李存金，楊昌艷，孫有剛，董瑞榮，秦 旭，范 磊

（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）

滑坡是露天煤礦最普遍的地質(zhì)災(zāi)害之一，治理不力會(huì)造成人員、設(shè)備及周邊構(gòu)筑的損傷，導(dǎo)致礦山生產(chǎn)中斷、經(jīng)濟(jì)效益惡化，是露天開采領(lǐng)域研究的重大問題之一，復(fù)合邊坡因影響因素多，坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一直是露天礦山邊坡研究的重要課題。近年來，廣大學(xué)者對(duì)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一定程度的研究，陳鵬等人以依蘭露天礦為研究背景，應(yīng)用極限平衡法和強(qiáng)度折減法分別對(duì)采場(chǎng)、排土場(chǎng)及二者構(gòu)成的土-巖復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，優(yōu)化了邊坡最終形態(tài)[1]；孔令偉針對(duì)勝利東二號(hào)露天礦首采區(qū)采場(chǎng)南幫南排土場(chǎng)復(fù)合邊坡變形實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)揭露的泥巖弱層等工程地質(zhì)條件，建立了南幫復(fù)合邊坡模型，利用極限平衡法對(duì)南幫復(fù)合邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2]；羅春生等基于強(qiáng)度折減法及FLAC3D對(duì)復(fù)合邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過穩(wěn)定性分析揭示排土場(chǎng)位置對(duì)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律及破壞形式[3]；劉曉玲等基于開挖-堆載的基本工程步驟，推導(dǎo)了開采作業(yè)過程中開挖工程量的計(jì)算公式，并根據(jù)開挖方量推導(dǎo)出均勻排棄時(shí)排土場(chǎng)高度計(jì)算公式[4]；田巍巍等運(yùn)用有限差分強(qiáng)度折減法對(duì)肯斯瓦特水利樞紐工程聯(lián)合進(jìn)水口土-巖復(fù)合邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析[5]；田樹坤等基于強(qiáng)度折減理論，應(yīng)用FLAC3D對(duì)采場(chǎng)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡變形進(jìn)行數(shù)值模擬，展現(xiàn)出采場(chǎng)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡的變形機(jī)理[6]；曹蘭柱等以蒙東西二露天礦排土場(chǎng)邊坡為工程背景，基于剛體極限平衡與三維數(shù)值模擬方法，揭示了不同基底傾角條件下排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，分析了軟弱傾斜復(fù)合基底排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)機(jī)理，并討論了治理措施[7]；王東等采用剛體極限平衡理論和FLAC3D數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方法，結(jié)合露天礦采場(chǎng)自上而下逐水平形成的特點(diǎn)，提出了一種順傾層狀邊坡參數(shù)逐階段優(yōu)化方法[8]。盡管在復(fù)合邊坡穩(wěn)定性分析方面已有一定程度的研究，但對(duì)于順傾產(chǎn)狀、弱層發(fā)育、基底不平的復(fù)雜條件復(fù)合邊坡，研究深度仍顯不夠。

霍林河南露天煤礦沿幫內(nèi)排土場(chǎng)西坡面下部為采掘場(chǎng)，該坡面邊坡形成排土場(chǎng)-采場(chǎng)復(fù)合邊坡，排土場(chǎng)基底東側(cè)為原始地表，中部為原始開挖臺(tái)階，西側(cè)為14#煤底板，形態(tài)復(fù)雜。自2018 年10 月開始，該區(qū)域950 m 水平開始出現(xiàn)裂縫，并且不斷擴(kuò)展，初步顯現(xiàn)出了滑坡前的一些跡象。因此，為防止滑坡造成重大損失，采取合理的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化治理，具有重要意義。

1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

邊坡工程理論發(fā)展至今，形成了多種穩(wěn)定性分析方法，整體可分為3 大類，即定性、定量和其他分析方法。其中定性分析方法主要包括工程地質(zhì)比擬法、自然歷史分析法、邊坡工程數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)法和圖解法；定量分析方法主要包括數(shù)值分析法和極限平衡法，數(shù)值分析法較常用的有BEM 法（邊界元）、DEM 法（離散單元）、FEM 法（有限單元）和FLAC 法（拉格朗日）等，極限平衡法主要有Jaubu法、Bishop 法、楔體極限平衡法、Sarma 法、Fellenius法和剩余推力法等；其他分析方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、概率分析法和模糊理論分析法等。經(jīng)過對(duì)比分析，極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中應(yīng)用的最為廣泛，能夠較為精確的計(jì)算邊坡穩(wěn)定性，根據(jù)南露天煤礦實(shí)際情況，采用極限平衡法中的Bishop 法和剩余推力法進(jìn)行研究。

