陳運(yùn)財，劉洪林,2?，王宏志，曹文祥，閆海天，甄文元

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué)礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開采自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗室，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和物質(zhì)生活水平提高，世界對能源的需求量呈大幅上升趨勢．富煤、貧油、少氣的國家能源結(jié)構(gòu)特征，決定了在一定時期內(nèi)煤炭仍是我國的主體能源．統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截至2020年我國煤炭產(chǎn)量已達(dá)38.4億噸，其中露天開采約占煤炭總產(chǎn)量的16%左右，在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域占重要地位．我國露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、山西、陜西等地[1]，隨著我國能源戰(zhàn)略重心的西移，西部地區(qū)露天煤礦迅速建設(shè)投產(chǎn)[2]．新疆位于我國西北部，煤炭儲量占全國總儲量的40%以上[3]．新疆煤炭資源集中分布在準(zhǔn)東、吐哈、伊犁、庫拜四大整裝煤田，普遍具有儲量大、埋藏淺且煤層厚度大的特點(diǎn)[4]，非常適合露天開采．然而，新疆成煤時期和氣候條件特殊，煤系地層巖石膠結(jié)程度低，在降雨的影響下極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，對露天礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅．

圍繞邊坡穩(wěn)定性相關(guān)問題，國內(nèi)外學(xué)者分別對巖石強(qiáng)度、巖體礦物成分、坡高及邊坡傾角等方面展開研究，并取得了一定的成果．閆永平等[5]結(jié)合露天礦滑坡類型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、人為擾動及自然條件的綜合作用下，露天邊坡發(fā)生不同程度損傷破壞．時旭陽等[6]對某露天礦巖石展開不同法向力下的直剪試驗，認(rèn)為低法向應(yīng)力條件下巖石為塑性破壞，巖石裂隙傾角分布較廣、裂隙面較為復(fù)雜；高應(yīng)力狀態(tài)下，巖石出現(xiàn)高傾角裂隙，巖石的破壞類型由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化．任月龍等[7]對哈爾烏素露天邊坡展開研究，發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性存在時效性，并推導(dǎo)出了邊坡時效性的計算公式．許俊凱等[8]分析人類活動、降雨對露天礦區(qū)高切邊坡的影響．然而，新疆礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征不同于其它地區(qū)，煤系地層成巖時間晚，成巖環(huán)境特殊，普遍具有膠結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)松散及力學(xué)性質(zhì)差的特征，使弱膠結(jié)露天邊坡變形大、穩(wěn)定性差，邊坡支護(hù)難度增加，新疆弱膠結(jié)地層邊坡的變形機(jī)制和穩(wěn)定性控制方法還有待進(jìn)一步研究．

1 伊寧露天煤礦地質(zhì)環(huán)境特征

伊寧屬中國新疆伊犁哈薩克自治州，位于天山北部的伊犁河谷，根據(jù)國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的遙感數(shù)據(jù)及礦區(qū)氣象資料，伊寧礦區(qū)雨水豐富，區(qū)域降雨具有短時強(qiáng)度大的特點(diǎn)（表1）．伊寧礦區(qū)煤系地層由第四系松散層、侏羅系及三疊系組成，煤炭資源豐富且埋藏淺，適合露天開采．地層巖性主要以泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，由于地層成巖時間晚，普遍具有膠結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)性質(zhì)差等特征[9?12]，在高強(qiáng)度降雨作用下，邊坡巖土體力學(xué)性質(zhì)大幅度劣化，穩(wěn)定性迅速降低．

表1 伊寧礦區(qū)月均降雨量/mm

通過實(shí)地調(diào)研，皮里青礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要為地表侵蝕、地下水污染及崩塌、滑坡、水土流失五個方面[13]．然而，在眾多災(zāi)害中崩塌和滑坡對地質(zhì)環(huán)境的影響最大，原因是弱膠巖石親水礦物的含量較多，空間結(jié)構(gòu)松散，在開采擾動及降雨作用下容易發(fā)生強(qiáng)度弱化，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞[14]．

2 弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡模型構(gòu)建

皮里青露天礦北部端幫邊坡最終境界設(shè)計為110～240 m，臺階高度為10 m，最終邊坡傾角為35?左右．為了研究不同傾角和坡高下弱膠結(jié)露天礦邊坡的力學(xué)響應(yīng)特征，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，建立如下計算方案．方案1：模型高135 m、寬5 m，傾角分別為20?、30?、35?、40?．方案2：模型寬5 m、坡高增量20 m，邊坡高度分別為30 m、50 m、70 m、90 m、110 m．本次邊坡模型的構(gòu)建，主要基于新疆弱膠結(jié)地層巖石力學(xué)參數(shù)[15?16]，數(shù)值模型主要巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示．計算模型除坡面及頂面外，其余4面均采用位移邊界法相約束，初始計算模型如圖1所示．

