扎哈淖尔露天煤矿南帮滑坡区治理

李苗苗，徐勇超

（1.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司 南露天煤矿，内蒙古 霍林郭勒 029200；2.扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司，内蒙古 霍林郭勒 029200）

滑坡是露天矿山工程领域最常见的地质灾害之一。由于岩土体性质的复杂性和影响因素的不确定性，即使严格按照规范设计，仍不可避免地有滑坡地质灾害发生，造成局部生产中断，给露天矿造成一定的经济损失。如何针对露天矿滑坡区工程地质条件，对滑坡体进行安全、高效、有序地清理，尽早实现压煤回采及煤炭产量接续，是避免滑坡体复活和最大限度减小露天矿经济损失的关键问题。

扎哈淖尔煤业有限公司采场南帮3＃煤破碎站东侧分别于2018年6月21日6：00和6月24日12：00发生不同程度的滑移变形。6月21日6：00，在南帮3＃煤破碎站东侧发现地表隆起，在隆起区域周围伴生小的裂隙和隆起等变形迹象，隆起走向近东西向，因边坡位移造成上盘出现裂隙，裂隙走向近东西向长度约150 m，整体向北移10～15 m，下沉2～3 m，变形区域平面面积大约1.4万m2。6月24日12：00，在3＃煤破碎站东侧，776～855 m水平发生大范围沉降变形，裂隙近圆弧状，变形区东西走向近500 m，滑坡上缘向北位移10～25 m，沉降约5 m；在采场内776 m水平，发现有近东西走向的隆起，隆起高度约3～4 m，变形区域平面面积约18.3万m2。

尽管滑坡过程中坡体内应力得到释放，现有滑坡体暂时处于稳定状态，但滑坡发生后边坡空间轮廓不规则，无法满足采运设备布置需求。通过现场调查、滑坡前后坡体形态特征以及以往的地质调查成果，明确弱层的赋存位置与形态；结合滑坡反分析的方法综合确定边坡稳定性计算所需的力学参数；通过系统的边坡稳定性分析和计算，确定能够满足安全及技术要求的清理工程位置与边坡形态，为合理清理方案的设计提供参考。

1 滑坡模式及滑坡成因

掌握边坡工程地质特征是分析边坡稳定性影响因素及滑坡机理，确定潜在滑坡模式及岩土体物理力学参数的前提和基础[1]。搜集以往扎哈淖尔露天煤矿南帮边坡工程地质资料的基础上，重点对滑坡区工程地质条件进行调查研究，分析南帮的潜在滑坡模式及“6·21”、“6·24”2次滑坡形成的内在因素与外在因素，为边坡稳定性分析与滑坡治理方案设计提供必要的支持。

1.1 地层岩性特征

南帮边坡地层自下而上由侏罗系、侏罗系－白垩系、第三系、第四系组成，其中上侏罗－下白垩霍林河群地层控制到扎哈淖尔露天煤矿含煤组地层IV煤底板，以泥岩、砂岩、煤为主，泥岩所占比重多，砂岩及炭质泥岩较少。第三系由冲积黏土、亚黏土组成，较松散，下部由冲积、洪积沙砾石组成。第四系由洪积砂砾石、泥质亚黏土构成，该层上部为风积砂，分选和磨圆度良好，下部为冲、洪积砂，磨圆度和分选性均较差。

1.2 弱层赋存特征

扎哈淖尔露天煤矿南帮属典型的弱层发育的软岩露天煤矿，坡体内层理面发育，地层倾向由南向北，据此可断定造成本次滑坡的主要原因是弱层，但在以往地质写实过程中未发现明显的层间错动[2-3]。为此，有必要通过开展专门的现场调查工作，并结合滑坡前后坡体形态特征以及以往的地质调查成果，明确弱层的赋存位置与形态，为边坡稳定性分析奠定基础。

滑坡发生后，滑体北侧弱层已被掩埋，故在滑体前缘一定距离处挖掘了1个约为20 m × 10 m × 10 m的探槽，结合以往勘探获得的钻孔资料，推断滑坡的底滑面的位置。

通过分析现场勘查结果发现，在3B煤底板以下3～6 m处，存在厚度为1 m左右的炭质泥岩。考虑到这类含黏土类矿物成分的岩性具有亲水、吸水、遇水软化和膨胀等特性，对边坡稳定性不利，并结合滑坡前后边坡的形态、现场出水点及地表径流情况，推断的弱层位置为距离3B煤底板以下5 m处，其形态与3B煤底板一致。弱层推断位置与形态如图1。

图1 弱层推断位置与形态

1.3 地下水渗流规律调查

对变形区周围地质情况进行详细的踏勘，在踏勘过程中发现在920排土场南侧有4处出水点，东侧2处出水点水流较大，且水流浑浊，中间的出水点水流较小，且水流清澈。4处出水点涌水量共计达到20 m3/h。西侧出水点水流分支经920排土场向西渗入到边坡变形区域，其余出水点水流向东侧流淌，在920排土场中部渗入排土场内部。南帮出水点水流情况如图2。

