李金典，韓 猛，封海洋

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

露天礦邊坡大都為沉積巖邊坡，主要以軟巖邊坡為主，具有致密、低滲透、微孔隙等特征，力學性質受含水率的影響較大[1]，我國內蒙古東部及廣大東北地區(qū)軟巖分布尤為廣泛。軟巖邊坡在形成過程中，由于其自身的物理力學強度較低而且受坡體內軟弱夾層的流變特性控制，使邊坡體變形具有蠕動特性；邊坡蠕動變形進入加速階段就預示著會因蠕動變形的急劇發(fā)展而失穩(wěn)破壞。由于現階段露天礦監(jiān)測技術的不斷提升，GNSS 系統(tǒng)因其具有全天候連續(xù)監(jiān)測的特點[2]，廣泛應用于各大露天礦山[3-6]。但監(jiān)測數據的收集與整理并沒有同邊坡的穩(wěn)定性分析較好的聯(lián)系起來，監(jiān)測數據的價值并沒有得到充分的體現。為此，選取內蒙古東部某典型軟巖露天礦邊坡為研究對象，通過分析監(jiān)測數據的變化，總結邊坡變形規(guī)律，得到邊坡變形破壞模式。

1 工程概況

研究區(qū)位于內蒙古東部，屬于典型的軟巖露天煤礦。露天礦整體呈向斜構造，邊坡順傾，區(qū)內構造簡單，斷層稀少，沒有受到巖漿巖的影響。礦區(qū)巖性出露地層由下往上主要有：①中生界白堊系下統(tǒng)龍江組的陸相中酸性火山－沉積巖組合；②白堊系下統(tǒng)梅勒圖組的中基性火山巖夾中酸性火山碎屑巖及火山碎屑沉積巖；③白堊系下統(tǒng)大磨拐河組的含煤碎屑巖層；④白堊系下統(tǒng)伊敏河組的含煤地層及第四系海拉爾組的松散沉積物。主采煤層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組，整體巖性力學性質較差。礦區(qū)含水層由上至下為第四系含水層和煤系含水層，2 套含水層不斷向礦坑內補充水源，在復雜的水文地質條件下，礦區(qū)排水效果并不明顯，加之泥巖弱層分布密集而且規(guī)律性差，邊坡問題尤為嚴重。

選取露天礦東端幫邊坡為研究對象，基于布置在東端幫GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，收集東端幫典型監(jiān)測線上5 個監(jiān)測點2018 年的監(jiān)測數據。選取2018 年監(jiān)測數據的意義在于：①數據監(jiān)測時限包含2018 年東幫滑坡前后，完整性強；②各個監(jiān)測點能夠反映東端幫—內排土場復合邊坡的形變過程，對現今的解決復合邊坡問題具有指導性意義。研究邊坡位于露天煤礦東端幫，東端幫為非工作幫，現已作為內排土場，東幫東側為外排土場，并與東幫構成東外排土場-內排土場復合邊坡。受復合邊坡長期蠕動變形影響，內排土場底部留有煤柱以提高邊坡整體穩(wěn)定性。研究邊坡剖面模型及監(jiān)測點分布位置如圖1。

圖1 邊坡剖面模及監(jiān)測點分布位置

由于露天煤礦東幫2014 年至2017 年均有滑坡發(fā)生，于2018 年東幫歷史滑坡區(qū)域布置監(jiān)測線對東幫變形進行監(jiān)測。人工監(jiān)測點X－3 同GNSS 監(jiān)測點BP1－4 位于外排土場與內排土場之間，其中監(jiān)測點X－3 靠近外排土場，監(jiān)測點BP1－4 靠近內排土場；GNSS 監(jiān)測點BP1－3、BP1－2、BP1－5 位于東幫內排土場，其中監(jiān)測點BP1－3、BP1－2 靠近內排土場上部，監(jiān)測點BP1－5 位于內排土場中部。

露天煤礦東幫于2018 年6 月發(fā)生滑坡，各個監(jiān)測點在滑坡后并未進行較大挪動，收集監(jiān)測線2018年5 月至2018 年7 月邊坡監(jiān)測數據，對東幫邊坡變形特征及破壞機理進行分析。