表2 主要巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡初始模型

2.2 傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

通過對不同邊坡傾角的計算模擬，對比圖2（a～d），可以看出傾角由20?增加到40?時，坡體剪應(yīng)力升高并逐漸向坡腳處增大，邊坡屈服面與剪力增量變化趨勢相同，均呈現(xiàn)出弧狀且在坡腳處最大，如圖2（e～h）．

圖2 不同傾角對邊坡的影響

為衡量皮里青北部端幫邊坡穩(wěn)定性，以邊坡安全系數(shù)為指標(biāo)，由圖3可知，當(dāng)傾角由20?增加到40?時，邊坡安全系數(shù)依次為2.56、1.45、1.25、1.07．基于邊坡傾角的模擬結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)，盡可能提高煤炭資源回收率，本文認(rèn)為皮里青北部端幫邊坡傾角為35?時較為合理．

圖3 不同傾角下邊坡的安全系數(shù)

2.3 坡高對邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)邊坡傾角的計算結(jié)果，將模型傾角設(shè)置為35?，分析相同傾角下不同坡高對邊坡穩(wěn)定的影響．由圖4（a～e）可知，隨著開采深度增加，安全系數(shù)不斷降低，剪力增量變化規(guī)律不明顯，但在坡腳處最大．在剪力的作用下弱膠結(jié)巖體逐漸屈服，最終導(dǎo)致坡腳發(fā)生剪切破壞，如圖4（f～j）所示．

圖4 不同坡高對邊坡的影響

圖5為不同坡高下邊坡安全系數(shù)．由圖5可知，坡高為30～50 m時，安全系數(shù)下降速度較快．坡高為50～110 m時，安全系數(shù)下降速度減慢．結(jié)合已有研究，巖體強(qiáng)度與埋深呈正相關(guān)[17]，露天礦初期開挖階段地層埋藏淺、巖石力學(xué)性質(zhì)差，邊坡的形變量較大．隨著邊坡高度增加，坡體深部地層占比增大，由于此類地層巖石強(qiáng)度大，不易發(fā)生變形，因此邊坡安全系數(shù)降速逐漸減慢．

圖5 不同坡高下的邊坡安全系數(shù)

2.4 降雨條件下邊坡塑性區(qū)的發(fā)育特征

皮里青露天礦日均最大降雨量為50.6 mm．為研究降雨條件下浸潤線變化及邊坡塑性區(qū)的發(fā)育特征，基于傾角和坡高的研究結(jié)果，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊，通過Morgenstern-price法，建立傾角35?、坡高135 m、降雨邊界條件50.6 mm的邊坡模型．

通過降雨分析，對比圖6（a～d）的浸潤線變化可知，穩(wěn)定滲流（即未降雨）時，浸潤線位于地下水位附近．降雨1 h時，浸潤線逐漸升高并在坡腳處有水流滲出；降雨2 h時，浸潤線高度由50 m上升至55.3 m，并在坡腳處有大量積水；降雨3 h時，浸潤線提升幅度極小，原因是降雨持續(xù)到2 h時，浸潤線高度超過坡底，雨水從坡腳處滲出，坡體水位無法繼續(xù)上升．此后，隨著降雨時長的推移，浸潤線高度保持不變，坡腳積水增多．

圖6 邊坡浸潤線變化

如圖7（a）所示，邊坡未受到降雨作用時，潛在滑坡面呈弧形且位于坡體較淺位置．當(dāng)降雨強(qiáng)度為50.6 mm、降雨時長為48 h時，弱膠結(jié)地層邊坡塑性區(qū)逐漸向坡體內(nèi)部延伸，坡腳處有大量雨水滲出，如圖7（b）所示．

圖7 降雨作用下塑性區(qū)變化情況

隨著降雨強(qiáng)度增大，邊坡穩(wěn)定性減小，安全系數(shù)由1.3下降至1.0（圖8）．邊坡變形分為非飽和入滲、徑流形成、飽和滲透及穩(wěn)定卸壓四個階段，不同階段下邊坡的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制不同．

圖8 降雨條件下的邊坡安全系數(shù)

（1）非飽和入滲階段．邊坡通常處于飽和-非飽和狀態(tài)，未受降雨影響時，遠(yuǎn)離地下水的坡體是非飽和狀態(tài)．開始降雨時，由于邊坡巖體十分干燥，雨水均被吸收．降雨持續(xù)一段時間后，淺層巖體逐漸飽和，雨水入滲量減少，非飽和入滲階段結(jié)束．由于該階段邊坡受到的浸潤時間短，巖體未發(fā)生強(qiáng)度弱化，故安全系數(shù)下降較小且降速緩慢．

（2）徑流形成階段．非飽和入滲階段結(jié)束后，淺部巖體達(dá)到飽和，雨水入滲量減少．隨著降雨時長的推移，雨水迅速在坡面匯集形成地表徑流，在水流的沖刷下邊坡的完整性遭到破壞，導(dǎo)致坡體應(yīng)力分布不均勻，巖體變形量增加．

