劉敬玉，趙立春，王彥卓，劉 巖，張 琦

（1.內(nèi)蒙古能源有限公司 北露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200；2.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特旗 029100）

露天礦邊坡穩(wěn)定性是保證礦山持續(xù)健康發(fā)展和良好經(jīng)濟(jì)效益的前提，是礦山安全生產(chǎn)中的重中之重[1]。隨著露天礦開采規(guī)模及開采深度的加大，受不良地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、荷載情況、暴露長(zhǎng)度、暴露時(shí)間等因素影響的邊坡發(fā)生滑坡頻率呈逐年上升趨勢(shì)，尤其是軟巖邊坡[2-4]。如白音華煤田、勝利煤田、寶日希勒煤田、霍林河煤田的20 余座軟巖露天煤礦中，均發(fā)生過不同程度的滑坡現(xiàn)象，造成的損失也極為慘重。分析其原因，軟巖是邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)的主控因素，其具有顯著的塑性變形，穩(wěn)定性難以控制，因此確保軟巖露天煤礦邊坡穩(wěn)定性尤為突出重要，已成為邊坡工程領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題[5]。

軟巖是邊坡失穩(wěn)的主控因素，也能成國(guó)內(nèi)外專家關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一，學(xué)者們應(yīng)用不同理論對(duì)軟巖邊坡展開大量研究。程強(qiáng)等[6]以弱層試樣為研究對(duì)象進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，確定了弱層的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度，并得出邊坡滑坡易從弱層面剪出；李海洲等[7]以砂質(zhì)泥巖為試驗(yàn)對(duì)象，基于西元體蠕變模型及Hoek－Brown準(zhǔn)則確定了砂質(zhì)泥巖的蠕變特性；謝瑾榮等[8]基于間接耦合法，應(yīng)用非飽和滲流－應(yīng)力計(jì)算原理，提出了兼顧滲流效應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法；付宏淵等[9]提出了復(fù)合黏彈塑流變模型，并用壓縮（卸載）試驗(yàn)驗(yàn)證該模型的合理性；任青文等[10]通過砂土相似模擬試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析了大氣降水對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性影響；劉子振等[11]考慮非飽和黏土邊坡的基質(zhì)吸力和滲流力，提出了降雨條件下非飽和黏土邊坡穩(wěn)定性的極限平衡條分法計(jì)算式；劉福明等[12]揭示了壓實(shí)區(qū)與非壓實(shí)區(qū)滲透速率不同的內(nèi)在原因，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論提出了提高露天礦排土邊坡穩(wěn)定性的建議。

為此，以扎哈淖爾露天煤礦采場(chǎng)南幫邊坡變形區(qū)為例，基于極限平衡分析，應(yīng)用GEO－SLOPE 軟件進(jìn)行模擬分析現(xiàn)階段南幫大變形區(qū)邊坡穩(wěn)定性與滑坡機(jī)理，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出合理工程治理措施，得到南幫大變形邊坡坡滑坡模式為推動(dòng)式的部分順層－剪出滑動(dòng)，邊坡處于不穩(wěn)定階段；通過對(duì)坡頂卸荷減載或者內(nèi)排壓腳治理措施，解決了露天煤礦迫切的安全問題。

1 南幫邊坡穩(wěn)定性影響因素及潛在的滑坡模式

結(jié)合遼寧工程技術(shù)大學(xué)2015 年所做的報(bào)告《扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性分析及失穩(wěn)邊坡壓覆資源采出方案研究報(bào)告》、西安煤科院所做報(bào)告及扎哈淖爾露天礦初步設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)，以及弱層指標(biāo)反分析結(jié)果，綜合確定扎哈淖爾露天礦邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，南幫煤層、巖層局部孔隙含水，孔隙含水通過裂隙進(jìn)入弱層面，造成巖體尤其是弱層的力學(xué)強(qiáng)度降低，是大變形發(fā)生的重要因素。在ⅢB 煤底板以下3～6 m 處的炭質(zhì)泥巖夾層是滑體的下部邊界，該泥巖夾層由于受到地下水的浸潤(rùn)作用逐漸演化形成弱層是本次變形發(fā)生的主控因素。在變形區(qū)域上部賦存一定風(fēng)氧化煤，受前期以壓覆排棄物料為主治理方式，并未從根本上治理火煤，致使風(fēng)氧化煤一直在排棄物料底部自然，隨著氧化煤的燃盡：一方面導(dǎo)致上部排棄物料成為火燒巖，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)指標(biāo)降低；另一方面氧化煤燃盡，上部物料受自身重力作用，致使上部火燒巖下沉，給下部弱層以一定載荷，邊坡在荷載作用下穩(wěn)定程度急劇下降。同時(shí)分析變形前的邊坡形態(tài)可知，局部臺(tái)階高度過大，在重力作用下擠壓下部巖體沿弱層發(fā)生滑動(dòng)，即滑坡發(fā)生的力學(xué)成因機(jī)制類型為推動(dòng)式滑坡。南幫邊坡變形區(qū)存在軟弱結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性的主要受巖性、荷載、形態(tài)、邊坡高度及角度等因素的影響。但弱層存在起控制性因素，確定其潛在的滑坡模式為推動(dòng)式的部分順層－剪出性滑動(dòng)。