1）簡(jiǎn)化Bishop 法。Bishop 法是通過力矩平衡來確定安全系數(shù)，將土條之間的相互作用力按水平方向計(jì)算，以此方法得出法向力。Bishop 法中，設(shè)定滑面為圓弧形，以滑面的旋轉(zhuǎn)中心為基點(diǎn)，計(jì)算抗滑力矩和下滑力矩的比值，并將其作為安全系數(shù)，該方法中，任何分條受力都處在平衡狀態(tài)。

2）剩余推力法。剩余推力法同樣采用條塊的方式，假定第i 個(gè)條塊對(duì)第i+1 個(gè)條塊的作用力平行于第i 個(gè)條塊的底滑面，以平行于底滑面和垂直于底滑面2 個(gè)方向的合力及上1 個(gè)滑塊的剩余推力為0 為原則。

2 沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

2.1 潛在滑坡模式

經(jīng)過對(duì)沿幫內(nèi)排土場(chǎng)滑坡區(qū)域邊坡工程地質(zhì)勘查資料的搜集、整理與分析，并結(jié)合以往的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，南露天煤礦17#煤夾矸中發(fā)育有厚度為1 cm左右灰白色泥巖（泥）夾層，略有顆粒感，疑似為粉砂，質(zhì)軟易碎，遇水膨脹，局部含巖屑；其上、下煤層沿該夾層發(fā)生過滑動(dòng)，擦痕特別發(fā)育，疑似為弱層；在其下80 cm 處發(fā)育有厚度為20 cm 的炭質(zhì)泥巖，其上、下煤層沿其發(fā)生過滑動(dòng)，擦痕特別發(fā)育。2019年沿幫內(nèi)排土場(chǎng)邊坡各表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移歷史曲線如圖1，由圖1 可知，先前布置在970 m 水平，后移至943 m 水平的17#煤夾矸以下層位GPS-22監(jiān)測(cè)點(diǎn)和布置在954 m 水平的GPS-9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形遠(yuǎn)小于其他各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，說明滑體的發(fā)育范圍為：走向裂縫以東、17#煤夾矸底板弱層以上。

圖1 2019 年沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移歷史曲線

綜合邊坡的地層結(jié)構(gòu)、典型鉆孔體現(xiàn)的巖性分布條件、裂縫發(fā)育特征及不同位置變形規(guī)律，可判定沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡目前的潛在滑移面為17#煤夾矸底板弱層，形成底面（弱層）-側(cè)面（圓?。┑那袑?順層滑動(dòng)潛在模式。

2.2 計(jì)算剖面和邊坡物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)剖面及潛在滑坡體發(fā)育的范圍，選擇邊坡傾向方向上的2 個(gè)邊坡工程地質(zhì)剖面作為穩(wěn)定性計(jì)算剖面，二者間距約100 m。邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面圖如圖2。

圖2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算剖面圖

結(jié)合已有的鉆孔勘探成果，選取的巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)的選取表

由于17#煤夾矸底板弱層的力學(xué)特性易受地下水運(yùn)移規(guī)律、開挖卸荷及自身變形影響，其參數(shù)具有一定的時(shí)效性，所以對(duì)該層位的力學(xué)參數(shù)采用滑坡變形反分析的方法來確定該弱層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。反分析原則如下：

1）滑坡反分析是認(rèn)為已經(jīng)滑坡時(shí)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)介于0.98～0.99。對(duì)于南露天煤礦沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡而言，目前發(fā)現(xiàn)的是持續(xù)大變形，尚未真正演變成滑坡，從保守的角度考慮，可認(rèn)為其穩(wěn)定系數(shù)為1，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

2）結(jié)合以往地質(zhì)調(diào)查研究成果，基于現(xiàn)場(chǎng)在950 m 水平出現(xiàn)了較大尺寸的裂縫，在反分析過程中選取弱層黏聚力為0。