图2 南帮出水点水流情况

1.4 潜在滑坡模式

露天矿边坡的破坏模式主要有剥落、崩落、倾倒、滑动等，其中，滑动是最主要和最常见的变形破坏类型，包括平面滑动、圆弧滑动、楔体滑动及不规则曲面滑动等[1]。扎哈淖尔露天矿南帮边坡主要由散体结构的第四系砂土和风化带泥岩、层状结构的泥岩和煤层构成，边坡岩体力学强度普遍较低，岩性组合复杂，边坡稳定性主要受风化带泥岩弱层、IVC煤层底板弱层及弱层上覆岩土体载荷的控制，易发生以四系与风化带中产生的后缘圆弧裂缝为侧界面、以各弱层为底界面的切层－顺层滑动。值得注意的是，沿IVC煤层底板弱层产生的滑动将使深部境界某一位置底鼓，形成的鼓胀裂缝将与弱层贯通共同组成滑面。

1.5 滑坡成因

边坡稳定性影响因素包括地层岩性、地质构造、岩体结构、软弱夹层等内在因素和边坡高度、边坡角等人为因素，水和震动往往也是滑坡的诱发因素[4]。根据滑坡前后的工程发展状况、坡体形态特征、大气降水特征、地质构造特征和弱层赋存特征可知：3B煤底板以下3～6 m处的炭质泥岩夹层是滑体的下部边界，该泥岩夹层由于受到地下水的浸润作用逐渐演化形成弱层是本次滑坡发生的主控因素；滑移模式为以该演化弱层为底界面的切层-顺层滑动；920排土场南侧有4处出水点并向滑坡区段渗透，造成岩体尤其是弱层的力学强度降低，是本次滑坡发生的重要因素。分析滑坡前的边坡形态可知，局部台阶高度过大，在重力作用下挤压下部岩体沿弱层发生滑动，即滑坡发生的力学成因机制类型为推动式滑坡，清帮是治理该类滑坡体的有效途径。

2 边坡稳定性分析及滑坡清理方案

扎哈淖尔露天煤矿南帮“6·21”、“6·24”2次滑坡导致周边局部区段生产中断。尽管滑坡过程中坡体内应力得到释放，现有滑坡体暂时处于稳定状态，但滑坡发生后，原有的完整岩体呈现松散状态，稳定性差，空间轮廓不规则，无法满足采运设备布置需求。为避免二次滑坡发生和规范生产，应通过系统的边坡稳定性分析和计算，确定能够满足安全及技术要求的清理工程位置与边坡形态，为设计合理的清理方案奠定基础。为避免发生大规模滑坡，有必要重新分析南帮到界边坡的稳定性并设计其合理的空间形态。为此采用经典刚体极限平衡法，在分析岩土体与弱层力学参数的基础上，通过定量分析边坡稳定性，设计能够满足安全要求的边坡形态。

2.1 边坡稳定性分析

考虑到滑坡体的分布及其与煤层产状之间的关系，在“6·21”滑坡区选择1个剖面，在“6·24”滑坡区选择3个剖面，以P1剖面为例进行分析，边坡稳定性分析剖面位置平面图如图3。

2.1.1 正反分析相结合的边坡岩土体参数确定方法

图3 边坡稳定性分析剖面位置平面图

边坡在临滑时处于极限平衡状态，反分析即是基于此对参数进行估算的。反分析也称之为反演，是岩土工程领域尤其是边坡工程领域确定岩土体及弱层抗剪强度参数的行之有效的方法之一[5]。由于滑体是由于重力的作用，滑体前缘先滑动生成了动载荷，致使滑体后缘再发生滑动。该方法是通过恢复已破坏边坡的原始状态，在分析其变形破坏机理的基础上，建立极限平衡方程，对于滑体后缘失稳边坡稳定系数可取值为Fs=0.98～0.99。据此反求滑面位置区域岩土体的抗剪强度指标黏聚力C和摩擦角φ。正分析也称之为正演，该方法是通过滑坡后的边坡稳定状态，建立极限平衡方程，对于滑坡后边坡的整体或局部稳定性可取稳定系数值为Fs=1.01～1.02，据此可以验证反分析确定的岩土体的抗剪强度指标黏聚力C和摩擦角φ。但是，传统的参数反分析方法仅仅适用于均质、单一滑面并且是滑坡模型和边界条件清楚的情况[5]，对于扎哈淖尔露天矿南帮以泥岩为主体、以弱层为底界面这种组合形式的滑坡，且滑体物理力学参数无法确定，须同时对滑体与弱层的力学参数进行反分析，尚存在一定的不足。为解决该技术问题，保证选取岩土体与弱层力学参数的合理性，应对该方法进行一定的约束和限制，采用多重反演的方法确定计算参数。

