解廷堃

（中煤平朔集團有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036000）

露天礦的采礦方式?jīng)Q定了邊坡是從上向下形成，而且與一般的邊坡相比，露天礦邊坡的高度比較高，基本上在數(shù)百米左右。除了高之外，走向也比較長，通常能夠達到幾公里，由此使得露天礦揭露的巖層相對較多，邊坡的地質(zhì)條件存在比較大的差異，具有變化復雜的特點[1]。而露天開采活動中，端幫邊坡的穩(wěn)定性更是保障安全生產(chǎn)的重要部分，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡，將極大地阻礙露天生產(chǎn)的連續(xù)性，從而嚴重影響露天礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益[2]。因上部端幫邊坡的服役年限要遠超下部，正常情況下端幫邊坡的服役年限能夠達到幾十年左右[3]。露天礦端幫邊坡的變形和破壞大多與巖土體中軟弱夾層的時效蠕變特征和水流滲透壓力有著較大的關系，其抗剪強度隨時間的增加和水滲流不斷降低[4-5]。安家?guī)X礦二采區(qū)東幫現(xiàn)狀邊坡整體高度約為60 m，主要由第四系原狀土和排棄的土巖混合物組成，且上部建有供電線、卡調(diào)信號塔基。常年受雨水沖刮，容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，給安全生產(chǎn)帶來不利影響。

1 工程概況

安家?guī)X露天礦實行分區(qū)開采，目前正處于首采區(qū)向二采區(qū)轉向過渡階段。2022 年7 月，安家?guī)X礦二采區(qū)東幫剝離區(qū)1 處邊坡局部發(fā)生滑坡，該位置坡體標高1 210～1 270 m，現(xiàn)狀邊坡整體高度約為60 m，主要由第四系原狀土和排棄的土巖混合物組成。經(jīng)現(xiàn)場勘察，滑坡位置后緣“圈椅狀”貫通裂縫已經(jīng)形成，前緣在1 210 m 標高位置發(fā)生明顯鼓起。同時在坡頂邊緣發(fā)現(xiàn)3 處沖溝，坡頂平臺出現(xiàn)多條走向為北偏西25°裂縫，最大寬度約為20 cm、落差為5 cm，后緣最遠處裂縫位于卡調(diào)系統(tǒng)信號塔基座后方。在滑坡影響區(qū)范圍內(nèi)有移動變電站、35 kV 高壓電路以及卡調(diào)系統(tǒng)信號塔等重要基礎設施，滑坡影響區(qū)和重要基礎設施位置如圖1。

圖1 滑坡影響區(qū)和重要基礎設施位置圖

隨著剝采水平的不斷延深，滑坡影響區(qū)邊坡將成為采坑東幫的一部分，暴露時間和高度將進一步增大，邊坡穩(wěn)定的重要性不言而喻。因此，對該區(qū)域邊坡進行分析評價和治理是十分緊迫的。

2 邊坡破壞模式及穩(wěn)定性

2.1 影響因素

二采區(qū)東幫邊坡是由原狀土和排棄的土巖混合物組成，其穩(wěn)定性不但受制于混合物料的強度，而且還受到巖土體抗剪強度、降水滲透壓及動水壓力等因素影響。

1）時間效應。為便于礦產(chǎn)資源開采，露天礦生產(chǎn)活動中并不會對邊坡進行任何維護，從而使得露天礦邊坡很容易受到風化的作用。其邊坡的變形和破壞大多與巖體中軟弱夾層的時效蠕變特征有著較大的關系，其抗剪強度隨時間的增加而降低[6-7]。安家?guī)X礦二采區(qū)東幫滑坡區(qū)域表現(xiàn)為圓弧狀，為典型的松散體圓弧滑動破壞模式，且其坡頂前緣比后緣變形破壞嚴重。該區(qū)域裸露時間不長，時間效應不是造成其發(fā)生滑坡的關鍵因素。

2）采動影響。露天采礦的過程中，爆破是不可或缺的環(huán)節(jié)，爆炸時產(chǎn)生的爆破振動會對邊坡的結構穩(wěn)定性造成不利影響。同時，邊坡上的運輸設備運行時，也會產(chǎn)生一定的振動力，這種振動力長期且持續(xù)，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。尤其是運輸設備日趨大型化，使得臺階上的載荷隨之不斷加大，邊坡承受的重量越來越大，結構穩(wěn)定性大幅度降低[8]。二采區(qū)東幫滑坡區(qū)域主要涉及1 250、1 265、1 280、1 295 m 水平4 個平盤。其中，最上部1 295 m 水平平盤建有礦用卡調(diào)信號基站，下部其余平盤均為轉向超前剝離區(qū)域，爆破采裝是影響其滑坡的原因之一。