2 南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性

結(jié)合南幫大變形區(qū)潛在滑坡模式，采用GEOSLOPE 軟件數(shù)值模擬的方法，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過滑坡模式及計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)而確定邊坡所處變形階段及危險(xiǎn)程度。

根據(jù)南幫變形區(qū)現(xiàn)狀，結(jié)合以往工程地質(zhì)信息和煤巖頂?shù)装宓雀呔€等地層信息建立數(shù)值模擬模型，模型南幫變形區(qū)邊坡高度為156 m、南北長(zhǎng)為686 m，變形區(qū)面積，推斷變形區(qū)體積為，各地層從上至下分別為：排棄物料，變形區(qū)巖體、IIIB 煤、IIIB 煤底板弱層、泥巖，煤，泥巖。南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖如圖1。

圖1 南幫邊坡變形區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

由圖1 已知，通過GEO－SLOPE 軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)為0.99，說明南幫大變形區(qū)邊坡處于極限平衡狀態(tài)，在現(xiàn)階段情況下，受IIIB 煤底板弱層控制，邊坡上部以沉降變形為主，邊坡中部以滑移為主，坡底處以隆起為主。在邊坡上部荷載的推動(dòng)作用下，再加上氧化煤強(qiáng)度指標(biāo)的弱化，煤層含水對(duì)巖體強(qiáng)度指標(biāo)影響，邊坡體出現(xiàn)嚴(yán)重變形，滑坡模式為推動(dòng)式的部分順層－剪出性滑動(dòng)，隨著變形區(qū)邊坡暴露時(shí)間過長(zhǎng)、大氣降雨量與降雨強(qiáng)度及凍融影響下，易造成滑坡，在未滑動(dòng)之前建議采用清幫減重、內(nèi)排壓腳或者兩者方案結(jié)合實(shí)施治理工程措施。

3 南幫邊坡變形區(qū)治理方案

扎哈淖爾露天煤礦南幫邊坡已經(jīng)形成多年，為地質(zhì)條件復(fù)雜的軟巖邊坡，結(jié)合以往邊坡工程治理實(shí)踐可知，邊坡滑坡治理措施包括3 大類：①卸荷減載、坡角處壓腳；②增強(qiáng)、增大邊坡巖體強(qiáng)度；③利用三維效應(yīng)，制造支擋物。針對(duì)南幫邊坡的大變形，結(jié)合滑坡模式，有效可行的措施是對(duì)邊坡進(jìn)行卸荷減載、坡角處壓腳，減小下滑力，增大抗滑力，進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性。所以采場(chǎng)南幫邊坡變形區(qū)邊坡治理方案為坡頂卸荷減載或壓腳方案。

1）卸荷減載方案。根據(jù)滑體巖性及形態(tài)，為了保證后期邊坡穩(wěn)定性要求，對(duì)其進(jìn)行卸荷減載設(shè)計(jì)，減載最小工作平盤寬度30 m，臺(tái)階高度10 m，臺(tái)階坡面角50°，臺(tái)階高度為10 m，卸載方案為卸載高度為5、10、15、20 m 4 種，通過計(jì)算卸載高度為10 m 南幫邊坡變形區(qū)邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.062，卸載工程量為13.2 萬m3，滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.05 要求。卸荷減載方案極限平衡法計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 卸荷減載方案極限平衡法計(jì)算結(jié)果

2）壓腳方案。為了保證沉降導(dǎo)致的穩(wěn)定性要求，對(duì)其進(jìn)行壓腳設(shè)計(jì)，壓腳方案為壓腳高度5、10、15、20 m 4 種，根據(jù)滑體形態(tài)，壓腳最小工作平盤寬度20 m，壓腳臺(tái)階高度10 m，臺(tái)階坡面角35°，臺(tái)階高度為10 m，因作業(yè)設(shè)備小型化，采取5 m 分層作業(yè)；通過計(jì)算壓腳高度為15 m 南幫邊坡變形區(qū)邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.05，同時(shí)改變邊坡滑坡模式為切層－順層－剪出性滑坡，增加變形區(qū)邊坡的穩(wěn)定程度，壓腳工程量為17.9 萬m3，達(dá)到了滿足安全儲(chǔ)備要求1.05 要求。壓腳方案極限平衡法計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 壓腳方案極限平衡法計(jì)算結(jié)果

綜上，采用卸荷減載方案，卸載高度為10 m，南幫變形區(qū)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.05；而采用壓腳方案，壓腳高度為15 m，南幫變形區(qū)滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.05。因此，建議采用卸荷減載方式進(jìn)行治理。

4 結(jié)語

1）通過GEO－SLOPE 軟件數(shù)值模擬計(jì)算得到穩(wěn)定系數(shù)為0.991，說明南幫大變形區(qū)邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

2）現(xiàn)階段變形區(qū)滑坡式為推動(dòng)式的順層－剪出性滑動(dòng)，采用卸荷減載措施，不改變滑坡模式，采用壓腳措施，滑坡模式變?yōu)榍袑樱槍樱舫鲂曰隆?/p>

3）結(jié)合變形區(qū)滑坡機(jī)理，建議采用卸荷減載方式進(jìn)行治理。