海州露天矿北帮边坡滑动成因机制及其稳定性分析

周志广，王旭刚，张剑

(辽宁有色勘察研究院 ，沈阳　110013)



海州露天矿北帮边坡滑动成因机制及其稳定性分析

周志广，王旭刚，张剑

(辽宁有色勘察研究院 ，沈阳110013)

以海州露天矿地质背景条件为基础，从边坡滑动形成的影响因素分析出发，研究北帮边坡滑动成因机制，确定边坡的滑动破坏模式。同时，以该边坡的典型工程地质剖面为基础，构建稳定性计算的地质模型，并采用极限平衡法——简布法、摩根斯坦-普利斯法、推力系数法等进行边坡稳定性分析，用以说明北帮边坡的整体稳定性，为滑坡治理提供科学合理的设计依据。

露天矿；边坡滑动；成因机制；稳定性分析

海州露天煤矿地处阜新市区南部太平区境内，目前占地面积约为26.82 km2。露天矿历经半个多世纪的开采，目前已经形成一个东西长约3.9 km、南北宽约1.8 km、最大坑底深度350 m的巨型采坑，坑底最低海拔为-175 m，是我国目前的陆地最低点。经过几十年的开采，煤炭资源已经枯竭，于2005年7月经国家审批同意，海州露天矿停采闭坑。海州露天煤矿自1953年投产以来，在矿山生产过程中，发生过一系列的滑坡，不仅给露天煤矿本身，而且给周边的企业、居民区等带来了一系列的重大问题。据不完全统计，海州露天矿北帮至今已发生滑坡80余次，给矿山造成了重大的经济损失。

露天矿边坡的稳定性研究是伴随采矿始终的一个长期性研究课题，也是影响或困扰露天矿山，特别是深凹露天矿山生产与安全的重大难题[1-2]。对海州露天矿北帮边坡滑动成因机制进行分析，并对其进行稳定性研究是进行滑坡治理以保证矿坑边坡长期稳定的基础。目前，对于露天矿边坡的研究主要集中在滑坡成因机制研究[3-6]、稳定性分析方法研究[2，5-8]、滑坡治理措施研究[3，9]及滑坡监测[10]等方面。而边坡稳定性计算方法主要有以有限差分法、离散单元法、有限单元法等为代表的数值计算方法和以Janbu法、Bishop法、瑞典圆弧法、Morgenstern-Price法等为代表的极限平衡法等。而极限平衡法由于其原理简单、易于实现且一般能够满足工程实践需求而应用最为广泛。本文以海州露天矿矿山地质背景特征为基础，分析造成其北帮边坡滑动的各种地质环境因素，研究边坡滑动成因机制及其破坏模式，并采用极限平衡法进行边坡稳定性分析。

1　露天矿北帮边坡地质特征

1.1地形地貌

海州露天矿区是典型人工地貌，经过数十年露天开采已形成一个面积约6.0 km2、深350.0 m的巨型矿山采坑，并形成了超高边坡。矿坑北帮边坡呈多级台阶状，坡角在18°～20°。边坡坡角及倾向与地层坡角及倾向基本一致，矿坑北帮边坡为顺层坡，不利于边坡的稳定，其稳定性较差，宜产生顺层滑坡。

1.2地层结构及岩性特征

根据现场勘察，海州露天矿北帮场区地层在勘探深度内主要由人工填土(Q4ml)、第四系冲洪积松散层(Q4apl)、上侏罗系阜新组(J3f)砂岩、页岩、煤层等组成，自上而下分述如下：

(1) 人工填土(Q4ml)：黑褐色-黄褐色，主要由煤矸石、粉煤灰组成，结构松散。该层分布局限，厚度在0.3～6.2 m。

(2) 第四系松散层(Q4apl)：由粉质粘土、砂砾石组成，分布于露天矿边坡顶部。粉质粘土呈黄褐色，可塑-硬塑状态，局部夹粉土，层厚在6.7～13. 5 m；砂砾石呈中密状态，层厚2.7～5.5 m。

(3) 砂岩(J3f)：灰白色，砂质结构，层状构造，该层局部见泥质砂岩层，节理发育，岩芯呈碎石状-短柱状，单层厚度在3.3～17.5 m。

(4) 砂质页岩(J3f)：灰黑色，泥质结构，薄层状构造，节理发育，岩芯呈砾状-碎石状，单层厚度在2.6～15.4 m。

(5) 泥质页岩(J3f)：黑色，泥质结构，薄层状构造，节理发育，岩芯呈土状-碎石状，单层厚度在4.0～13.5 m。

(6) 煤层(J3f)：黑色，具油脂光泽，炭质结构，层状构造，岩芯呈碎块状。该层以夹层形式存在于以上各层中，分布不连续，厚度不均。

此外，露天矿底板下有多层弱层存在，主要是薄煤层和炭质页岩、泥质页岩岩层，这些弱层岩石颗粒胶结性差，所含粘土矿物成分主要为蒙脱石，层理发育，吸水后体积膨胀，呈塑性状态，干燥后收缩，呈固态，易产生裂缝，并有较大的流变性，是影响该区边坡稳定的主要弱层(图1)。

