弱层边坡稳定分析及治理措施

李晓俊，刘干，曹宇

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

弱层边坡稳定分析及治理措施

李晓俊，刘干，曹宇

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

通过边坡勘察及室内试验，查清边坡的工程地质及水文地质条件，尤其是软弱层情况，对弱层边坡进行稳定性分析评价，并提出相应的治理措施，保证露天煤矿安全生产。

露天矿；边坡勘察；软弱层；边坡稳定分析；治理措施

0 引言

随着采剥工程的进行，哈密露天煤矿采场降深到50 m左右时，采场南、北端帮上部均出现了数条平行边帮的裂缝，初步分析认为，边坡稳定性较差，可能存在弱层。随着采矿工程的进行，端帮逐步到界，边坡形态向高陡趋势变化，存在滑坡风险，对哈密露天矿边坡进行稳定分析并提出相应的治理措施。本次边坡稳定性研究工作从边坡工程地质勘察入手，对获取的岩心进行详细的岩土物理力学试验，为边坡稳定分析及治理提供依据。

1 边坡勘察及室内试验

勘察主要目的是查明边坡工程地质及水文地质条件，尤其是弱层情况，为边坡稳定分析提供支撑。勘察区域为露天矿南北两端帮，垂直边坡方向各布置1条勘探线，南帮剖面3个钻孔，北端帮剖面4个钻孔。

根据钻探资料，地层岩性主要由泥岩、砂岩组成，泥岩主要为隔水层，砂岩主要为含水层，隔水层与含水层互层。地层整体来说呈北高南低发育，南帮为反倾坡面，北帮为整体反倾、局部顺倾坡面。

岩土体力学参数的获取是边坡稳定性评价的必要条件，通常岩土体力学参数的确定可以采用类比法、反分析法、试验法等手段获得，而试验法是最基础的方法，也是其它使用方法的基础。本次边坡勘察进行钻探取样，进行岩土物理力学实验，力求获得较真实的边坡稳定性评价所需数据[1]。

2 影响边坡稳定因素及滑坡机理

影响哈密露天矿边坡稳定性的因素很多，这些因素可分为2类[2]：

1）岩石的矿物组成、岩体中的地质结构面（如层面、断层、节理、片理等的性质和产状）和构造应力，它们是边坡岩体自身所固有的，是影响边坡稳定性的内因。矿区内存在多层泥岩软岩层，是影响边坡稳定的主要内在因素。

2）水文地质条件、采矿工程活动、爆破震动、风化等，为岩体所处的环境条件，是影响边坡稳定性的外因[3]。

2.1 弱层的影响及确定

弱层与边坡面的位置关系对边坡的稳定性起控制作用。弱层是影响哈密露天矿边坡稳定的关键因素。

在边坡岩层中的主要弱层有泥岩层、页岩层、黏土层等，弱层的主要特点是胶结性很差，由于所含矿物主要为蒙脱石、伊利石，遇水易软化，吸水膨胀，失水收缩。在地下水的浸泡下，强度降低，坡体易沿弱化夹层滑出[4]。

通过现场调查、钻孔取芯研判、室内试验等综合方法进行分析，确定影响本露天矿边坡稳定的主要弱层为7煤顶底板、10煤顶底板及中间泥岩夹矸等泥岩层。

2.2 结构面及水的影响

岩石小试块的强度往往比自然岩体的强度高出十几倍甚至数十倍，而有结构弱面时，边坡易沿弱面产生滑动。因此，需对边坡岩体中的结构弱面进行研究，调查其形态及空间分布等特征，研究其对边坡稳定性的影响。

边坡在雨季、解冻期及疏干排水不当的情况下易发生滑坡，说明水对边坡稳定性有着很大的不利影响，这些不利影响主要表现在：软化泥岩类岩石，特别是含有蒙脱石、伊利石等黏土矿物的岩石，使其强度大大降低；同时水对边坡产生静水压力与动水压力，增加了边坡的下滑力。