（3）飽和滲透階段．在雨水長時間的浸潤下，邊坡深部巖體基本達(dá)到飽和，因為弱膠結(jié)巖體力學(xué)性質(zhì)較為特殊，在浸潤及沖刷的作用下巖石強(qiáng)度劣化嚴(yán)重，導(dǎo)致邊坡的變形速度增大，安全系數(shù)由1.2降至1.1．

（4）穩(wěn)定卸壓階段．該階段降雨時間最長，但降雨強(qiáng)度小，從而水對邊坡的補(bǔ)給量減少，巖體孔隙水壓降低，巖石強(qiáng)度得到恢復(fù)．因此，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)．

2.5 邊坡安全系數(shù)的公式擬合

基于降雨條件下弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性研究，得出降雨強(qiáng)度及降雨時長對弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響的結(jié)論．根據(jù)伊寧礦區(qū)降雨資料，結(jié)合邊坡安全系數(shù)的變化情況進(jìn)行公式擬合（圖9），具體為：y=?0.005 9x+1.302 6，R2=0.969 4；式中：y為安全系數(shù)，x為降雨時長．

圖9 降雨公式擬合

根據(jù)上述公式，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，可對弱膠結(jié)地層露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行判定，為弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性評價提供參考．

3 弱膠結(jié)地層邊坡穩(wěn)定性的控制方法

3.1 弱膠結(jié)地層邊坡強(qiáng)度失效機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論，邊坡的巖石強(qiáng)度直接反映其穩(wěn)定性的大?。?dāng)巖體強(qiáng)度較大時，邊坡的穩(wěn)定性高；若巖體強(qiáng)度較低，則邊坡的穩(wěn)定性將大幅降低[18?21]．邊坡失穩(wěn)主要受內(nèi)部條件及外部環(huán)境的影響，其強(qiáng)度失效主要由于巖體在雨水浸潤和沖刷下邊坡的完整性遭到破壞，造成坡體應(yīng)力分布不均勻，引起局部應(yīng)力集中現(xiàn)象．若邊坡巖體結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)強(qiáng)度低，例如弱膠結(jié)巖石，此類巖體在開采擾動作用下其空間結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞，使其強(qiáng)度大幅度劣化，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞．

3.2 弱膠結(jié)邊坡穩(wěn)定性的控制方法

基于3.1節(jié)所述的邊坡失穩(wěn)機(jī)制，本文認(rèn)為邊坡的穩(wěn)定性影響因素主要為巖體力學(xué)性質(zhì)及雨水的影響，因巖體性質(zhì)不易改變，可通過削減外界環(huán)境的作用來提高邊坡的穩(wěn)定性．如圖10所示，針對伊寧礦區(qū)降雨引發(fā)邊坡變形的四個階段，提出采用“防滲+錨固”相結(jié)合的邊坡聯(lián)合控制方法．

圖10 弱膠結(jié)地層邊坡的治理措施

針對前兩個階段，通過安裝橫向排水渠、豎向排水渠以及在各排水渠間鋪設(shè)防滲膜，將雨水引入排水渠中進(jìn)行集中排放，從而降低雨水對邊坡的浸潤和沖刷．針對后兩個階段，根據(jù)邊坡的潛在滑坡面為弧形，為降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益，提出在坡體兩端采用錨桿支護(hù)、中部用錨索支護(hù)的方法來提高邊坡的穩(wěn)定性．

4 結(jié)論

針對弱膠結(jié)地層條件下邊坡穩(wěn)定性研究，分析傾角、坡高及降雨對其穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論：

（1）通過對不同傾角的計算分析，認(rèn)為傾角與剪應(yīng)力成正比，與安全系數(shù)成反比．隨著傾角的增加，剪應(yīng)力升高并向坡腳處增大，最終導(dǎo)致坡腳應(yīng)力超過巖石的極限強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞．

（2）相同傾角下，隨著坡高增大，邊坡應(yīng)力變化與傾角應(yīng)力變化呈相似的變形趨勢，安全系數(shù)分為快速下降和緩慢下降兩個階段；坡高越大，邊坡安全系數(shù)越?。?/p>

（3）通過降雨分析，認(rèn)為短時強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡強(qiáng)度大幅度下降，邊坡變形分為非飽和入滲、徑流形成、飽和滲透及穩(wěn)定卸壓四個階段，且降雨時間越長，邊坡安全系數(shù)降值越大．

（4）針對伊寧礦區(qū)短時強(qiáng)降雨條件下雨水入滲、侵蝕弱膠結(jié)地層邊坡，導(dǎo)致邊坡完整性受損、安全系數(shù)降低的現(xiàn)象，提出采用“防滲+錨固”相結(jié)合的邊坡聯(lián)合控制方法．