图1　露天矿北帮边坡典型地质剖面简图

1.3地质构造

在露天矿北帮场区内共有4条构造断裂带，包括高德一号断层、太平东部一号断层、太平东部二号断层、太平东部三号断层和太平中部一号断层，其中，太平东部一号断层与太平中部一号断层对露天矿采坑北帮边坡稳定性影响最大。

(1) 太平东部一号断层(F东1)

F东1断层走向呈NNE向，其规模较大，几乎斜穿整个矿区，将北帮边坡岩体中8#、9#上和9#软弱夹层截断。该断层上盘相对向下运动，下盘相对向上运动，且上盘有相对向北扭动现象，属张扭性正断层。据现场调查，该断层破碎带宽在0.5～5.0 m之间，其产状为倾向SEE，倾角70°。断层断距大约50 m，太平层群和高德层群地层分别出露于断层的上、下盘。断层角砾岩和断层泥于断层中有发育，其中断层角砾岩中角砾粒径大小不等，最大粒径可达2 m，最小仅几厘米，角砾棱角清楚，未见明显挤压特征；断层泥颜色呈深灰，含水量较大，可塑状，发育有两层，单层厚度均在0.1～0.3 m之间，分布不均匀，断续出现。

F东1断层破碎带宽度大，发育规模大，对边坡岩体破坏强烈，断层角砾岩和断层泥于断层中有发育，其中断层泥含水量较大，强度低。因此，对边坡的稳定性影响巨大，并已导致多次滑坡。

(2) 太平中部一号断层(F中1)

太平中部一号断层(F中1)位于露天矿中部，属与煤层走向斜交的张性正断层，斜切各煤岩层，致使露天矿深部各煤层下降，并斜切煤层底板下弱层，是矿区北帮场区主要断层之一，给北帮边坡的稳定带来较大影响，严重威胁北帮边坡的稳定状态，并曾导致该区滑坡灾害的发生。

此外，该区节理裂隙较为发育，据现场统计，区内发育有3～4组节理裂隙，对边坡的稳定也有很重要的影响。

1.4水文地质条件

海州露天矿北帮场区地下水类型主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和断层破碎带水。

1.4.1第四系孔隙潜水

第四系孔隙潜水，赋存于砂砾石地层中。含水层厚度为0.40～2.20 m，埋深5.0～12.0 m，该含水层底板为风化的透水性弱的砂岩及砂质页岩。潜水流向与细河流向一致，潜水位标高161.0～170.0 m，水力坡度为2.0 ‰，渗透系数为8.39～19.3 m/d。该孔隙潜水补给方式以大气降水入渗补给及其附近河流渗入补给为主，排泄方式主要为矿山采坑疏水通道排泄。

1.4.2基岩裂隙水

该类型地下水赋存地层主要为页岩和含煤砂岩。地层中泥质页岩夹层具有一定的相对隔水性，导致局部地下水具有一定的承压性质。由于地下岩体节理裂隙发育程度的空间差异，导致基岩裂隙水含水层的分布及其含水量大小极不均匀，且造成岩体渗透性能差异大，地下水活动能力也有所不同。该裂隙水补给方式以大气降水入渗补给和附近河流下渗补给为主；地下水排泄方式主要为矿山开采排泄。据抽水试验相关成果，该含水地层单位涌水量在7.52×10-6～3.04×10-4m3/s·m之间，渗透系数为1.736×10-7～1.192×10-5m/s。

1.4.3断层破碎带水

断层区由于岩体破碎和节理裂隙极度发育，使其成为良好的地下水赋存空间和补排通道。该类型地下水的赋存性态受到断层的发育规模、产状及其性质的控制。由于断层区地下水非常发育且活跃，对该区边坡的稳定性造成不利影响。地下水补给方式以大气降水入渗补给和其他含水单元对该区的越流补给为主。通过试验，该断层破碎带渗透系数为1.5×10-8m/s。

据不完全统计，海州露天矿北帮80次滑坡中，有29次滑坡与地下水有关。

2　露天矿北帮边坡滑动成因机制分析

边坡稳定性评价之最首要的问题就是搞清边坡产生变形与破坏的成因机制，只有充分认识边坡的变形破坏机制，才能构建符合实际的边坡稳定性评价地质力学模型，才能弄清合理的边界条件，进行有效的科学计算。下面就海州露天矿北帮边坡滑动变形破坏成因机制进行分析。