分析“6·21”滑坡原因可知，地下水的渗入致使后半段弱层弱化严重，强度极低，滑面贯通，后半段弱层的黏聚力为0 kPa；前半段弱层黏聚力需要通过分析求解。滑体为松散体，近似为排弃物料，但强度应大于排弃物料的强度，因此取滑体的内摩擦角为排弃物料的内摩擦角[6]，黏聚力需要正分析求解。弱层分区示意图如图4。

图4 弱层分区示意图

具体的方法和步骤如下：

1）在反分析过程中选取后半段弱层黏聚力CB为0 kPa，滑体的内摩擦角φh为17°。

2）对P1、P4典型地质剖面的边坡不断改变后半段弱层的内摩擦角，直至当边坡的整体稳定系数Fs介于0.98～0.99之间时，为保守计算，2个典型地质剖面计算过程中最小的内摩擦角为后半段弱层的内摩擦角记为φB。

3）确定后半段弱层的黏聚力CB、内摩擦角φB后，通过正分析，不断改变滑体的黏聚力Cs，直至当边坡的整体或局部稳定系数Fs介于1.01～1.02之间时，此时泥岩的黏聚力记为Cs。

4）滑体、后半段弱层强度参数确定后，再通过正分析，不断调整前半段弱层的黏聚力CF，直至当边坡的整体或局部稳定系数Fs介于1.01～1.02之间时，此时的前半段弱层的黏聚力为CF。

2.1.2 滑体与弱层力学参数

参照以往的边坡稳定性研究与地质成果，弱层、滑体的密度ρw、ρs分别为1.77 t/m3和1.7 t/m3，滑体的内摩擦角为17°。按照所提出的参数反分析原则、方法与步骤可获得的边坡稳定系数Fs介于0.98～0.99之间的内摩擦角反分析结果（表1），边坡稳定系数介于1.01～1.02之间的内摩擦角正分析结果（表2）。从而得出所需的力学计算参数：CB=0 kPa，φw=14.3°；Cs=30 kPa，CF=10 kPa。

表1 反分析确定弱层内摩擦角计算结果

表2 滑体、前半段弱层黏聚力正分析结果

结合《扎哈淖尔露天矿边坡稳定性分析及失稳边坡压覆资源采出方案研究报告》、扎哈淖尔露天矿初步设计中的数据、以及弱层指标反分析结果，综合确定的分析用岩土体物理力学指标见表3。

表3 岩土体物理力学指标

2.2 滑坡体清理形态确定

1）安全储备系数。依据GB 50197—2015煤炭工业露天矿设计规范中对边坡安全系数的规定，评价标准为采场工作帮边坡（临时）FS宜采用1.0～1.2，非工作帮边坡服务年限小于10年FS宜采用1.1～1.2。由于滑坡区清理边坡为临时边坡，存在时间短，而且通过反分析获得的弱层与泥岩岩体的计算参数具有较高的精度，同时考虑在滑坡治理过程中形成的边坡为临时边坡，而且采用安全监测等一系列配套措施，选取滑坡区边坡安全储备系数为1.05。

2）边坡形态基础参数与原则。根据岩性及生产现状，最小工作平盘宽度40 m，采掘带宽度20 m，台阶坡面角70°，台阶高度为12 m，由于作业设备小型化，采取6 m分层开采。考虑平盘运输道路布置要求，确定836 m水平为运输平盘标准标高。清理时应能在满足边坡安全的前提下，尽量减少清理量，以缩短清理工期[7]。清理后的边坡整体与局部的稳定性均需要大于1.05[8]。

3）滑坡体稳定性与形态。基于边坡稳定、满足作业要求、清理滑体最小的原则，将848、836 m水平以上部分滑体清除，验证边坡整体与局部稳定性是否满足安全要求。边坡形态进行稳定性分析，稳定性系数均大于1.05，清理后的边坡整体及局部稳定性均能满足安全储备系数要求，且能够满足设备作业需要，清理滑体工程量最小。

3 结论

1）3B煤底板以下3～6 m处的炭质泥岩夹层是滑体的下部边界，该泥岩夹层由于受到地下水的浸润作用逐渐演化形成弱层是滑坡发生的主控因素。滑移模式为以该演化弱层为底界面的切层-顺层滑动。

2）局部台阶高度过大，920 m水平涌水的渗流作用及火烧岩的倒水作用均是“6·21”和“6·24”滑坡的重要因素，适当地清理滑体、疏干排水是避免滑坡体复活或范围扩大的重要措施。滑坡发生的力学成因机制类型应为推动式，在清理滑体时应按照自上而下的顺序清理。

3）提出了边坡滑裂面抗剪强度参数的多重反分析方法及正反分析相结合的岩体参数确定方法；分阶段确定了滑坡区边坡弱层与泥岩体的抗剪强度参数：Cs=30 kPa，φs=17°；CB=0 kPa，φB=14.3°；CF=10 kPa，φF=14.3°。

4）基于边坡稳定、满足作业要求、清理滑体最小的原则，将848、836 m水平以上部分滑体清除，滑坡体的整体与局部稳定性均可满足安全储备系数1.05的要求。