露天煤矿区黄土高切坡稳定性分析

许俊凯，林喜珊，闫彬彬，赵 泽，王杰民

（1.兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 730000；2.甘肃煤田地质局一四九队，兰州 730020）

煤炭矿产资源是社会发展和国民经济的重要物质基础，在社会发展中占主导地位。露天煤炭开采有力地推动了社会与经济的发展，但同时也带来一系列生态环境问题。我国大型露天煤矿大多分布在干旱、半干旱的生态脆弱区。开采活动导致该区域的植被覆盖率降低、水土流失和土地沙漠化严重，这些问题引起了人们的高度重视[1-4]。在黄土地区进行露天煤矿开采会形成高切坡，这种高切坡存在隐患，尤其是在降雨、地震作用下可能会失稳，造成经济损失或人员伤亡。本研究以露天煤矿区黄土高切坡为研究对象，对其进行稳定性分析[5]，以期为严格控制露天煤矿生产的安全系数，保障煤矿安全生产，提高经济效益提供科技支撑。

对于煤矿区黄土高切坡稳定性问题的探讨，最早是通过长期观察获得资料，采用地质历史学方法进行定性描述。20 世纪20 年代初，学者将地质学和力学结合起来研究高切坡问题，主要采用刚体极限平衡法，以库伦准则为依据。1916 年，彼德森提出了条分法，将土坡稳定问题假设成平面应变问题。Bishop （1955 年）、Morgenstern（1965年）、Janbu（1973年）等许多学者对条分法做了改进，其中Bishop 定义其为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应力的比值，使得其物理意义更为准确[7]。极限平衡法是一种比较传统且成熟的边坡稳定性计算方法，其原理简单，计算简便，易于理解。目前在高切坡稳定性分析中，尽管条分法有着多种不足，但是因其物理意义明确、操作简单，从而得到广泛的应用。此外研究高切坡稳定性的方法还有很多，多数基于极限平衡法和极限分析法，比如FLC3D，ANSYS有限元、GUSLOPE，Slide 等软件方法[8]。国内的相关学者及专家对露天煤矿矿区高切坡稳定分析也进行了多方面的研究。但是对于天然状态、人类工程活动各种工况下，降雨、地震以及耦合作用下高切坡的稳定性分析很少。目前在干旱区黄土矿山开挖过程中会形成一些高切坡，由于煤矿开挖过程中有一些积水以及降雨造成高切坡渗流，易造成边坡失稳。同时还需要综合考虑水文环境、地震因素、开挖裂缝、前缘积水或者地表降雨等造成的地下水对边坡的影响，掌握这些因素对于边坡分析是很重要的[9]。

本研究以陇原煤矿矿区高切坡为例，基于有限元分析方法，根据矿区地质条件、工程特征，针对在天然、人类工程活动，尤其是坡前积水的有限元分析，建立模型，选取计算剖面、计算参数以及软件计算的方法对陇原煤矿矿区高切边坡进行了不同工况下稳定性的分析[10]，旨在对监测、治理和修复三峡库区天然存在和工程建设造成的高切坡提出具有借鉴和指导意义的分析方法。

1 研究区域概况

高切坡位于甘肃省民勤县唐家沟煤矿的西部，属干旱区荒漠化草原地带，具有典型大陆性温带干旱气候。研究区位于戈壁滩上，除几个低丘外，其余均属广阔的戈壁荒漠，周围都是平川，海拔高程为l 480～1 495 m；地势西北高而东南低，相对高差仅15 m 左右。该研究区地貌形态简单，植被稀少，干旱并且雨量稀少，平均年降水量为110 mm，常年无地表水系，无高山融雪流入，故地下水补给来源不足，含水性弱。在民勤县一带，由于盆地两侧山脉消失，其东界尚不清楚，在此矿区范围内主要的地层从老到新，依次为下元古界北大山群、侏罗系中统青土井群、侏罗系上统沙枣河组、新生界第三系及第四系地层[11-12]。受区域构造影响，整个煤系地层呈现南北高中间低。西部高东部低的向斜构造形态，轴部两端高差80 m，北翼地层倾角15°左右，倾向南，南翼地层倾角20°左右，褶皱两翼地层平缓，周边断层不发育，由北东转为北倾向。在潮水盆地多处发现侏罗系中有岩浆岩，在红果子井、青苔泉南井田、西沟口等地的侏罗系下部地层中有中-基性岩浆。根据各地资料描述，岩性有玄武岩、安山-玄武岩、辉绿岩、凝灰质安山熔岩。