据记载，海州露天矿北帮边坡最早滑坡发生于20世纪50年代后期，随后时有发生，但主要集中在80年代，且滑坡的滑动面均系边坡岩体中存在的薄煤层、泥质页岩和炭质页岩等软弱夹层面或弱层间接触面，其主要滑动破坏模式为平面滑移破坏，此外，露天矿区内发育的两条陡倾SE的正断层如太平东部一号断层(F东1)和太平中部一号断层(F中1)，对于边坡的滑动变形也有重要的影响。据滑坡相关调查，露天矿北帮边坡的滑动变形主要受4#～9#软弱夹层的控制，此外其滑动带前缘部位还受到如F东1断层等断裂构造的影响，且断层破碎带内岩体的抗剪强度也有所弱化。

海州露天矿北帮边坡岩体呈层状结构，边坡坡向与岩层倾向基本一致，且倾角较小，该边坡属层状单斜缓倾顺层边坡，且边坡岩体内夹有一系列薄的软弱岩层，随着矿山的剥离开采，边坡岩体在短时间内发生了显著的卸荷效应，同时伴随着明显的回弹现象，进一步减弱了煤系岩层中软弱夹层的抗剪强度，同时导致边坡岩体层状结构的进一步松弛。此外，边坡层状岩体在其自重应力场的作用下，弱层面间的薄层岩组也会产生相应沿软弱夹层面的顺层滑动变形趋势。由于露天矿北帮边坡岩层倾角与边坡坡角基本一致，弱层面未在坡面暴露而临空，使得其上部岩层顺层滑动受阻，造成坡角附近顺层岩板由于自重应力场的作用而承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯曲变形，甚至导致溃曲破坏，这类变形一般分为3个阶段，即轻微弯曲阶段(a)、强烈弯曲和隆起阶段(b)滑裂面贯通后边坡破坏阶段(c)。特别是，当在上部岩体滑动受阻部位存在相对软弱的构造时，那么这种弯曲变形破坏形式便会在这个构造部位表现出来。在露天矿北帮边坡区存在着太平东部一号断层，由于断层的错动作用，断层带及其影响范围内岩体比较破碎，岩体力学强度很低，在其上部顺层岩体的下滑推动下，整个边坡岩体的弯曲变形破坏在断层带及其附近发生，此时，边坡滑动面将在此剪出。F中1断层与F东1断层情况相近，其对边坡岩体滑动破坏影响与上述F东1断层的影响基本一致。

综上所述，海州露天矿北帮边坡岩体的滑动变形破坏模式应属类滑移弯曲破坏模式，如图2所示。

海州露天矿北帮边坡的类滑移弯曲变形破坏模式的主要特点是：滑动变形体的滑动面主要为层状结构岩体中的煤层及炭质页岩薄夹层等软弱结构面，与F东1断层相关的滑动面主要为9#弱层，而与F中1断层相关的滑动面主要为7#弱层。滑坡后缘主要在矿坑边缘地表弱层出露且节理裂隙发育部位，由于北帮边坡岩层倾角与坡面倾角近乎一致，弱层一般不会临空，导致边坡滑动体滑面剪出口容易发生于构造发育部位，在剪出口部位滑坡体不再沿软弱层滑动，而是对边坡岩体层状岩层的剪断。由此，认为露天矿北帮边坡滑动变形的滑动面形态是3个不同方向的折线构成的组合滑动面。

图2　层状顺层边坡的滑移弯曲破坏机制示意图

3　北帮边坡稳定性分析

3.1计算方法的选择

考虑露天矿北帮边坡滑动破坏机制属类滑移弯曲变形破坏模式，本次稳定性计算采用了二维极限平衡理论方法来进行北帮边坡的稳定性分析。目前，比较成形的极限平衡理论计算方法有：瑞典圆弧法、毕肖普法、简布法、萨尔玛法、摩根斯坦-普利斯法、斯宾塞法和滑坡推力系数法等方法。但是不同的方法都有其一定的适用范围，适合于土质边坡稳定性计算的瑞典圆弧法和毕肖普法并不适合于海州露天矿北帮边坡的模型特征，其他方法均可应用于该边坡的稳定性评价。

