郭向東，王振偉，姜海濤，李營作，王一涵

（1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.中巖礦科（北京）礦山工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100043）

滑坡是露天煤礦頻發(fā)的地質(zhì)災害之一，露天礦內(nèi)排土場由于采排的時間效應和空間狀態(tài)的變化，臨空邊坡體局部應力變化集中，巖土體強度弱化產(chǎn)生裂縫，在內(nèi)部因素和降雨滲透等外部因素的條件作用下，失去對上部巖土體的支撐作用，極易引發(fā)失穩(wěn)滑坡災害，開采過程中的高陡邊坡失穩(wěn)將嚴重影響著露天礦的經(jīng)濟發(fā)展、工程安全，因此，高效防治滑坡災害發(fā)生是露天礦貫徹始終的一項任務。

國內(nèi)外眾多學者、專家對露天礦邊坡穩(wěn)定性分析與防治措施做了大量研究[1-12]。楊天鴻等[1]提出巖體漸進損傷破壞作為邊坡巖土體失穩(wěn)前的本質(zhì)特征，在開挖卸荷過程中，邊坡巖體主要受剪切破壞影響發(fā)生拉裂性滑移破壞；謝建兵等[3]基于極限平衡理論，通過建立反演模型，為滑坡穩(wěn)定性分析和治理提供參數(shù)的正確性和可靠度;李芳瑋等[5]針對壓幫條件下橫采內(nèi)排的邊坡穩(wěn)定性，利用數(shù)值模擬，分區(qū)段優(yōu)化了斷層與順傾弱層影響下巖體邊坡形態(tài)，并建立模型模擬破壞形式，分析計算邊坡穩(wěn)定性,通過研究端幫煤開采時邊坡變形破壞，將變形時滑動面破壞分為3 個階段，并對各階段巖土體性質(zhì)分析總結(jié)出滑動面破壞變形規(guī)律；王玉川等[8]通過軟巖邊坡的開挖過程，發(fā)現(xiàn)斜坡坡面后緣產(chǎn)生拉裂縫，同時采空區(qū)的塌落也會使松散巖體發(fā)生震動破碎，進一步擴張拉裂縫；馬剛等[10]針對含弱層的順傾邊坡破壞模式進行了防固措施，采用上覆削坡減載防治進行治理，邊坡變形得到有效控制。

綜上，以哈密市吉郎德露天礦端幫順傾邊坡為研究對象，針對內(nèi)排土場邊坡裂隙帶和坡面剪出現(xiàn)象，通過整理、搜集和分析相關(guān)地質(zhì)資料，采用現(xiàn)場地質(zhì)勘查及工程地質(zhì)鉆探、巖土體力學試驗、理論分析和數(shù)值模擬方法進行分析，確定了地質(zhì)構(gòu)造特征、地下軟弱巖層及煤層分布情況、變形區(qū)破壞特征及巖土體力學強度指標；并研究分析了邊坡在放緩邊坡角、快采內(nèi)排防治措施下的穩(wěn)定規(guī)律；從而解決吉郎德端幫邊坡穩(wěn)定性破壞問題。

1 工程概況

吉郎德煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)東北部哈密市，礦區(qū)出露地層從老至新分別為下石炭統(tǒng)灰綠色凝灰砂巖（南明水組）、中石炭統(tǒng)凝灰?guī)r及火山角礫巖（石錢灘組）、下侏羅統(tǒng)灰白色、灰綠色砂巖及灰黑色泥巖（八道灣組）、下侏羅統(tǒng)灰色泥巖及粉砂巖（三工河組）、中侏羅統(tǒng)淺灰黑色粉砂巖、細砂巖、泥巖及夾煤層和煤線（西山窯組）、新近系（昌吉河群）褐色與紅紫色泥巖和粉砂巖。礦田位于紙房大斷裂[13]西南部，受斷裂影響，主體區(qū)域構(gòu)造類型呈褶皺向斜，礦田構(gòu)造為受斷層控制和破壞的不完整向斜和1 個殘留斷塊?，F(xiàn)狀條件下整體邊坡角約27°～34°，東幫南側(cè)地層傾角為70°～80°，由南側(cè)向北側(cè)方向整體邊坡角度逐漸變緩，開采深度200 m 左右，東幫地表已開采至最終境界。2020 年地表出現(xiàn)裂隙帶，臺階坡面有剪出現(xiàn)象，通過GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出邊坡整體有向礦坑方向位移趨勢，最大位移變化量為1～2 mm/d，隨著開采繼續(xù)降深，東幫邊坡仍存在失穩(wěn)隱患[14]。