按照上述2 條原則，通過不斷試算不同內(nèi)摩擦角時(shí)剖面1、剖面2 邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，即可分別獲得這2 個(gè)剖面17#煤底板弱層的內(nèi)摩擦角。對(duì)于剖面1，以內(nèi)摩擦角為7.24°、7.2°、7° 3 種狀態(tài)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)；對(duì)于剖面2，以內(nèi)摩擦角為7.24°、7°、6.9°、6.5°、6° 5 種狀態(tài)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)。1#、2#剖面弱層抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析結(jié)果見表2。最終，可確定剖面1、剖面2 邊坡體內(nèi)17#煤夾矸底板弱層的內(nèi)摩擦角分別為7.2°和6.5°。

表2 1#、2#剖面弱層抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析結(jié)果（黏聚力為0 kPa）

2.3 邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)選取和邊坡評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范邊坡的暴露時(shí)間小于10 年，其安全儲(chǔ)備系數(shù)宜為1.1～1.2，考慮到復(fù)合邊坡下部降深到21#煤底板后可快速實(shí)現(xiàn)內(nèi)排壓幫，確定復(fù)合邊坡的安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.2；對(duì)于局部的邊坡，由于弱層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取較為保守，再加上布置了較為完善、穩(wěn)定的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，二者的安全儲(chǔ)備系數(shù)均為1.1。

現(xiàn)狀邊坡評(píng)價(jià)如下：

1）沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡坡體內(nèi)地層順傾，存在多個(gè)疑似弱層。

2）950 m 水平區(qū)段邊坡已出現(xiàn)滑坡跡象，且該區(qū)段布置有煤巖破碎運(yùn)輸系統(tǒng)，一旦邊坡失穩(wěn)，必將波及到破碎運(yùn)輸系統(tǒng)的安全，造成重大損失。

3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫發(fā)育及監(jiān)測(cè)獲得的信息來看，沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性已經(jīng)接近臨界狀態(tài)，急需采取恰當(dāng)?shù)闹卫泶胧?/p>

2.4 邊坡形態(tài)優(yōu)化

削坡通常是治理滑坡的有效手段之一，將削坡治理工程分為3 個(gè)層位，分別為觀禮臺(tái)層、觀禮臺(tái)下第1 層和觀禮臺(tái)下第2、第3 合層（各分層高度分別為5.5、4 和6.4 m）。削坡至不同分層與工程位置時(shí)沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律如圖3，剖面1 和剖面2 沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡清理前后的位置及穩(wěn)定性對(duì)照情況如圖4 。

圖3 削坡至不同分層與工程位置時(shí)沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

圖4 沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡清理前后的位置及穩(wěn)定性對(duì)照情況

剖面1 和剖面2 削坡至不同分層與工程位置時(shí)沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律為邊坡穩(wěn)定性總體上呈上升趨勢(shì)；當(dāng)觀禮臺(tái)分層削坡至潛在滑體后緣，其下部2 個(gè)分層向臺(tái)階內(nèi)側(cè)清理約40 m時(shí)，2 個(gè)剖面的穩(wěn)定系數(shù)均可達(dá)到1.1，該位置即為削坡方案對(duì)應(yīng)的工程位置。

按該削坡方案執(zhí)行，裂縫長(zhǎng)度425 m（清理時(shí)兩側(cè)應(yīng)各有30 m 富余量）、削坡厚度16 m、向臺(tái)階內(nèi)側(cè)清理40 m，確定累計(jì)削坡工程量為31.04 萬m3。

3 結(jié)語

1）沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡的潛在滑面為17 煤夾矸弱層，形成底面（弱層）-側(cè)面（圓?。┑那袑?順層滑動(dòng)潛在模式。

2）基于抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析原理，分別確定剖面1、剖面2 邊坡體內(nèi)17#煤夾矸底板弱層的內(nèi)摩擦角分別為7.2°和6.5°，黏聚力均為0 kPa；同時(shí)鑒于邊坡巖土體物理力學(xué)屬性的不確定性和現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，提出了相對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)。

3）對(duì)于沿幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡，最切實(shí)可行的穩(wěn)定性治理措施是在950 m 水平進(jìn)行削坡，削坡厚度16 m、向臺(tái)階內(nèi)側(cè)清理40 m，累計(jì)削坡工程量為31.04 萬m3。