辽宁海州露天矿国家矿山公园边坡稳定性分析

刘向峰，何 峰，王来贵

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

辽宁海州露天矿国家矿山公园边坡稳定性分析

刘向峰，何 峰，王来贵

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

海州露天矿是我国大型露天煤矿之一，目前已闭坑，准备建成国家矿山公园，但矿坑北帮受断层及弱层影响，滑坡、地裂缝等地质灾害十分严重，为保证海州露天矿国家矿山公园建设的顺利进行，对矿坑北帮边坡稳定性进行评价非常必要。本文利用 FLAC-2D软件对 E12、E16、E18、E20等四个剖面的边坡稳定性进行了数值模拟，用强度折减法计算出了各剖面的安全系数。对安全系数较低的区域提出了相应的加固措施，并对加固措施的效果进行了数值模拟，模拟结果表明加固措施是安全的、可行的。

国家矿山公园;边坡稳定性;安全系数;弱层;海州露天矿

0 引言

海州露天煤矿是我国“一五”期间建设的大型露天煤矿，1953年正试投产，2005年闭坑。经过50多年的开采，在采出2.2亿吨煤炭的同时，也形成了东西长3.9km，南北宽1.8km，深度超过350m的露天矿坑［1］。2005年7月，海州露天煤矿被批准成为我国首批国家矿山公园建设单位之一。

长期以来，海州露天煤矿在生产过程中存在重矿山资源开发，轻矿山地质环境保护与恢复治理的情况，采矿活动给矿山地质环境带来巨大的破坏，露天矿坑及周边地区滑坡、地裂缝等地质灾害非常严重。据统计，1993～2004年，海州露天煤矿共发生滑坡85次，平均每年发生1.6次，造成经济损失超过3亿元［2］。

海州露天煤矿在进行国家矿山公园建设过程中，首先要进行园区内滑坡、地裂缝等地质灾害治理，只有消除了地质灾害的安全隐患，才能更好的保护矿业生产遗迹，对游人开放。本文对海州露天矿坑北帮边坡稳定性进行了数值模拟，计算了各剖面的安全系数，对安全系数较低的区域提出了压脚、锚固等处理措施，并计算了这些处理措施的效果进行了数值模拟。

1 边坡工程地质概况

海州矿位于阜新市细河南岸，阜新煤田中部，设计开采深度350m，采深已达350m，形成了北帮18°～20°的到界边坡。采用非工作帮底板折返固定坑线环形铁道运输，沿煤层地板拉钩向顶板推进，水平分层开采。从边坡稳定条件看，南帮(工作帮)为逆层边坡，属于相对稳定型。北帮(非工作帮)为顺层边坡，属于相对不稳定型。在太平下层煤底板以下，出露的岩石主要为砂质页岩和砂岩，并且每隔5～20m有一层软弱夹层出现，其岩性以薄煤层和炭质页岩为主，少数为灰色页岩。编号从上到下分别为1#、2#、3#、……9#。1#～3#弱层在露天西部与太下煤层底板逐渐合并，由于这些弱层的力学指标较低，滑坡体如有滑动均会沿上述弱层滑落。

1.1 地层岩性

海州露天煤矿是阜新含煤盆地主要含煤地层，该地层共有六个煤层群，其埋藏顺序(由上而下)如下:水泉层群、孙家湾群层、中间层群、太平上下群层及高德层群。其中部除高德层群未被揭露外其余五个层群均被露天采剥，各煤岩层厚度及岩层岩性如下:表层第四纪冲积层，主要分布在露天北部细河两岸及东南端邦旧河床地带，厚度为5～16m，是矿区内主要含水地层，下伏与侏罗系岩层呈角度不整合接触。

海州含煤地层为陆相盆地沉积，岩性由颗粒不等的砂岩、砂砾岩、砂质页岩和煤层构成，岩相和厚度变化均较大，可采煤层顶板以上岩层是由粗颗粒砂岩，砂砾岩和厚层砂质页岩构成。煤层底板以下岩层是由泥质砂页、砂岩夹薄煤层构成。泥质砂页岩层层理发育，风化后多呈薄片状碎块，遇水后软化呈可塑状，岩石内自然含水率较高，力学强度低于煤层顶板上岩层。特别值得一提的是在北邦的单斜岩层中有编号为1～9号的煤系软质页岩层［3-6］，为控制北邦边坡变形与破坏的软弱岩层，如图1海州露天煤矿地质平面简图所示。

图1 海州露天煤矿地质平面简图Fig.1 Simplified geologic plan of Haizhou open-pit mine

1.2 水文地质条件

(1)第四系冲积层孔隙潜水含水层(类型Ⅰ)

含水层由卵石、砂砾、粗砂等组成，一般厚度2～8m。底板为透水性很弱的风化砂质页岩和风化砂岩。潜水流向随基底坡向(坡度2‰)由 NE-SW，与细河水流向相同，水位标高+170～+161。渗透系数K=1.62 × 10-4m·s-1。

(2)侏罗系裂隙承压(或局部承压)含水组(类型Ⅱ)