3.2稳定性计算模型的建立

边坡稳定性分析所需计算剖面的选取并不是任意的，通常所选剖面方向应该是该边坡变形体或滑体的主要变形滑移方向。海州露天矿北帮边坡的坡向与岩层的倾向基本一致，依据前述北帮边坡滑动变形机制分析，其蠕动滑移变形主要依附面是夹于层状岩层间的弱层，因此，选取边坡的坡向作为边坡的蠕动滑移方向，本次稳定性计算剖面线方向取为S30°E。

海州露天矿北帮边坡是整个矿区滑坡多发地段，且主要集中在F东1断层与F中1两断层之间，特别是与F东1断层相关的北帮边坡的稳定性问题尤其值得关注。限于篇幅，本文仅选取露天矿北帮边坡滑坡多发地段最具代表性的剖面E20为稳定性计算剖面，其潜在滑动面为6#至8#弱层。海州露天矿E20剖面7#弱层变形体几何形态见图3。

图3　海州露天矿E20剖面7#弱层变形体几何形态

图3中第一、第二条块为滑移变形体的剪出口段，即该段为对岩体的剪切段，第三、第四、第五条块是沿着软弱结构面滑移的，但是这一层位并非7#弱层，而是由于正断层的作用导致3#弱层出现在这个位置上，第六条块是F东1断层，第七条块至第二十一条块是沿着7#弱层滑移，第二十一号块体的后缘是一发育在黄土状土中的铅直裂隙。因此，海州露天矿北帮边坡的稳定性分析的地质力学模型之边界条件就是以E20剖面7#弱层为基本模式了。

3.3参数的选择

根据现场边坡工程地质勘察资料以及相关试验结果，结合各科研院所多年的研究成果，最终确定本次稳定性计算所用边坡岩体物理力学参数，如表1。

表1　露天矿北帮边坡稳定性计算参数表

3.4稳定性分析结果

本文以露天矿北帮边坡典型工程地质剖面E20作为稳定性计算对象，考虑无水作用与有水作用两种工况，采用基于极限平衡理论的简布法法、摩根斯坦-普利斯法、萨尔玛法、斯宾塞法和滑坡推力系数法针对6#～8#弱层进行边坡稳定性计算，计算结果如图4和表2。

图4有水工况下E20剖面7#弱层Morgenstern-Price法稳定性计算结果图

表2　北帮边坡E20剖面各软弱层稳定性计算结果

从上述稳定性计算结果可以看出，露天矿北帮边坡E20剖面稳定性程度最差的是7#弱层，该剖面7#弱层在各种计算方法下的稳定性系数在考虑地下水情况下均小于1，在无水的情况下也都小于规范要求的最小安全系数1.35。

4　结论

通过对海州露天矿北帮边坡滑动成因机制分析和稳定性计算，得出结论如下：

(1) 海州露天矿北帮边坡为单斜缓倾顺层边坡，层内夹薄煤层、炭质页岩和泥质页岩等软弱层，同时近坡脚处有断层带出现，由于层状岩体在其自身重力场的影响和开挖卸荷作用，使得层状岩体沿弱层面发生顺层向蠕动滑移现象，其主要变形破坏模式为类滑移弯曲变形，滑动面形态是3个不同方向的折线构成的组合滑动面。

(2) 以露天矿北帮边坡E20剖面为计算对象，采用极限平衡法对该边坡进行考虑地下水和不考虑地下水两种工况下的稳定性计算。计算结果说明，该边坡E20剖面中7#弱层稳定性程度较差，在考虑地下水工况下的稳定性系数均小于1，而在不考虑地下水工况下稳定性系数均小于规范要求的最小安全系数1.35。

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ANALYSIS OF SLIDING MECHANISM AND STABILITY OF THE NORTHERN SLOPE HAIZHOU OPEN-PIT COAL MINE

ZHOU Zhi-guang, WHANG Xu-gang, ZHANG Jian

(Survey Institute of LiaoNing Nonferrous Metals Geological Bureau, Shenyang110013,China)

This paper,based on the geological background conditions of Haizhou open-pit mine,from the analysis of the influence factors for causing slope sliding,researches on the sliding mechanism of the northern slope and determines the sliding failure mode of the slope.At the same time, on the basis of the typical engineering geological profile of the slope, the limit equilibrium method such as Janbu method, Morgenstern - Price method, thrust coefficient method etc is used to analyze the slope stability, in order to explain the overall stability of the northern slope, and to provide a scientific and reasonable design basis for the slope treatment.

Open-pit Coal Mine; Slope Sliding; Genetic Mechanism; Stability Analysis

1006-4362(2016)03-0020-05

2016-03-07改回日期：2016-05-20

TD167;TU457

A

周志广(1981-)，男，汉族，内蒙古兴和人，硕士研究生，岩土工程高级工程师，主要从事地质灾害设计、治理方面的工作。

E-mail:smallbackcat@163.com