安太堡露天矿南排土场滑坡事故分析

2020-07-02张永华张东华

露天采矿技术 2020年3期

张永华，张东华，郑哲

（1.中煤平朔集团公司安太堡露天矿，山西朔州 036006；2.太原理工大学，山西太原 030024）

1991 年安太堡南外排土场发生了滑坡事故，滑坡量约为11 Mm3，事故造成了6 人死亡[1]，对之后露天煤矿排土场边坡的设计产生了深远的影响，设计或者评估边坡时排土场的总边坡角不超过20°，排土场总高度不大于150 m。故有必要对事故原因进行再研究，为今后的黄土高原地区露天煤矿排土场边坡设计提供理论基础。

王建国等通过对滑坡事故的调查认为安太堡南排土场的滑坡模式是沿黄土基底产生的多级坐落式滑坡，认为内部原因是排土场坐落在顺坡为5°～7°的基底斜坡上，且基底有饱水的黏性土软弱带，外部原因是排放强度大和地下水的增加[2]。祖国林等介绍了黄土基底排土场的特征，把黄土基底排土场分成了4 种模式，安太堡南排土场滑坡属于地基型，这类滑坡由于排土场基底存在软弱层或软塑带，外因是水、过载及边坡过陡导致[3]。周飞等对黑方台的黄土边坡的滑坡机理进行了研究，认为地下水位的上升导致黄土软弱带的形成，通过实验证实黄土厚度小于20 m 时发生缓慢变形，大于20 m 则易形成突发性滑动事故[4]。金艳丽等对饱和黄土的静态液化特征进行了试验，研究了饱和黄土的力学特性[5]。李彦荣等通过对世界黄土滑坡事故的分析，把黄土滑坡分成黄土－古土壤滑坡和黄土基岩滑坡2 大类，黄土－古土壤滑坡又分成8 小类，黄土基岩滑坡分成2 小类[6]。彭建兵等对我国的黄土滑坡分布及成因类型进行了总结[7]，并对黄土高原滑坡灾害进行了系统的研究[8]。

1 地质概况和滑坡体特征

1.1 地质概况

安太堡露天煤矿1987 年投产，采用单斗－卡车－推土机工艺，南排土场南北长大约1 km，东西长大约1.5 km。平均气温5.4～13.8°，最高气温37.9°，最低气温－32.4°，冻土最早形成日期是10 月18 日，最晚是4 月12 日，平均冻土厚度1.11 m。年降雨量为428.2～486.16 mm，年蒸发量为1 735.6～2 598.0 mm。降雨集中在7、8、9 月，经常是暴雨，最大降雨强度是87 mm/d。地下水位平均深度20 m，每年10 月15 到11 月1 日间地下水位最高。七里河穿过矿区，大部分雨水流入矿区，少部分雨水渗入地面，地下水的流出方式是自然蒸发，补给来源主要是降雨和地下水。

排土场基底地层从上到下是平均34 m 后的黄土层，属于强含水层；向下是平均厚度为15 m 的黏土层，黏土透水性弱；再向下是风化砂岩，弱含水层。排弃物全是重塑黄土。排土场基底倾角为5°～7°。

1.2 滑坡体特征

滑坡监测工程平面图如图1，监测点是K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8，形成1＃、2＃、3＃、4＃共4 条监测剖面线[3]。

图1 滑坡监测工程平面图

在2＃剖面线东边，1450 水平台阶的滑体宽度为45～60 m，坐落在1 363～1 375 m 水平，下落高度从75～88 m。在滑体的中部，台阶变形较小；在滑体的下部，滑体由排土场的重塑黄土和基底黄土组成。滑体的水平移动距离为50～85 m。

在2＃剖面线西边，1450 水平台阶的滑体宽度约95 m。滑体边缘30～50 m 坐落在1 380 m 水平，下落高度大约70 m；其余部分滑体宽度大约50 m，坐落在1 415 m 水平。下落高度大约35 m。滑体上部和中部有1 块洼地，比中部部分高差低20 m，滑体中部台阶裂缝切割明显，滑体的水平移动距离大约130～145 m。在滑体底部，滑体的水平移动距离大约200 m。

2＃监测线的剖面图如图2，滑坡特征如下：①滑面为圆弧滑面；②排土场基底有明显的毁坏，包括沉降和隆起；③排土场滑坡前总角度为19°～21°，滑坡后大约11°；④滑面位于基底黄土中，位于黏土层之上；⑤滑体的滑动分成多个阶段，每一个滑体的宽度介于45～50 m；⑥滑体最远点和基底破坏点距离大约为65～70 m。

图2 2＃监测线剖面图

2 事故原因

2.1 南排土场的数值模型

Phase 软件是一款用于岩土工程弹塑性有限元分析软件，基于强度折减法计算边坡的稳定性。安太堡南排土场的参数如下:①台阶高度15 m;②台阶坡面角30°;③安全台阶长度20 m;④平均地下水位线20 m;⑤排土场总高度135 m;⑥排土场总边坡角度19°;⑦基地倾角6°。岩土物理力学性质参数见表1，Phase 建立的模型如图3。从图3 可以看出初始模型时安全系数时1.37，满足规范要求且符合工程实际。

2.2 滑坡事故原因

2.2.1 地下水位上升

每年10 月15 到11 月1 日地下水位最高，10月29 日处于一年中地下水位最高的时间段。通过现场观察，排土场坡底一年大部分时间有水流出，10月29 日这个时间段冻土也刚刚形成，可能会堵塞排土场坡底的出水口。另一方面，排土场的重塑黄土是松散状，雨水非常容易进入排土场内部，从而增加排土场的地下水位。地下水位线和安全系数之间的关系如图4。从图中可以看出，地下水位从5 m 变为50 m 时，安全系数急剧地从1.01 增加到1.74，安全系数对地下水位极为敏感。