2 邊坡變形數據及變形破壞模式

2.1 邊坡變形數據

地表變形監(jiān)測系統(tǒng)在露天礦邊坡的建立，不僅實現變形監(jiān)測資料的長期積累，而且可用于分析邊坡的變形趨勢和規(guī)律，并作為最終結果來驗證定性或定量分析的可靠性[7]。根據露天礦東幫監(jiān)測線各個監(jiān)測點收集的監(jiān)測數據，分析各個監(jiān)測點在滑坡發(fā)生前后的位移變化根據位移變化數據，分析各個監(jiān)測點矢量位移情況，探究東幫滑坡變形破壞模式。各監(jiān)測點水平位移變化趨勢如圖2，各監(jiān)測點水平位移變化趨勢如圖3。

圖2 各監(jiān)測點水平位移變化趨勢

圖3 各監(jiān)測點垂向位移變化趨勢

滑坡發(fā)生前期，從整體位移數據來看，X－3 人工監(jiān)測點靠近東外排土場，相比于其他監(jiān)測點，水平及垂直位移速度較慢，而且變化幅度較小，表明東幫邊坡靠近外排土場一側變形速度慢，變形幅度?。籊NSS 監(jiān)測點BP1－4、BP1－3、BP1－2、BP1－5 水平及垂直位移速度較快，除5 月28 日至6 月1 日之間變化幅度較大外，整體變化幅度較小而且呈現出高速位移狀態(tài)，表明東幫靠近內排土場一側變形速度快，變形幅度大。單從水平位移變化來看，監(jiān)測點BP1－4位移速度最快，內排土場上3 個監(jiān)測點，位移速度差別較小，監(jiān)測點BP1－5 位移速度相對較大；單從垂直位移變化來看，人工監(jiān)測點X－3 垂向位移變化相對較小，監(jiān)測點BP1－5 除5 月28 日至6 月1 日變化幅度較大外，整體垂直向上移動，位移速度相對較??；GNSS 監(jiān)測點BP1－4、BP1－3、BP1－2 整體呈垂直向下運動，而且運動速度相對較大，其中監(jiān)測點BP1－4 垂直位移速度最大。

滑坡發(fā)生后，并沒有對各個監(jiān)測點進行較大的人為挪動，從水平位移數據來看，人工監(jiān)測點X－3和GNSS 監(jiān)測點BP1－5 并未發(fā)生較大的水平運動，位移速度較慢，趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而監(jiān)測點BP1－4 仍處于高速運動狀態(tài)，而且變化幅度較大；監(jiān)測點BP1－3 和監(jiān)測點BP1－2 由穩(wěn)定狀態(tài)逐步轉變?yōu)楦咚龠\動狀態(tài)。從垂直位移數據來看，監(jiān)測點BP1－4處于高速運動狀態(tài)，而且變化幅度較大；監(jiān)測點BP1－3 和監(jiān)測點BP1－2 由穩(wěn)定狀態(tài)逐步轉變?yōu)楦咚龠\動狀態(tài)，而且呈垂直向下運動，波動幅度較大；人工監(jiān)測點X－3 和GNSS 監(jiān)測點BP1－5 垂向位移速度相對較小，而且變化幅度較小。

根據滑坡前各個監(jiān)測點的位移變化情況，各個監(jiān)測點的矢量位移變化如圖4。

圖4 各監(jiān)測點的矢量位移變化圖

從圖4 中可以看出，人工監(jiān)測點X－3 位于東幫靠近東外排土場一側，以水平位移為主，而且位移量較??；監(jiān)測點1－4 位于東幫靠近內排土場一側，以水平且垂直向下的位移為主，而且位移量較大；監(jiān)測點BP1－3 和BP1－2 位于內排土場的上部，均以水平且垂直向下的位移為主，兩者位移量相，其中監(jiān)測點BP1－3 較BP1－2 向下位移更為明顯；監(jiān)測點BP1－5位于東幫內排土場中部，以水平位移為主，而且位移量較大。

2.2 變形破壞模式

從監(jiān)測點矢量位移變化數據來看，監(jiān)測點BP1－4、BP1－3、BP1－2、BP1－5 位于同一滑體之上，上部剪入口位于人工監(jiān)測點X－3 和GNSS 監(jiān)測點BP1－4之間，表明東幫滑體并未同東外排土場構成東外排土場－東幫內排土場復合邊坡問題；從監(jiān)測點BP1－4的位移變化來看，滑坡滑移面位于煤層或是泥巖弱層之中；從監(jiān)測點BP1－5 的位移變化來看，剪出口位于該點位置之下靠近坑底一側，根據實際情況，坑底并未出現底鼓，滑坡從內排土場下部排棄物料中剪出。整體來看，監(jiān)測點BP1－4 控制區(qū)域首先出現形變，當形變積累到某一數值或因此而形成拉張裂縫后，變形范圍逐漸向下部延伸，帶動內排土場上監(jiān)測點BP1－3、BP1－2 控制區(qū)域的逐步變形滑動，最終從監(jiān)測點BP1－5 控制區(qū)域西側（靠近采煤界面一側）剪出，為典型的“坐落式”滑坡模式。