该含水组在区内为太平煤层底板以下的侏罗系地层，由砂岩、砂质页岩、煤等岩层组成，主要以构造裂隙贮水。

(3)东部1号断层破碎带裂隙含水组(Ⅲ)

破碎带宽5～10m，发育数层断层泥使含水组处于相对隔绝状态。渗透系数 K=1.58×10-9m·s-1。

另外，矿区雨量集中 7、8、9月，年降雨总量为383～661mm，平均降雨量 520mm，月降雨量 0～344mm，日最大降雨量131mm，土壤最大冻深1.4m。

1.3 弱层工程地质特点

(1)4#弱层在F东1上盘，由0.5～1.5m厚的煤层组成，煤质好，但较破碎，其凝聚力C=0.1kg/cm2，内摩擦角Φ=16°。4#下弱层，在4#层之下，距4#弱层1～4m，厚度为0.1～0.5m，其凝聚力 C=0.1kg/cm2，内摩擦角 Φ =17°。

(2)5#弱层在 E23剖面附近出露，由2～3个薄煤层组成，每层厚0.2～0.5m，薄煤层间隔1～3m，其凝聚力C=0.2kg/cm2，内摩擦角 Φ=19°

(3)6#弱层在 E23附近有露头，主要由煤层组成，厚0.5m左右，煤质略差，有时也分成2～3个薄煤层。其凝聚力C=0.2kg/cm2，内摩擦角Φ=19°。

(4)7#弱层在 E23～E24剖面之间可见其露头，由薄煤层组成，厚0.5～1m，局部夹泥化炭质页岩，炭质页岩层厚0.1～0.3m。其凝聚力C=0.24kg/cm2，内摩擦角Φ=13.81°。

(5)8#弱层在F东1下盘均布分布，由光亮-半光亮的煤层组成，厚0.5～1m，较破碎。在煤层中夹一层0.1～0.2m的泥化炭质页岩，含水量大，呈塑性。其凝聚力 C=0.45kg/cm2，内摩擦角 Φ=19.71°。8#弱层是影响该区边坡稳定的主要弱层。

2 边坡稳定性数值模拟

根据海州露天矿坑的断层、弱层等地质构造的分布情况及历史上滑坡灾害的发生情况，本次数值模拟主要对E12、E16、E18、E20等四个剖面的北帮边坡稳定性进行数值模拟，各岩层及弱层的物理力学参数如表1所示［3］。数值计算采用有限差分法和有限元进行，并采用强度折减法［7-8］计算各剖面的安全系数。强度折减有限元法的应用，有助于考虑岩土介质与支挡结构的共同作用，获得支挡结构上真实的推力分布状况，它们是在土体处于极限平衡状态下获得的。

2.1 E12剖面数值模拟结果

模型几何尺寸高 408m，宽 1670m，下标高-250m，上标高 +158m。弱层从上往下，依次为4#、5#、6#、7#和 8#弱层。

通过对E12断面进行稳定性计算，得到沿各弱层发生滑动的安全系数如表2所示。

因此可判断，控制 E12剖面边坡稳定性的主要是5#弱层，但其安全系数大于1.5，不需进行加固处理。

表1 各岩层物理力学参数表Table 1 The table of physical and mechanical parameters of rock layer

表2 E12剖面沿各弱面滑动安全系数Table 2 Factor of safety of the slope along each weak layer of the profile E12

2.2 E16剖面数值模拟结果

E16剖面几何尺寸宽950m，高270m，下边界标高为-142m，坑底标高为-113m。通过对4#、5#、6#、7#弱层分别进行整体及局部稳定性计算，计算结果如表3所示。

结果表明，E16剖面边坡稳定性受弱面控制明显，安全系数较低，尤其是弱层含水时，极易发生滑坡灾害，必须要采取加固措施。

表3 E16剖面安全系数Table 3 Factor of safety profile of the E16

2.3 E18剖面数值模拟结果

E18剖面几何尺寸宽1230m，高330m，下边界标高为-150m，坑底标高为-127m。对该剖面按弱层不含水与弱层含水两种情况进行模拟，得到的边坡安全系数分别为1.75和1.14，如图2，图3所示。

可见，导致边坡滑动的原因主要为5#、6#和7#弱层，其中6#和7#弱层为主要滑移面，当弱层不含水时边坡总体相对稳定。若水入渗到各弱层使得其随时间的推移整个边坡会沿弱层发生蠕动，导致整体滑坡，所以建议对5#、6#和7#弱层对应地面处采取相应的隔水处理措施。

图2 E18剖面弱层不含水情况的可能滑面及安全系数Fig.2 Factor of safety and possible slide face of the profile E18 without considering the affect of water

图3 E18剖面弱层含水情况的安全系数及可能滑面Fig.3 Factor of safety and possible slide face of the profile E18 with considering the affect of water

2.4 E20剖面数值模拟结果

在不影响计算结果的前提下，E20剖面模型经过简化其宽为972m，长为345m，下边界标高为-115m，坑底标高为-75m。对该剖面按弱层不含水与弱层含水两种情况进行模拟，得到的边坡安全系数分别为1.90和1.25，如图4，图5所示。