通过室内物理力学试验结果可知，治理区内的泥岩在浸水后极易快速崩解泥化，强度急剧降低，泥岩的水理性质较差。

2.3 地震、爆破震动的影响

露天矿边坡所受的震动主要来自地震及爆破作业。地震及爆破作业所产生的震动对边坡稳定性的影响主要表现为：①震动破坏岩体，使岩体强度降低，产生滑动、错动、崩塌等破坏。同时可能使地表及内部产生裂缝，地表水及地下水易沿裂缝渗透，加速岩体的滑动。②震动使边坡产生震动力，增加了边坡的下滑力[5]。

边坡稳定计算前，需对影响边坡稳定的主要因素进行分析，使计算结果更准确，并且为后续边坡治理措施提供依据。

3 边坡稳定分析

3.1 滑坡模式及岩土参数

通过分析，确定了哈密露天矿边坡地层中存在多个弱层，边坡可能出现的滑坡模式为沿弱层的圆弧-折线型滑坡模式。

岩土体力学参数指标可以直观的反映出岩体强度，同时，合理的岩土体物理力学参数是边坡稳定性评价的基础。由于本矿地层中含水，在开采过程中，需对地下水进行疏干，但不可能彻底疏干，因此在确定不同地层强度时，不仅要确定不同岩土体自然状态下强度，还要确定不同岩土体饱和状态下的强度。根据室内试验，结合工程经验，确定岩土体物理力学性质指标推荐值见表1。

表1 岩土体物理力学指标推荐值

3.2 模型建立及计算

根据勘察所建立的地质剖面，结合采场现状，整理出边坡稳定计算模型，对各层岩土体赋值，以极限平衡法对边坡进行稳定性计算分析，计算过程中考虑地下水对边坡稳定性影响，根据水位线位置分别对各岩层赋予天然与饱和岩体力学参数。计算过程采用自动搜索滑弧计算方法，给出最危险滑移面的稳定性系数。边坡稳定性计算结果如图1、图2。

3.3 结果分析

根据计算结果，各剖面参数及稳定系数见表2。

经过计算，北端帮边坡沿10煤中间弱层滑移，南端帮边坡沿7煤底泥岩弱层滑移，整体边坡稳定系数分别为1.029、0.95，稳定系数不能满足GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范对生产边坡稳定性的要求，安全储备系数较低。

图1 北端帮边坡计算结果

图2 南帮边坡计算结果

表2 边坡稳定计算结果

4 治理措施

通过对哈密露天矿南北端帮的边坡稳定分析，整体边坡稳定系数均较低，需进行边坡防治工作。

边坡防治措施主要可分为采矿措施、工程措施。采矿措施主要有调整采矿顺序、统筹安排采区、内排压脚措施、设计合理边坡角、控制开采技术等。工程措施主要有锚索加固措施、支挡措施、注浆加固措施等。由于工程措施施工复杂，费用较高，不适合对本露天矿边坡进行大范围治理。只有结合采矿措施对边坡进行治理才是比较经济合理的方法。综合分析哈密露天矿的实际情况，考虑到技术可行及经济合理的治理原则，进行了削帮缓坡方案及内排压脚方案的设计，并提出边坡监测手段。

4.1 削帮缓坡

地表裂缝是由于内部岩体扰动而产生的外在表现，削帮缓坡一方面可以减轻下部岩体所受压力，延缓边坡整体变形，另一方面，可以防止受爆破震动等影响引起第四系松散层的滑塌。削帮缓坡主要是通过合理降低边坡角度使得边坡的整体稳定性达到一个安全的状态。对两端帮进行削帮缓坡计算分析。削帮缓坡至10煤底板。

计算结果表明：通过削帮缓坡进行边坡治理，当北端帮边坡角度达到18°时，边坡稳定系数为1.26，当南端帮边坡角度达到23°时，边坡稳定系数为1.26，边坡稳定系数较未采取措施之前提高较为明显，稳定系数满足GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范[6]对生产边坡稳定性的要求，边坡安全性得到了保障。此方案虽然达到了边坡稳定性的要求，但剥离量大大增加，剥离费用增大。经过计算，北帮裂缝区域内削帮量约121.2万m3，南帮削帮裂缝区域内削帮量约177万m3，在经济上并不合理。因此不建议采用此治理措施。