3 氣候條件及軟巖特征

3.1 氣候條件特征

滑坡的產生與降雨有著密切聯(lián)系，雨水入滲不僅可以改變邊坡土體的水分分布，而且可以導致土體強度大大降低，從而可能成為觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素[8]。中國是滑坡災害最嚴重的國家之一，發(fā)生的滑坡災害中有68.5%是由降雨作用引起的[9]，降雨作用是導致和誘發(fā)滑坡的主要因素[10-12]。收集的礦區(qū)所在地區(qū)2018 年逐月平均降水量以及逐月平均氣溫資料如圖5。

圖5 礦區(qū)逐月平均降水量及氣溫變化圖

由圖5，2018 年逐月平均降水量及氣溫變化圖中可以看出，7 月份降水量與氣溫達到最高值，5—7月份為降水量增速最快的時期；從邊坡變形數據可以反映5 月末至6 月末（滑坡發(fā)生）邊坡均處于高速變形階段，滑坡發(fā)生后，也是降水量最大的月份，滑坡前緣BP1－5 控制區(qū)域趨于穩(wěn)定，但滑體上部分區(qū)域自7 下旬仍在高速運動。

3.2 含水率對軟巖力學性質的影響

巖石在一定的滲透壓力或水動力條件下產生的物理、化學和力學作用過程是導致巖體發(fā)生變形破壞的根本原因[13-15]。巖石吸水后，礦物顆粒成分、粒間膠結成分、膠結方式、孔隙分布和毛管壓力效應等均發(fā)生變化，造成巖石結構面弱化、強度降低[16]。由于滑坡發(fā)生于降水量迅速增高的階段，滑坡發(fā)生后滑體上部內排土場區(qū)域仍處于高速變形階段，故而探討含水率對軟巖力學性質的影響，進而分析降水量對邊坡穩(wěn)定性的影響。測試了泥巖在不同含水率下的力學性質，測試在煤礦安全技術國家重點實驗室開展，不同含水率條件下泥巖力學性質變化如圖6。

圖6 不同含水率條件下泥巖力學性質變化

從圖6 中可以看出，隨著泥巖含水率的提高，黏聚力與內摩擦角逐漸降低，故而進一步加劇了邊坡失穩(wěn)風險增大。由此可見，露天礦邊坡穩(wěn)定性受水的影響較大。

4 變形規(guī)律分析

基于GNSS 監(jiān)測數據，分析各個監(jiān)測點的位移變化趨勢，結合當地氣候條件，探討地下水對邊坡泥巖弱層的影響，得出露天煤礦軟巖邊坡變形規(guī)律：

1）根據對邊坡變形數據的分析。變形范圍幾乎涵蓋整個東幫但并未涉及東外排土場，隨著內排的增高存在引發(fā)東外排土場—東幫內排土場復合邊坡問題的可能，且滑移面可能會向深部發(fā)展。

2）結合邊坡變形位移分析?；麦w上各個監(jiān)測點水平位移變形速度快，同時在滑坡發(fā)生后滑體上部與中部仍以較高的速度發(fā)生變化。

3）邊坡變形由上部開始，產生一系列張裂縫，進而向下部延伸，帶動下部巖土體逐步滑動，為典型的“坐落式”滑坡模式。

4）發(fā)生滑坡后，應力釋放逐漸減少并趨于穩(wěn)定，等到次年雨季來臨邊坡位移會進一步增大。

5 結語

通過對蒙東地區(qū)某露天礦軟巖邊坡GNSS 數據分析，并結合氣候條件及軟巖自身特性進行綜合分析。通過邊坡監(jiān)測數據分析并結合現場情況，確定研究邊坡滑動模式為典型的“坐落－滑移式”；整體邊坡滑動變形并未構成復合邊坡，但隨著內排的增加以及受大氣降水同軟巖弱層自身特性的影響，整體失穩(wěn)風險加?。换谶吰滦巫兗皻夂驐l件及軟巖特征分析，應加強防范春季凍融對邊坡穩(wěn)定性的影響。