露天矿顺层软岩边坡开挖变形特征与参数优化研究

钟晓勇，刘博文，陈俊彬，王振伟，汪云川

(1.呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083；3.北方工业大学，北京 100041)

在露天开采过程中，边坡岩体的稳定性问题是整个矿山开采过程中的核心问题，而确定合理的边坡角是问题的关键。由于边坡在开挖过程中，应力平衡状态受到破坏，边坡发生位移和应力的变化，从而使得应力重新分布直至达到新的平衡状态，在同一边坡高度情况下，边坡角不同，产生的位移和应力释放程度也不同，进而对边坡稳定性的影响程度也存在明显差异。目前，已有不少专家学者进行了研究。房智恒等[1]采用有限差分强度折减法边坡稳定性进行了研究，提出有限差分强度折减法适用于弧状边坡的稳定性分析方法；杜时贵等[2]构建了近期静态精度与评价期静态设计安全系数、长期动态精度与服务期动态设计安全系数的关系，为边坡设计安全系数的不确定性问题提供了一种确定性解决方案。曹兰柱等[3]以扎哈淖尔露天矿南帮边坡为工程背景，基于强度折减法，应用FLAC3D数值模拟软件探讨了开挖位置、开挖坡角和内排追踪距离不同时南帮边坡的变形破坏机制和边坡稳定性的影响规律；通过分析和总结相关学者的研究成果[4-13]，采用数值分析法和极限平衡法对边坡变形特征和不同边坡角的边坡稳定性进行了研究，以提出科学可靠的边坡角优化设计方法。

1 研究背景

蒙东地区有千万吨级大型露天煤矿20余座，普遍为顺层软岩边坡，其工程地质特征具有如下共性：煤系地层主要由砂砾岩、砂岩、泥岩、煤层组成，各岩层成岩时间较短，胶结程度较弱，岩石颗粒间多为泥质胶结，泥岩中蒙脱石、高岭土、伊利石等黏土矿物含量较高，遇水易膨胀、崩解，且层理、节理和微裂隙比较发育，成坡后受应力重分布影响表现出强烈的扩容和应变软化及持续流变特征，进而导致边坡稳定性较差。而蒙东地区各矿区初步设计中给出的极限边坡角多为26°，但多年工程经验表明：当岩层面与边坡面顺倾时，在地表降水入渗和地下水的共同作用下，边坡角在接近极限边坡角时即出现明显滑坡征兆或发生滑坡，为了保证安全，现状边坡角多数低于或远低于极限边坡角，而过于保守的边坡角必然会造成煤炭资源的浪费，因此非常有必要对于含水顺层软岩边坡的变形特征展开研究，并探讨科学可靠的方法对边坡参数进行优化分析，给出科学合理的稳定边坡角。

以东明露天矿为研究对象，该矿属于蒙东地区典型顺层软岩边坡，南端帮曾发生过较大规模的顺层滑坡。地质调查结果表明：南帮现状边坡角约为17°，岩土接触面倾角为9°～12°，目前整体边坡高度约为100m。自上而下主要由第四系表土、砂砾、夹砾黏土层、煤系地层的砂岩、砂质泥岩、煤层以及下部地层等构成。边坡内部存在多层软弱岩层，岩性为泥类岩，多赋存于各煤层顶、底板和煤层间，裂隙面光滑，厚度2～25cm不等，呈不整合接触。第四系砂砾层为透水层，其下部赋存的厚度不均的夹砾黏土层为典型弱层，由于地表水入渗长期处于饱和状态，使得岩石的工程地质性能弱化，对南端帮边坡稳定构成极其不利影响。由于该区域煤层厚度较大，较缓的边坡角在保证边坡稳定的同时，也造成了大量的煤炭资源浪费，因此，亟需开展南帮边坡变形失稳规律研究，在探明变形失稳机理的基础上展开边坡参数的优化分析，为解放边帮压滞资源提供科学指导。

2 地下水作用下顺层软岩边坡的变形破坏特征研究

2.1 基于FLAC3D的边坡变形破坏模式分析

2.1.1 模型构建

基于东明露天矿南端帮边坡地质勘查成果，选取典型工程地质剖面建立工程地质研究模型，如图1所示，采用有限差分计算程序FLAC3D进行边坡变形破坏模式的数值分析计算。计算过程中综合考虑地下水、顺倾弱层对边坡稳定的影响。模型的前、后、左、右边界为截离边界，模型前、后边界以Y方向位移约束，模型左、右边界以X方向位移约束，模型的底部边界以Z方向位移约束，从而构成位移边界条件，以保持整个系统的受力平衡。初始地应力场平衡选用elastic model弹性准则，边坡岩土体开挖过程中的变形力学行为采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb屈服准则描述：