陇原煤矿矿坑平面上大致呈矩形，南北长约600 m，东西宽约700 m，面积约0.5 km2，原始地面高程1 480～1 490 m。矿坑边坡分级开挖，每级坡高13～15 m，开挖坡度50°～55°，整体平均坡度在16°～20°。矿坑底部高程1 387～1 405 m，面积约0.16 km2，开挖深度70～85 m。矿坑北侧设有陇原煤矿堆填区和唐家沟煤矿堆填区，其中陇原煤矿堆填区平均高度在20 m，距离矿区边坡较远，而唐家沟煤矿堆填区面积0.6 km2，平均高度约60 m，距开挖边界线平均距离为40 m，最近距离约20 m[13]。通过野外现场实际调查，目前出露的侏罗系地层产状倾向162°～177°，倾角15°～20°，新近系上新统临夏组砂岩产状近乎水平。由于边坡坡面上主要为第四系黄土，新近系上新统临夏组砂岩及侏罗系砂岩和煤层出露，在矿区边坡的东南角和西南角均发现了地下水出露现象，含水层为第三系上新统临夏组砂砾岩承压含水层。此外由于陇原煤矿在早期曾采用井工开采方式，采空区和巷道被后期的地下水或地表水充满，形成了一些老窑积水和巷道积水，露天开采的过程中被开挖揭露，在矿坑底部形成了一系列集水坑。此外矿坑底部开挖区面积较小，集水坑所处位置距矿坑坡脚处较近，随着积水不断入渗坡体，坡体含水量增加，边坡的岩土体力学参数会因此降低，进而影响边坡的稳定性，形成了开挖区内积水现象。矿区边坡分级开挖，外堆填场设置地点为矿区西北侧距矿区400 m处，满足安全距离和设计要求，对矿区边坡稳定性影响较小。距矿区北部80 m 处的唐家沟煤矿堆填场，虽然目前唐家沟煤矿已经停止生产，其排土场也不再进行堆填，但其距离矿区北部边坡较近，对北部边坡性有一定的影响，同时沿坡面有冲沟，龟裂分布，无明显地下水渗出，局部临空面存在坍塌、崩塌堆积现象。图1（a）～（f）中分别表示地层出露现象、地下水出露现象、矿坑底部集水坑、开挖区内积水现象、矿区北侧唐家沟煤矿堆填场、北侧边坡后缘冲沟。

图1 研究区域的地质条件Fig.1 Geological condition in the research area

2 材料和方法

2.1 计算剖面

从现场勘察来看，北侧边坡东段，走向358°，起点高程1 396 m，终点高程1 480 m，相对高差约80 m，水平距约270 m，主要出露侏罗系砂岩和新近系临夏组砂岩，侏罗系砂岩倾角15°，与新近系临夏组砂岩交界高程约1 430 m，新近系砂岩厚约35 m，岩层近乎水平，顶部第四系砂土较薄，约5 m。南侧边坡东段，剖面相对高差约75 m，水平距约335 m，坡度约18°。另一方面，由于北侧和南侧边坡较长，且为主要工作区域，地层相对比较完整并且构造简单，所以对北侧和南侧边坡分别选取1个计算剖面，地质剖面图见图2。

2.2 计算参数获取

在现场调查过程中，对控制性地层取扰动土样，烘干，碾压并用2 mm筛子筛分，取筛后的土体配制成需要含水量的试样，将配制好的试样分别装入保鲜箱中放置24 h，使其水分均匀溶解，备用。侧限压缩试验仪器采用固结仪，压力梯度设为25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 200 kPa，每一级时间为24 h。直剪试验采取不固结快剪条件，竖向荷载分别采用50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，剪切速率8 mm/min。