為進一步確定邊坡存在的失穩(wěn)隱患，通過工程地質(zhì)現(xiàn)場調(diào)查及工程地質(zhì)鉆探方法，結(jié)合以往勘察成果，在變形區(qū)域內(nèi)進行補充勘察工作，共計布置工程地質(zhì)鉆孔2 個，全程采取巖心，總進尺120 mm，發(fā)現(xiàn)滑坡后緣長度約為259 m 的地表裂縫，裂縫寬度0.10～25 cm，走向大致平行于邊坡臺階走向，臺階變形向礦坑有明顯位移，東幫上部臺階標高+1 404 m平盤及標高為+1 416 m 平盤臺階坡面上出現(xiàn)了不同程度的剪切裂縫，剪切裂縫貫通，其中東幫上部臺階標高為+1 404 m 平盤出現(xiàn)了滑體的剪出口。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果以及東幫邊坡地層特征，結(jié)合以往研究成果，建立的東幫邊坡典型工程地質(zhì)剖面圖如圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

2 巖土體力學強度

巖土體力學強度指標是邊坡穩(wěn)定性評價及邊坡整體分析的基本工作數(shù)據(jù)和依據(jù)，通過進行巖體物理力學實驗獲得常規(guī)巖體力學性質(zhì)數(shù)據(jù)，為后續(xù)理論研究和數(shù)值模擬提供力學參數(shù)支持。

確定巖土體力學強度指標的方法主要分為以下3 種：①對以往工程地質(zhì)勘察資料、邊坡調(diào)研、鉆探等資料的收集、整理、綜合分析出巖土體物理力學參數(shù)；②通過最新工程地質(zhì)現(xiàn)場勘察、采取巖土試樣，開展巖土物理力學試驗，獲取符合現(xiàn)場實際的力學參數(shù)；③采用邊坡“反分析”方法，對滑坡發(fā)生前后的極限平衡狀態(tài)進行反演分析，以此獲取巖土物理力學參數(shù)，此方法適用于已經(jīng)有滑體發(fā)生的邊坡。

根據(jù)以往資料以及本次現(xiàn)場鉆探取樣，分別對不同巖性的巖土體進行力學試驗，試驗主要分為以下幾項：①巖土體密度和含水率試驗；②直接剪切試驗；③單軸壓縮變形試驗。最終計算邊坡穩(wěn)定分析及邊坡參數(shù)優(yōu)化的巖土物理力學指標推薦值匯總見表1。

表1 巖土物理力學指標推薦值匯總表

3 邊坡穩(wěn)定分析及防治措施

3.1 邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析

為研究邊坡變形破壞機理及變形破壞時內(nèi)部的應力應變，采用數(shù)值模擬分析方法，數(shù)值計算主要方法有[15]：有限元法、有限差分法、邊界元法和離散元法等，本次采用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D對邊坡變形破壞機理進行對比分析。FLAC3D基于拉格朗日顯式有限元差分法，可以模擬巖土或其他材料的三維力學特性，在給定邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，能夠更有效地模擬巖土體的不連續(xù)和變形問題[16]。

選取采場東幫中南部為典型工程地質(zhì)剖面模型，其在位置邊坡存在軟弱帶且形成的臺階數(shù)量較多，模型長1 000 m,底部標高1 100 m，垂直高度為450 m。采用FLAC3D軟件前處理板塊Building Blocks對吉郎德東幫邊坡所選取剖面圖進行三維建模，導出模型并進行不同巖層的分組。為了得到更接近平衡的初始應力減少模型計算誤差，先采用彈性模型對邊坡進行平衡計算，然后重置位移屬性及初始條件，再次輸入最終初始條件和材料強度參數(shù)。最終模型選用Mohr-Coulomb 塑性破壞準則，數(shù)值模型的邊界條件為：左右為x 方向，位移邊界固定，前后為y方向，位移邊界條件固定，底部z 方向，位移邊界固定，上部與邊坡面為自由邊界面。數(shù)值模型達到相對平衡后，邊坡數(shù)值分析云圖如圖2～圖7。

圖2 邊坡垂直方向應力云圖

圖3 邊坡水平方向應力云圖

圖4 邊坡水平位移云圖

圖5 邊坡垂直位移云圖

圖6 邊坡剪切變形增量云圖

圖7 邊坡剪切應力云圖

邊坡的整體失穩(wěn)將集中于位移變化較大區(qū)域及應力集中區(qū)域；從垂直、水平位移云圖反映出邊坡坡面變形主要發(fā)生在第四系坡頂區(qū)及軟弱層坡腳處；隨著開采礦產(chǎn)的繼續(xù)、開挖深度的增加及地應力的重新釋放調(diào)整，巖土體單元產(chǎn)生不同程度的塑性變形，邊坡內(nèi)部產(chǎn)生與之相應的變形區(qū)；豎直方向在邊坡坡頂區(qū)域形成最大沉降變形區(qū)域，水平方向變形量指向礦坑產(chǎn)生位移；一旦塑性變形區(qū)域相互貫通，坡面整體將在貫通面發(fā)生整體失穩(wěn)，因此可通過塑性區(qū)是否貫通來評價邊坡失穩(wěn)。

