來(lái)看，本區(qū)地層主要有第四系、新第三系、三疊系地層，其中第三系的N5 河頭煤組砂層孔隙含水組在本區(qū)不分布。除第四系外，其余2 個(gè)地層均有隔水層。由于各地層所處的工程位置不一樣，其功能不一。第三系與煤層開(kāi)采緊密相關(guān)，N4 泥灰?guī)r相對(duì)隔水層、N1-2 薄煤段-東升橋黏土巖段相對(duì)隔水組對(duì)煤層開(kāi)采起著總要的作用；三疊系地層是組成采場(chǎng)基底的地層，T2g1 隔水層對(duì)原煤生產(chǎn)及變坡穩(wěn)定均起著重要的作用。小龍?zhí)杜璧厮闹芨呱江h(huán)繞，灰?guī)r裸露，利于降雨滲入補(bǔ)給。巖溶地下水從四周向盆地集中匯聚，在西南盆地及南盤江河谷2 個(gè)排泄帶以溢出泉形式出露，具有典型的山區(qū)巖溶水的顯著特點(diǎn)：即山區(qū)即為潛水補(bǔ)給區(qū)，山間盆地為承壓徑流區(qū)，盆地邊緣及河谷為地下徑流排泄帶。

2）充水來(lái)源。目前布沼壩采場(chǎng)主要的充水來(lái)源為：煤層裂隙水、第四系鈣華（鈣礫）層水、三疊系石灰?guī)r巖溶裂隙水、大氣降水等。其中第四系鈣華（鈣礫）層水的出水點(diǎn)受降雨和地表水影響較大；煤層裂隙水在坑內(nèi)出水點(diǎn)流出形態(tài)為股流和滲出的形式；三疊系石灰?guī)r巖溶裂隙水主要為T2g5 灰?guī)r裂隙水，以上升形式溢出，季節(jié)性變化??；大氣降水是礦坑最主要的充水因素。大氣降水一是直接進(jìn)入礦坑、二是滲入補(bǔ)給第四系和煤層露頭地段入坑、三是降水滲入裸露的的三疊系石灰?guī)r進(jìn)入礦坑。滑坡區(qū)域剛好位于礦區(qū)最主要的隔水層T2g1 的上部，處于高水位區(qū)和低水位區(qū)的分界線，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，邊坡分析應(yīng)著重考慮水的影響。

2.3 工程地質(zhì)條件

井田內(nèi)與露天采煤條件有關(guān)的巖層主要有Q～N1-2 間各組巖層，其次還有T2g5、T2g4 等基底灰?guī)r。各地層中，第四系巖層組成邊坡的頂段，其穩(wěn)定性主要決定于水的浸軟與沖刷程度；新第三系泥灰?guī)r質(zhì)地均一，雖浸水后強(qiáng)度有所降低，但由于組成逆向邊坡為主，對(duì)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性較為有利，除局部有可能崩塌外，一般不易構(gòu)成完整的滑動(dòng)面；薄煤段與東升橋黏土巖段總的來(lái)說(shuō)以松軟巖層為主，巖石強(qiáng)度低，對(duì)于保持較陡邊坡角難度較大，與煤層接觸段容易產(chǎn)生順層滑動(dòng)，若在浸水膨脹情況下，抗剪強(qiáng)度顯著降低，邊坡更不穩(wěn)定。

小龍?zhí)兜V區(qū)賦存的煤層是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天礦生產(chǎn)時(shí)期，有較多的煤臺(tái)階。由于該煤層層面裂隙及垂直層面裂隙較發(fā)育，煤層中有數(shù)層厚度不等的薄層透鏡狀?yuàn)A矸，巖性以炭質(zhì)黏土巖、含炭黏土巖為主，夾粉砂質(zhì)黏土巖及少量鈣質(zhì)條帶、含炭灰?guī)r。小龍?zhí)兜V區(qū)賦存的煤層是新第三系巨厚的褐煤，因此在露天礦生產(chǎn)時(shí)期，有較多的煤臺(tái)階。由于該煤層層面裂隙及垂直層面裂隙較發(fā)育，煤層中有數(shù)層厚度不等的薄層透鏡狀?yuàn)A矸，巖性以炭質(zhì)黏土巖、含炭黏土巖為主，夾粉砂質(zhì)黏土巖及少量鈣質(zhì)條帶、含炭灰?guī)r。且該層上部分布較少，向煤盆底部及邊緣有增多的趨勢(shì)，其間黏土巖類浸水易軟化，構(gòu)成局部軟弱結(jié)構(gòu)面，在一定程度上減低了煤體在邊坡的穩(wěn)定性，尤其在順層坡的情況下，加之煤層本身垂直層面裂隙有水，易沿夾層產(chǎn)生順層滑動(dòng)。根據(jù)對(duì)褐煤段的試驗(yàn)，逆層抗剪強(qiáng)度為2.31 kg/cm2，而順層抗剪強(qiáng)度僅為0.21 kg/cm2，比逆層抗剪強(qiáng)度小得多。綜上所述，本次邊坡滑移，滑坡體主要包含第四系表土、新第三系主煤段，巖性均為不堅(jiān)固類別，尤其主煤段，順層和逆層存在高達(dá)10 倍的抗剪強(qiáng)度差別。主煤段與上覆、下伏巖層之間的鈣質(zhì)條帶、黏土巖類在水的作用下浸水軟化，構(gòu)成軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)上覆巖層巖該弱面滑動(dòng)提供了直接條件。