2.3 计算条件

由于拉张裂隙在陇原煤矿边坡表层发育良好，降水容易渗到基岩的强风化层里，在雨季或偶然性暴雨的天气情况下，降雨就会下渗到坡体所发育的裂隙中，软化结构面。地震也是一个不可控制的触发因素，随着地震加速度的增加，高切坡稳定性下降；降雨和地震耦合作用更会造成高切坡的稳定性下降。所以，本研究主要探讨在天然状态下、人类工程活动影响下以及降雨、地震和降雨地震耦合作用下高切坡的稳定性。

3 结果和讨论

3.1 物理性质和强度参数

在压缩试验中，对于相同的干密度和含水率，随着地层年代的增加，压缩性降低。这是由于地层年代增加，上覆土压力增大，使得深处地层土体的结构性增强，最佳含水率提高。因此相同含水率条件下，深处地层土体含水率距最佳含水率差距更大，压缩性降低[14]。从液塑限试验可以发现，第四系土、新近系土、侏罗系土的塑性指数都在13～16 之间，侏罗纪的软弱夹层塑性指数为32.85，软弱夹层塑性指数高的原因是夹层中富含黏土矿物细粒，提高了塑性指数。图3 表示了新近系土剪切试验曲线、侏罗系土剪切试验曲线。在直剪试验中，第四系、新近系和侏罗系砂岩的内摩擦角分别为17.24°，29.43°，31.33°。如图4和表1 所示，侏罗纪的软弱夹层的抗剪强度与含水量关系密切，含水量越高，抗剪强度越低。这是由于当含水率在塑限以下时，随着含水率升高，粘聚力降低。黄土的粘聚力中包含有基质吸力的作用，含水率增加使得基质吸力下降，因此粘聚力降低[15]。侏罗纪的软弱夹层土与其他3 种土在抗剪强度方面有较大差异，本质上取决于侏罗系软弱夹层的黏土矿物成分及其水理性质（软化作用）。侏罗纪的软弱夹层土细粒组含量相对较高，在天然状态下含水量较低强度较高，而含水率增高抗剪强度迅速降低（表2）。

图3 新近系土和侏罗系土剪切试验曲线Fig.3 The shear test curves of Neogene soil and Jurassic soil

图4 侏罗系软弱夹层土低含水率和高含水率剪切试验曲线Fig.4 The shear test curves of Jurassic weak interlayer soil with weak and high moisture content

表1 力学性质实验结果Tab.1 Experimental results of mechanical properties

表2 矿区边坡各地层计算参数Tab.2 Calculation parameters of slope around the mining area

3.2 稳定性评价结果

3.2.1 天然状态边坡稳定性

按稳定性计算软件的要求，建立剖面模型并输入前述已确定的参数，计算各剖面的稳定性系数。在天然状态下和人类工程活动的影响下，各种方法计算结果基本一致，其中简化Janbu法计算的稳定性系数略小于其他方法的计算结果。根据表3中所列的计算结果，北侧边坡天然状态下的稳定性具有如下特征：（1）整体处于稳定状态，稳定性系数为1.13～1.33。根据《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864—2016）稳定性系数和滑坡稳定状态的分类，稳定性系数偏低，基本处于稳定状态。（2）边坡各个阶段的当前稳定状态不同，北侧边坡的稳定性系数偏低，南侧边坡的稳定状态优于北侧边坡，这与现场观察的结果一致。图5分别为南北侧剖面天然状态计算图。

表3 天然状态边坡的稳定性Tab.3 Stability of natural slope in natural state

图5 北侧、南侧剖面天然状态计算图Fig.5 Calculation diagram of north side and south side profile in natural state

3.2.2 降雨作用下边坡的稳定性

在连续性降水和极端降水的情况下，降水会随着坡体的裂缝进行下渗，容易入渗到基岩的强风化层里，软化结构面，坡体稳定性降低。随着降雨入渗，当坡体内的裂缝形成连续的渗流通道时，有失稳的风险。在降雨作用下，岩土体重度增加，抗剪强度下降，导致边坡的下滑力提高而抗滑力降低，坡体内的裂缝形成连续的渗流通道时，边坡稳定性会急剧地降低。