表1 岩土物理力学性质参数

图3 安太堡南排土场地质模型

图4 地下水位线和安全系数之间的关系

2.2.2 裂缝贯通形成弱面

1）排土场应力场对重塑松散黄土产生裂隙的力学机理。排土场的初始重塑黄土是松散的，重塑黄土的堆积高度不同，导致重塑黄土在竖直方向上承受的压力不同，竖直方向上承受的压力不同导致黄土在竖直方向上的沉降量不一样，竖直方向上的沉降差异形成竖直方向上的剪切裂隙。因竖直方向上的受力不同主要在在排土场的坡面、坡顶线附近、坡底线附近等位置产生竖直方向上的剪切裂隙。重塑松散黄土自然堆积形成排土场，边坡坡面处于临空状态，产生1 个水平应力差，水平应力差使边坡剖面产生1 个水平的剪切裂隙。

2）沉陷作用对隐伏裂缝的扩展作用。排土场坡底线位置受到垂直方向的应力差和水平方向的应力差，是裂缝集中的地方，这些裂缝通常被松散层覆盖形成隐伏裂缝。坡底线位置通常修筑有排水沟，是下雨时的雨水通道，雨水通过排水沟时，雨水大量灌入隐伏裂缝，黄土的沉陷特性将扩展隐伏裂缝，是裂缝扩大、延长、贯通。

3）饱和黄土受力后液化促进裂缝扩展。安太堡矿区地下水不深，全年平均20 m，饱和黄土在上覆层压力的情况下，产生超孔隙水压力，从而降低饱和层黄土的强度。饱和层黄土的上覆层受到临空方向水平应力的影响，产生临空方向的水平位移，促使裂缝的扩展。

2.2.3 排土场总高度

发生滑坡事故时排土场总高度是135 m，排土场高度对排土场稳定性有着显著的影响，排土场高度和安全系数以及截面面积的关系如图5，显示了排土场高度和安全系数以及截面面积的关系。当排土场总高度从105 m 增加到150 m 时安全系数从1.58 快速降到1.29；排土场的横截面积从30 523 m2增加到37 315 m2，高度增加刚开始时排土场容量增加较快，约到后面容量增加得越少。

图5 排土场高度和安全系数以及截面面积的关系

2.2.4 排土场基底倾角

排土场基底倾角是5°～7°，安太堡南排土场基底倾角和安全系数以及排土场横截面积之间的关系见表2，随着基底倾角从0°增加到12°排土场的横截面积从70 982 m2急剧减少到15 372 m2，同时随着基底倾角从0°增加到12°安全系数从1.32 缓慢增加到1.1。倾角的增加对排土场总容量影响很显著，但稳定性系数影响较小且是正影响。

表2 安太堡南排土场基底倾角和安全系数以及排土场横截面积之间的关系

2.2.5 基底的黏土层

基底平均厚度34 m 下有一平均厚度达15 m 的黏土层，黏土层透水性弱，容易使水在黄土层中富集。

2.3 影响滑坡因素

1）滑坡事故是由各种影响因素综合导致的，主要原因是此时间段地下水位高。地下水位对重塑黄土排土场的稳定性影响最大，10 月29 日发生滑坡时也正好是平朔矿区全年地下水位最高的时候。在只考虑地下水位对排土场稳定性的影响情况下，地下水位为5 m 时排土场的稳定性系数仅仅1.01。裂缝的贯通受到排土场应力、地下水、雨水等影响，是一个渐变的过程。排土场总高度对稳定性影响较为显著，排土场最高度达到设计值150 m 时，且仅考虑排土场高度的单影响因素时稳定性系数为1.29，对排土场的稳定性影响不是起决定性作用。

2）滑坡事故的主要原因不是排放强度过大。一些学者认为滑坡的首要原因是排放太快导致孔隙水压力未能得以消散，导致基底黄土强度降低导致事故。黄土的孔隙性发育，透水性极强，且排弃时间以天、月、季度为计量单位，不存在孔隙水压力消散来不及的情况。并且地质灾害的大量学者通过实验和现场调查证明了饱和黄土在一定围压下会发生液化强度急剧降低，当围压超过一定强度后黄土又具有一定的强度，例如文献[5]和文献[6]通过实验测试了饱和黄土在不同围压情况下的强度。文献[5]得出的原生黄土发生持续缓慢变形的的临界层厚度为20 m，安太堡南排土场的总高度为135 m，远远大于20 m。

3）排土场的最危险裂隙位置位于排土场坡底线位置。排土场坡底处于垂直压力和水平压力不均的地方容易形成裂缝，且降雨时雨水经过坡底线的水沟，大量雨水灌入隐伏裂缝，且黄土具有湿陷性，导致隐伏裂缝的扩展及连通，对排土场稳定性形成较大危害。这次滑坡体特征中每一个滑体的宽度介于45～50 m 之间就是1 个证据，45～50 m 正好是1个排土场安全平台和1 个坡面的水平长度之和。

坡顶线附近的裂缝容易观察得到，雨水进入坡顶线的裂缝相对较少，且坡顶线附近的裂缝切割排土台阶的体积小，危害性相对不大。排土场坡底的隐伏裂缝的危害性比坡顶线附近的裂缝危害性更大。