4.2 内排压脚

内排压脚可以增加抗滑力进而使边坡稳定，选用内排的方式进行处理，即将剥离物压在端帮边坡下部台阶，加大抗滑力，提高边坡稳定性。通过尽早开采10煤，达到压脚条件后立即对边坡进行内排压脚，既能提高边坡稳定性，又为排土节约了空间，对于提高露天矿南北端帮边坡的稳定性，具有重要的作用，能够在安全生产的基础上，提高经济性。

通过分析计算，南端帮回填高度达到50 m，北端帮回填高度达到40 m时，边坡稳定系数可达到1.25以上，边坡可基本保持稳定。内排压脚措施不仅可以使边坡稳定系数达到规范要求，保证边坡稳定性，在经济上也比较合理。最终，采用此方案进行边坡治理。

4.3 边坡监测

边坡稳定性监测是对边坡稳定性变化的行为状态反复观测，以研究边坡的稳定程度及变化规律，一般分为表面位移监测、岩体内部位移及应力监测、水压监测等[7]。做好边坡稳定性监测是防止边坡灾害发生的重要措施之一。在生产过程中，建立起有效的动态监测系统，对哈密露天矿两端帮边坡进行实时监测[8]。结合露天矿现场实际情况，采用GPS地表位移自动监测系统，利用GPS监测速度快、选点灵活、布网方便、测站间无需通视的特点对南北端帮边坡地表进行监测。

5 结论

通过对哈密露天矿两端帮边坡稳定性分析得到如下结论∶

1）南北端帮边坡可能出现的破坏模式是沿弱层的圆弧-折线型滑坡模式。

2）采用削帮缓坡降低边坡角的方法可以使端帮边坡稳定系数达到1.25以上，从而满足GB50197—2015煤炭工业露天矿设计规范对生产边坡稳定性的要求，但是工程量较大，经济上不可行，不建议采用此方案。

3）通过尽早开采10煤，达到压脚条件后立即对边坡进行内排压脚，既能提高边坡稳定性，又为排土节约了空间，对提高露天矿端帮边坡的稳定性具有重要的作用，在安全生产的基础上，提高经济性。

4）随着采矿工程的推进，边坡弱层逐渐揭露出来，为确保生产安全，应及时增加先进性的监测设备，实时监测端帮变形情况，建议采用GPS监测手段,同时应该加快10煤的开采，抓紧实现内排。

京：中国计划出版社，2012.

［2］王浩.边坡稳定性影响因素及评价方法［J］.黑龙江交通科技，2011（7）：110-111.

［3］唐学民.边坡稳定性影响因素分析［J］.西部探矿工程，2012（9）：8.

［4］白羽.海州露天矿边坡残煤自燃诱发滑坡的数值模拟研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2009.

［5］李焕忠，李惠发，陈思，等.抚顺东露天矿边坡稳定性分析［J］.露天采矿技术，2009（4）：39.

［6］GB50197—2015.煤炭工业露天矿设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2015.

［7］徐绍全，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用［M］.武汉：武汉大学出版社，2001.

［8］石玉泉，付培义.矿山GPS沉陷与变形监测体系［J］.太原理工大学学报，2003（3）：166-168.

【责任编辑：张东旭】

［1］GB50778—2012.露天煤矿岩土工程勘察规范［S］.北

Stability analysis and control measures of weak layer slope

LI Xiaojun,LIU Gan,CAO Yu
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

By slope investigation and indoor test,the mine finds out the slope engineering geological and hydrogeological conditions,especially the weak layer,and analyzes and evaluates the stability of slope in weak layer,and puts forward the corresponding control measures,in order to ensure safety production in the open－pit coal mine.

open－pit mine;slope investigation;weak layer;slope stability analysis;control measure

TD824.7

B

1671－9816（2017）02－0005－04

李晓俊，刘干，曹宇.弱层边坡稳定分析及治理措施［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：5－8.

2016－08－18

李晓俊（1982—），男，山东烟台人，硕士，毕业于中国矿业大学岩土专业，从事露天矿边坡设计工作。

DOI∶10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.002