图4 E20剖面弱层不含水情况的可能滑面及安全系数Fig.4 Factor of safety and possible slide face of the profile E20 without considering the affect of water

图5 E20剖面弱层含水情况的安全系数及可能滑面Fig.5 Factor of safety and possible slide face of the profile E20 with considering the affect of water

导致边坡滑动的原因主要为6#、7#和8#弱层，其中8#弱层为主要滑移面，边坡总体相对稳定，由于滑移面与地面贯通，若水入渗到各弱层使得其随时间的推移整个边坡会沿弱层发生蠕动，导致整体滑坡，所以建议对6#、7#和8#弱层对应地面处采取相应的隔水处理措施。

3 边坡加固措施及效果模拟

3.1 边坡加固措施

通过以上边坡稳定性计算，各剖面均存在一定的滑坡稳定性，尤其是E16剖面，弱层含水时边坡几乎处于极限平衡状态，安全系数不足1.1。必须要采取必须的措施进行加固。通过对E16剖面的整体与局部稳定性计算与分析可知，E16剖面边坡主要受4#、5#、6#、7#弱层控制，其可能的破坏机制为沿某一弱层滑移，在坡脚处以圆弧滑面剪出，其推力与剪力最大处位于整体边坡水平位置距坡脚约五分之一至四分之一处，因此在该位置应该采取压脚处理，防治滑块剪出。同时，应该施工贯穿各弱层的锚索，提高弱层的抗剪能力，提高边坡的安全系数。

3.2 边坡加固措施效果模拟

对E16剖面边坡采用压脚与锚索联合加固措施，加固示意图如图6所示，联合加固参数如表4所示。

表4 压坡脚、锚索联合加固参数表Table 4 The parameters of reinforcement

图6 E16剖面边坡压脚、锚索联合加固示意图Fig.6 Arrangement of the reinforcement of profile E16 with anchor and loading on the heel of slope

计算结果表明，采取如上联合加固措施后，弱层不含水时的安全系数为2.06，弱层含水情况的安全系数为1.53，加固效果明显，可有效防止滑坡灾害的发生。

4 结论

通过对海州露天矿国家矿山公园北帮E12，E16，E18，E20剖面的边坡稳定性计算，得到如下结论:

(1)北帮 E12，E16，E18，E20 剖面边坡的稳定性主要受弱层控制;

(2)弱层含水时各剖面边坡安全系数降低，当弱层含水时，E16，E18，E20剖面边坡的安全系数小于1.25，其中E16剖面边坡几乎处于极限平衡状态，发生滑坡的可能性极大;需要对各弱层在北帮露头处采取必要的隔水措施，防止大气降水等渗入弱层;

(3)对E16剖面必须要采取边坡加固工程，根据该剖面边坡的可能破坏机制，可采取压脚与锚索施工联合加固措施，数值计算表明，采取该联合加固措施后，边坡安全系数大于1.5，加固效果明显。

［1］冯美生，王来贵，等.海州露天矿边坡稳定性及变形分析［J］.地质灾害与环境保护，2005，16(4):20-24.

［2］中国地质环境监测院.海州露天矿环境灾害演化趋势与防治对策研究［R］.2005.

［3］辽宁有色勘察研究院，吉林大学.阜新海州露天煤矿北帮东部岩质边坡稳定性评价治理研究［R］.2007.

［4］阜新矿业学院，海州露天煤矿.海州露天煤矿工程报告说明书［R］.阜新，1988，4-17.

［5］阜新矿业学院，海州露天煤矿.海州露天煤矿非工作帮岩石力学试验研究报告［R］.阜新，1988，1-10.

［6］阜新矿业学院，海州露天煤矿.海州露天煤矿非工作帮边坡弱层岩石力学性质研究报告之Ⅱ——4号下、7号、8号弱层室内直剪试验报告［R］.阜新，1988，1-17.

［7］赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数［J］.岩土工程学报，2002，24(3)，343-347.

［8］刘祚秋，周翠英，董立国，等.边坡稳定及加固分析的有限元强度折减法［J］.岩土力学，2005，26(4):558-561.

Analysis of slope stability of the Haizhou open-pit mine national mining park

LIU Xiang-feng，HE Feng，WANG Lai-gui
(Collage of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

Haizhou is one of the large-scale open-pit mines，but it is closed now，and it is ready to be built as a national mining park.In order to ensure the construction of Haizhou national mining park smoothly，it’s necessary to evaluate the slope stability of its north wall which is influenced by faults and weak layers，and geological hazards like landslides and ground fissures are serious.The slope stability of four sections as E12，E16，E18 and E20 are numerical simulated in this paper，and also their safety coefficients are calculated by the measure of intension decreased.Then reinforcement measures are given in this area of lower safety coefficient，and its effects are also numerically simulated，in addition，the effects indicate that the reinforcement measures are safe and feasible.

national mining park;slope stability;safety factor;weak layer;Haizhou Open-pit Mine

1003-8035(2010)02-0050-05

TU457

A

2009-10-09;

2010-03-18

辽宁省教育厅基金(2008302)

刘向峰(1974—)，男，博士，副教授，主要从事动力学方面的研究。

E-mail:lxfeng0001@sina.com。