图6 为对南北两侧剖面进行有限元分析的结果。由于降雨作用，稳定性系数有所下降，降雨作用最终形成了这种坡前积水。从图6中也可以看出渗流的方向。在连续性降水和极端降水的情况下，降水会随着坡体目前存在的裂缝进行下渗。随着降雨入渗，当坡体内的裂缝形成连续的渗流通道时，边坡稳定性会急剧地降低，有失稳的风险。

图6 北侧和南侧剖面有限元计算图Fig.6 Calculation diagram of north and south section with finite element method

3.2.3 地震作用下的边坡稳定性

图7所示为南北剖面地震系数与稳定性系数曲线。地震是一种不可控制的触发因素。地震达到一定强度时，不仅可以诱发边坡失稳，还可能控制边坡震后的继续发展形态和稳定状态。对于研究区，其地震基本烈度为Ⅶ度，计算加速度等于0.1g。由于地震发生很难预测，其发生的强度具有不可知性，故水平地震加速度取值为0～0.2g。随地震烈度的增大，边坡的稳定性急剧下降。

图7 北侧剖面（a）与南侧剖面（b）地震系数与稳定性系数曲线Fig.7 The curves of seismic coefficient and stability coefficient for north (a) and south (b) side section

3.2.4 降雨地震耦合作用下的边坡稳定性

边坡对于地震极为敏感，随着地震烈度的增大，边坡的稳定性急剧下降。如图7所示，对于北侧剖面，当水平地震加速度大于0.02g时，计算得到的稳定性系数都小于1，边坡失稳破坏；对于南侧剖面，当水平地震加速度大于0.04g时，计算得到的稳定性系数都小于1，边坡失稳破坏。在高烈度地震和极端降雨耦合条件下，边坡稳定性系数为0.6～0.7。在降雨、地震或人类工程活动的作用下，稳定性会下降，可能出现严重的变形破坏现象。在降雨地震作用下，边坡稳定性系数从1.13～1.33降低到0.55～0.63，可能发生变形破坏。地震的烈度对于边坡的稳定性影响很大，地震烈度越大，边坡越不稳定。考虑在降雨和地震的耦合作用下边坡的稳定性，选取降雨作用下的计算参数，水平的地震加速度与稳定性系数曲线如图8所示。在边坡稳定性分析中，降雨和地震这种耦合作用对边坡破坏极大，边坡最容易滑动。

图8 降雨和地震耦合作用下北侧（a）与南侧（b）剖面地震系数与稳定性系数曲线Fig.8 The curves of seismic coefficient and stability coefficient for (a) north and (b) south side section under the coupling of rainfall and earthquake

4 结论

（1）本研究通过分析陇原煤矿边坡所处地区整体地形地貌特征、坡体的岩性及其物质组成以及坡体的整体结构，初步定性地评价了该边坡的稳定性。边坡南侧的整体形态比较规则，相对较为稳定。北侧边坡局部变形破坏严重，出露岩层的产状和坡向相同，表现为顺倾边坡，边坡稳定性相对较低。

（2）目前北侧边坡后缘有发育的拉张裂缝且裂缝走向和后壁大致平行，局部临空面存在坍塌、崩塌堆积现象。在南侧边坡局部区域新近系砂岩中有少量地下水出露，由于坡向、气温等原因，出露的地下水在坡面上和坡脚处形成冰体。

（3）由于外界环境因素所产生的各种流水进入矿坑内，和边坡基岩长期接触后，会使边坡底部基岩的强度迅速下降，从而可能大幅度降低边坡稳定性，由于矿区早期开采以及地下水等各方面因素的作用，边坡坡面上存在的裂隙会进一步发育，出现暴雨或地震等天然现象的时候，会极大地增加边坡灾害产生的概率，并危及人类生命及财产安全。根据高切坡稳定性分析，建议采取相应预防措施，以保证煤矿生产安全。