3）水的影響。通過對大量露天礦滑坡的工程案例全面分析后發(fā)現(xiàn)，80% 以上的滑坡都出現(xiàn)在雨后或是雨季，這充分說明水對邊坡穩(wěn)定性的影響非常大。露天礦邊坡的含水帶以孔隙和構造裂隙為主，夏季雨水多時，巖體孔隙的潛水面會隨著降水量增大而不斷升高。雨水及地表水入滲增加巖土體容重，坡頂豎向裂縫中或坡面的水壓及滲透力導致邊坡滑動力增大，同時巖土抗剪強度因含水量增加而下降，滑動力增大、抗滑力減小雙重作用下從而導致邊坡產(chǎn)生變形破壞[9-11]。經(jīng)現(xiàn)場勘驗，滑坡區(qū)域巖土體含水率較高，水滲流是造成其滑坡的最主要原因。

2.2 邊坡破壞模式

采用有限元數(shù)值模擬軟件對安家?guī)X露天礦東幫邊坡進行數(shù)值模擬分析，從而確定其邊坡變形失穩(wěn)后的破壞模式，進而為邊坡穩(wěn)定性評價及治理提供一定的參考依據(jù)。

采用彈塑性模型進行本次數(shù)值模擬，破壞準則采用Mohr－Coulomb 準則，流動法則采用相關流動法則，即剪脹角等于內(nèi)摩擦角，計算中通過強度折減法，計算至邊坡破壞標準。

通過對安家?guī)X露天礦東幫滑坡變形區(qū)進行綜合分析，在潛在滑移方向選取典型剖面建立數(shù)值模型。模型長度580 m，左側高為167 m，右側高為120 m，由8 890 個單元和9 358 個節(jié)點組成。模型前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后以y 方向位移約束，模型左、右方向以x 方向位移約束，模型的底部以z 方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)的受力平衡。

通過分析二采區(qū)東幫滑坡區(qū)域邊坡的工程地質(zhì)條件可知，該處主要由第四系原狀土和排棄物料構成，下部第四系原狀土深部為淺紅色砂質(zhì)黏土，淺部為黃色粉砂質(zhì)亞黏土，上部排棄物料為土巖混合物。本次數(shù)值模擬和邊坡穩(wěn)定性評價所選取的巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)表

在充分考慮降雨及坡腳震動荷載的影響下利用強度折減法逐級對選取的剖面計算模擬，直到形成塑性貫通區(qū)為止，計算得到的邊坡總位移矢量云圖和最大剪應變云圖如圖2。

圖2 邊坡總位移矢量和最大剪應變云圖

分析滑坡區(qū)邊坡的總位移矢量云圖和最大剪應變云圖可知：滑坡邊坡總體變形表現(xiàn)為圓弧狀，為典型的松散體圓弧滑動破壞模式，且其坡頂前緣比后緣變形破壞嚴重。模擬結果與現(xiàn)場變形破壞情況基本吻合，分析其主要是由于雨水及地表水入滲增加巖土體密度，以及坡頂豎向裂縫中或坡面的水壓力、滲透力及坡腳震動荷載的擾動等作用下導致邊坡滑動力增大，同時巖土抗剪強度因含水量增加而下降，滑動力增大、抗滑力減小雙從作用下從而導致邊坡產(chǎn)生變形破壞。

2.3 現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性

采用極限平衡法對安家?guī)X礦二采區(qū)東幫滑坡邊坡現(xiàn)狀進行邊坡穩(wěn)定性系數(shù)驗算，通過驗算分析確定其邊坡變形失穩(wěn)后的安全系數(shù)。根據(jù)選取的典型剖面建立滑坡區(qū)邊坡穩(wěn)定性評價工程地質(zhì)模型。

利用極限平衡法分別從正常狀態(tài)、爆破震動、暴雨入滲、爆破震動和暴雨入滲耦合4 種工況對構建的邊坡穩(wěn)定性評價工程地質(zhì)模型進行計算，不同工況下邊坡穩(wěn)定性計算結果如圖3。