3 穩(wěn)定性分析與治理措施

3.1 剖面和計(jì)算方法

通過(guò)邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，可以準(zhǔn)確的確定邊坡滑移的模式，及失穩(wěn)條件。本次設(shè)計(jì)在邊坡滑移區(qū)域找出2 個(gè)典型剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，其中A 剖面為地質(zhì)報(bào)告IV 勘探線，B 剖面為正南北向穿過(guò)滑坡區(qū)的剖面。

對(duì)該區(qū)域邊坡以圓弧滑動(dòng)和順層滑動(dòng)2 種滑移模式來(lái)模擬計(jì)算，以確定邊坡滑移模式及滑面的位置。設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院編制的STAB 邊坡穩(wěn)定分析程序進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)不同的邊坡滑移破壞模式采用不同的二維極限平衡法。

1）傳遞系數(shù)法。也稱推力法，適用于邊坡為折線型滑面的穩(wěn)定性計(jì)算，為通用方法。邊坡滑移破壞模式為順層滑移時(shí)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用本法。

2）簡(jiǎn)化BISHOP 法。圓弧形滑移破壞模式計(jì)算方法較多，但計(jì)算結(jié)果一般都偏于保守例如瑞典法、Fellenius 法等。

3.2 穩(wěn)定性分析

典型剖面邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 布沼壩露天礦南幫西段邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果表

穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖1。圓弧滑動(dòng)是發(fā)生在均質(zhì)邊坡內(nèi)部的一種常見(jiàn)滑移模式。本次邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，假定的圓弧滑移模式，滑面貫穿了第四系表土、主煤段、薄煤段-東升橋黏土巖3 個(gè)地層，且最危險(xiǎn)滑面與實(shí)際邊坡滑移范圍有很大的差距，證明本次邊坡滑移模式為沿弱面的順層滑移模式。同時(shí)，從不同水頭壓力下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，證明水頭越高，邊坡穩(wěn)定系數(shù)越低，本次邊坡失穩(wěn)水頭壓力較高是最重要原因之一。

圖1 穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.3 治理措施

布沼壩露天礦南幫西段邊坡靠近褶皺發(fā)育、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域時(shí)，容易產(chǎn)生小范圍的崩塌或滑坡現(xiàn)象，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行削緩坡角，減輕滑體自身重量是有必要的，工程實(shí)施有利于保持邊坡穩(wěn)定。

1）削坡范圍。根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析結(jié)論，同時(shí)考慮到生產(chǎn)實(shí)際和施工條件，本次削坡減載范圍確定如下：本次設(shè)計(jì)削坡減載范圍為：東西長(zhǎng)430 m，南北寬340 m，高程1 070～1 157 m，水平投影面積：11.63 hm2。減載工程量為61.94 萬(wàn)m3，其中剝離物39.47 萬(wàn)m3，煤量22.47 萬(wàn)m3。

2）臺(tái)階參數(shù)。①臺(tái)階高度：根據(jù)布沼壩露天礦設(shè)計(jì)臺(tái)階高度為10 m，本設(shè)計(jì)臺(tái)階高度取5 m，2 個(gè)臺(tái)階組合為1 個(gè)10 m 臺(tái)階；②臺(tái)階坡面角取50°；③平盤寬度：運(yùn)輸平盤寬度取20 m，其余平盤寬度取15 m。

3）削坡減載結(jié)果?；魄拔髂蠋蛶推陆菫?6°，下部底鼓區(qū)達(dá)到17°，削坡減載后幫坡角為15°，下部底鼓區(qū)域最高清理高度約23 m。削坡減載實(shí)施后，典型剖面1/3 水頭壓力條件下穩(wěn)定系數(shù)均超過(guò)1.302，在1/2 水頭壓力條件下穩(wěn)定系數(shù)也達(dá)到1.230，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

南幫西段邊坡滑移，是由大氣降水引起的第四系地層充水，并向N3煤層徑流，導(dǎo)致煤層水頭壓力抬高，并且弱化了N3煤層底板，引起了沿煤層底板面順層滑移。水是導(dǎo)致邊坡滑移的最重要外因，削坡減載僅暫時(shí)確保了邊坡的安全穩(wěn)定，未保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)第四系巖層進(jìn)行有效的排水，防止?jié)B透、軟化巖體，必要時(shí)還應(yīng)當(dāng)超前降低地下水位。