式中，σ1为最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；c为粘结力，kPa；φ为摩擦角。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。

地下水对边坡变形失稳的影响通过孔隙水压力施加于模型。通过计算并分析边坡水平位移、竖直位移、增量剪应变和塑性区分布云图，确定边坡潜在滑动部位与滑面形状，并依此预计边坡总体变形破坏趋势。

图1 南端帮边坡典型工程地质模型

2.1.2 岩土体力学参数确定

根据南端帮工程地质条件，在以往岩土体物理力学性质研究成果基础上，通过岩石物理力学测试和弱层参数滑坡反分析，对各项岩层参数指标进行工程类比，获得适用于本次研究的岩土体物理力学性质参数，见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

模型中影响边坡整体稳定性的软弱夹层主要为煤层第四系底部的夹砾黏土层。该弱层强度低，塑性强，含水率近饱和。通过对南端帮边坡整体大变形区域进行反分析计算，获得该弱层粘聚力和内摩擦角分别为C=5.2kPa，φ=12°，抗剪强度指标远低于其他地层。

2.1.3 边坡变形失稳模式分析

基于FLAC3D的东明露天矿南帮边坡变形破坏模式分析结果如图2—图4所示。

图2 边坡增量剪应变计算结果

图3 边坡塑性区分布计算结果

图4 边坡水平和竖直位移计算结果

边坡增量剪应变计算结果如图2所示，由图2可知，边坡增量剪应变最大的位置发生在夹砾黏土层内部，这是由于边坡开挖引起矿坑周边地应力重新分布，夹砾黏土层上部岩土体抗剪强度较小，长期的蠕滑变形诱发其内部产生竖向张拉裂隙，第四系砂砾含水层水体沿此通道逐渐向下渗流至夹砾黏土层，水体受其较强的隔水性限制，只能沿顺倾弱面流向矿坑，该过程导致弱层内部含水率逐渐增大，抗剪强度显著降低，最终诱发上部土体沿弱层的顺层滑动失稳。现场工程地质调查与测绘结果表明夹砾黏土层标高位置边坡面存在多处出水点，理论分析与实测结果基本吻合。

边坡塑性区分布计算结果如图3所示，由图3可知，夹砾黏土层已经完全进入屈服状态，其上部表土层和砂砾层也出现了不同程度的屈服破坏。边坡水平和竖直位移计算结果如图4所示，由图4可知，夹砾黏土层上部岩土体存在整体沿该弱层发生朝向临空面滑动的趋势，潜在滑体前缘水平移动变形量最大、后缘竖向沉降变形比较明显，最终因受拉而与后方岩土体脱离。这种条件下，若要安全采出端帮压煤，必须开展专门的边坡工程地质勘查与稳定性评价工作，客观分析地下水对边坡稳定性的影响程度，最后通过优化分析给出合理边坡角。

数值分析结果表明，地下水影响条件下东明露天矿南帮边坡整体变形失稳模式为“坐落—滑移”顺层滑动模式，整体变形以朝向临空面方向的水平位移为主，边坡上部台阶竖向位移相对较大，产生坐落式沉降变形，在未开采边帮压煤条件下边坡处于匀速蠕动变形阶段，整体稳定状况良好。

2.2 地下水对边坡稳定性的影响分析

水是诱发含弱层顺倾边坡失稳的关键因素之一，水与岩土体之间的相互作用主要体现在物理、化学和力学三个方面。水对岩土体产生的物理作用主要体现在水对软弱岩石的软化作用方面，软岩多含有蒙脱石、伊利石等矿物，具有较强的亲水性，遇水会发生强烈的膨胀和崩解，导致抗剪强度减小。水对岩体的力学作用是指静水压力和动水压力对岩土体的力学性质施加影响，静水压力是作用于液体与固体的接触面上的法向面力，静水压力使饱水岩体受到浮力而产生浮重，减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩体中的孔隙静水压力垂直于裂隙壁，可使裂隙产生垂向变形，减小裂隙面的摩擦力。当水在岩土体中的裂隙流动时，施加于所流经的岩石颗粒上的压力称为动水压力，动水压力平行于裂隙壁，促使裂隙产生切向变形。以上因素均会导致边坡的稳定性下降，甚至诱发沿弱面的变形失稳。