圖3 不同工況下邊坡穩(wěn)定性計算結果

正常狀態(tài)下，研究剖面穩(wěn)定系數(shù)為0.971，穩(wěn)定狀態(tài)為不穩(wěn)定。在爆破震動、暴雨入滲、暴雨＋震動工況下穩(wěn)定系數(shù)明顯減小，其中暴雨入滲工況下比爆破震動工況下安全系數(shù)更小，說明該區(qū)域邊坡穩(wěn)定性受暴雨影響比受爆破影響程度大。最不利狀態(tài)為暴雨和爆破震動耦合工況，穩(wěn)定性系數(shù)為0.811，邊坡存在一定風險，而且變形區(qū)域坡頂上部移動變電柜、35 kV 高壓電桿及卡調(diào)系統(tǒng)信號塔等重要設施均在變形影響區(qū)范圍內(nèi)，急需進行治理。

3 滑坡治理

通過查閱《煤礦安全規(guī)程》相關規(guī)定，確定最上部平盤削坡邊界與卡調(diào)基站保持30 m 的安全距離，將原變電柜移位同時將原供電線向東移設65 m，滑坡區(qū)域下部各平盤按自然安息角進行削幫治理。具體為：在現(xiàn)狀基礎上將1 280 m 水平平盤北部區(qū)域向東削坡30 m、南部區(qū)域向東削坡25 m 至邊界線，削坡完成后留1 280 m 水平保安平盤寬度為10 m；下部1 265 m 水平平盤和1 255 m 水平平盤分別留設20 m 寬削坡至邊界；1 255 m 下部，其余平盤正常采掘到界，各臺階坡面角保證在45°以下。

削破治理完成后分別選取移動變電站及35 kV供電線所在1 290 m 水平平盤2 處典型位置布置研究剖面AJL－DN01、AJL－DN02 對東幫邊坡進行穩(wěn)定性評價。根據(jù)削坡治理方案建立滑坡治理后的極限平衡分析模型，分別計算正常狀態(tài)、爆破震動和暴雨入滲耦合2 種工況下2 處典型剖面位置邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，削破后典型剖面邊坡穩(wěn)定性計算結果如圖4。相應的東幫滑坡區(qū)治理完成后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表2。

表2 東幫滑坡區(qū)治理完成后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 削坡后典型剖面邊坡穩(wěn)定性計算結果

1）按治理方案削坡后，安家?guī)X礦東幫南部移動變電站所在平盤AJL－DN01 研究剖面潛在滑動位置穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.268，穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定。

2）按治理方案削坡后，安家?guī)X露天礦東幫南部35 Kv 高壓電桿所在平盤AJL－DN02 研究剖面潛在滑動位置穩(wěn)定性安全系數(shù)1.380，穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定。

3）考慮暴雨以及爆破震動影響兩剖面位置在削幫治理后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.124 和1.241，滿足邊坡安全儲備系數(shù)的要求。

4 結語

在對邊坡時間效應、采動影響及滲水影響3 方面影響因素進行理論分析的基礎上運用有限元數(shù)值模擬確定滑坡區(qū)域的破壞模式為典型的松散體圓弧滑動。并針對性地提出了削幫治理方案，同時通過建立工程地質(zhì)模型，對安家?guī)X露天礦二采區(qū)東幫滑坡區(qū)域治理前后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行驗算評價，結果發(fā)現(xiàn)：削幫治理完畢后，考慮周圍區(qū)域爆破震動及暴雨影響滑坡區(qū)域2 個剖面的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.124 和1.241，確定按削幫方案治理后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為確保上部平盤的卡調(diào)信號基站及供電設施設備，建議加強以下幾點工作：①做好地面防排水工作，降低水對邊坡的不利影響，確保各邊坡穩(wěn)定；②切實保護好現(xiàn)場邊坡監(jiān)測點，增加邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，提高邊坡監(jiān)測精度；③及時回填坡頂上部已經(jīng)形成的裂縫和沖溝，并在裂縫區(qū)后緣修筑擋墻，通過明渠方式將地表降水疏排至裂縫影響區(qū)范圍外，防止地表降水繼續(xù)入滲至滑動面；④各級管理人員，做好現(xiàn)場邊坡巡檢工作，發(fā)現(xiàn)問題及時上報。