由于對底部煤炭資源的開采，破壞端幫邊坡原始平衡條件，使邊坡出現(xiàn)臨空面及采空區(qū)，造成東幫邊坡巖體卸載松弛，產(chǎn)生順傾下滑或傾倒變形，變形增量主要集中在薄煤層上方坡腳處和勘測第四系坡頂裂隙帶周圍。

通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場勘查結(jié)果分析可知，邊坡主要變形區(qū)域存在軟弱結(jié)構(gòu)層，并與坡面呈順向傾斜狀態(tài)，軟弱層在長期風化作用下，逐漸與邊坡走向形成一定角度，導致邊坡穩(wěn)定性減弱，出現(xiàn)裂縫和剪出口，邊坡滑動模式為“滑動牽引+傾倒剪切破壞”組合型模式，水平位移較大，結(jié)合坡頂應力分布特點，進而說明在工程勘察中第四系的坡頂后緣發(fā)生拉裂破壞出現(xiàn)拉裂縫，隨著采收底部煤層不斷挖深，坡面中部和底部的應力重分布，邊坡上半部整體牽引作用增加，第四系坡頂后緣張拉破壞面逐漸貫通，從而升級裂縫的發(fā)展，坡腳向采場礦坑產(chǎn)生位移引發(fā)坡面整體滑動傾倒，邊坡體發(fā)生滑移過程中，受到巖土體阻擋，隨著位移量不斷增加，產(chǎn)生的推力也不斷增大，導致坡腳處出現(xiàn)勘測剪出口。

3.2 邊坡綜合治理措施

露天礦邊坡失穩(wěn)破壞防治措施主要可分為5種：削坡、固腰、壓腳、支擋、加固。根據(jù)吉郎德露天礦現(xiàn)場勘查試驗以及數(shù)值模擬分析情況，東幫邊坡整體角度較大，第四系巖層已出現(xiàn)明顯裂縫與剪出口，開采回收端幫壓煤造成坡腳應力增大，潛在滑動面容易形成牽引式滑坡?？紤]綜合防治措施的經(jīng)濟性及安全性，采取削坡減載+快采內(nèi)排邊坡治理措施，利用極限平衡分析軟件Geo-Slope 2007 進行邊坡穩(wěn)定性計算，采用摩根斯坦-普瑞斯法確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)，邊坡綜合治理措施選取1.10 作為整體邊坡安全儲備系數(shù)，削坡減載邊坡角變化及不同內(nèi)排壓腳高度的邊坡穩(wěn)定性計算如圖8。

圖8 削坡前后及壓腳高度穩(wěn)定性計算結(jié)果

在邊坡綜合治理方案中，第四系邊坡+1 430 m水平平盤向東削坡20 m，+1 416 m 水平平盤向東削坡15 m，第四系邊坡28°降低至26°，第四系邊坡穩(wěn)定系數(shù)由原始0.943 提高至1.247，滿足1.10 安全儲備要求。坡腳采取快采內(nèi)排措施，考慮到邊坡時間效應，穩(wěn)定性系數(shù)隨內(nèi)排壓腳高度而提高，當內(nèi)排土高度達到20 m 時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.035；內(nèi)排土高度繼續(xù)增加為40 m 時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈指數(shù)上升狀態(tài)，邊坡角隨即減緩，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.105；當內(nèi)排土高度為60 m，此時邊坡穩(wěn)定性為1.203，滿足安全儲備系數(shù)1.10 要求，為保證邊坡安全穩(wěn)定，內(nèi)排土高度不低于40 m。

為確保露天礦回收壓煤資源過程中的邊坡穩(wěn)定狀況，運用邊坡雷達監(jiān)測系統(tǒng)及地表GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測地下巖土體變形量及變形規(guī)律，穩(wěn)步保障露天礦安全高效生產(chǎn)過程中，實現(xiàn)邊坡有效監(jiān)測及滑坡預警功能。

4 結(jié)語

1）通過工程地質(zhì)勘察及現(xiàn)場鉆孔取心，對采樣進行巖土體力學試驗，確定了吉郎德露天礦邊坡各巖層分布狀況及巖土體強度參數(shù)指標，分析總結(jié)了該露天礦2 種邊坡失穩(wěn)破壞模式。

2）運用有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D對邊坡進行三維數(shù)值分析，邊坡變形區(qū)域主要集中在坡頂和坡腳，露天礦回采端幫壓煤導致坡腳底部整體出現(xiàn)位移，坡頂區(qū)域產(chǎn)生拉裂破壞出現(xiàn)較大裂縫，邊坡滑動模式為“滑動牽引+傾倒剪切破壞”組合型模式。

3）邊坡綜合治理措施采用削坡減載+快采內(nèi)排，運用極限平衡軟件GEO-Studio 計算分析了防治措施與邊坡穩(wěn)定之間的變化規(guī)律，最終將第四系巖層削坡后邊坡角由28°降為26°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.247，內(nèi)排壓腳高度確定為不低于40 m。