为了进一步探明地下水对端帮边坡稳定性的影响程度，结合现场实际，采用Geo-Studio极限平衡分析软件对南帮边坡现状稳定性进行了计算，计算过程分为考虑地下水影响和不考虑地下水影响两种工况，计算方法采用毕肖普法和Spencer法。典型位置稳定系数计算结果如图5所示。计算结果汇总见表2。

表2 现状边坡稳定性分析结果汇总表

图5 典型位置边坡稳定性分析结果

分析可知，在不考虑地下水的影响时，边坡各位置稳定性系数为1.35～1.55，当考虑地下水的影响时，稳定系数为1.23～1.64。地下水的存在导致各典型位置边坡稳定性系数分别降低8.88%、20.73%和11.61%，地下水对沿夹砾黏土层发生滑动的边坡稳定性系数影响程度最大，说明存在软弱结构面时，边坡稳定性计算与参数优化必须考虑水体对结构面岩土体抗剪强度的弱化影响。

3 合理边坡角优化设计

3.1 安全系数确定

本次评价研究中边坡稳定安全系数主要依据《煤炭工业露天矿设计规范》[14]和《滑坡防治工程勘查规范》[15]，同时结合研究区域边坡类型及对边坡工程地质条件综合确定。东明露天矿南端帮边坡属于非工作帮边坡，由于内排土场能够随剥采作业及时跟进，边坡服务年限小于10a，因此确定安全系数小于1为不稳定状态，在1.0～1.05之间为欠稳定状态，1.05～1.15为基本稳定状态。

3.2 极限稳定边坡角的确定

在现有资料的前提下对该区域边坡进行参数优化分析，给出极限稳定边坡角，在保证安全的前提下，实现效益最大化。由上述边坡变形破坏特征分析得知，边坡在开挖过程中主要受第四系下部夹砾黏土层控制，整体滑移破坏模式为沿软弱岩土层的顺层滑动，因此本次主要是计算分析沿夹砾黏土层顺层滑动边坡的安全系数，计算方法选用有限元强度折减法和极限平衡法相结合的方式。

强度折减法是将边坡岩土体的抗剪强度参数C、φ按相同比例Ftrail进行折减，使得岩土体物理力学性状不断劣化，直至边坡发生失稳破坏。边坡发生破坏时的强度折减程度即安全系数Ftrail就代表了实际边坡的安全稳定程度。通过有限元强度折减法对不同工况的边坡安全系数计算结果如图6所示。由图中可知，靠帮开采过程中，边坡整体安全系数均小于1.2，处于存在风险状态，随着边坡角的不断增大，边坡稳定性呈现出不断下降的趋势，在边坡角为22°时，边坡的安全系数为1.05，为临近失稳状态，在边坡角为23°时，边坡安全系数已经小于1，边坡失稳。

图6 不同开挖工况条件下的边坡强度折减系数

极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分，由极限状态下土条所受力和力矩的平衡来分析边坡稳定性，它是目前应用最多的一种分析方法，由于滑动模式为顺层平面滑动，所以选择斯宾塞法进行计算。通过极限平衡法得到不同工况下的边坡安全系数计算结果如图7所示。由图7可知，靠帮开采过程中，边坡整体安全系数均小于1.15，处于基本稳定状态，随着边坡角的不断增大，边坡稳定性呈现出明显下降趋势，在边坡角为22°时，边坡的安全系数为1.009，为暂时稳定—变形状态，在边坡角为23°时，边坡安全系数已经小于1，边坡失稳。

图7 不同开挖工况条件下的边坡极限平衡法安全系数

采用上述两种方法对南端帮不同开挖工况下的边坡稳定性进行计算及对比分析结果表明，相对极限平衡法而言，有限元强度折减法计算得到的边坡稳定系数对计算参数的变化更加敏感，在不同边坡角度时变化幅度较大，而极限平衡方法计算得到的边坡安全系数随边坡角的变化程度不明显。这是因为有限元强度折减法侧重于边坡体内的应力和应变关系，得到的安全系数相对较离散，而极限平衡法侧重边坡滑坡时力和力矩的平衡，计算结果更具有指导意义。两种计算方法得出的边坡安全系数以及安全系数随边坡角度变化的趋势基本一致，根据上述计算结果和分析，确定靠帮开采时最终合理边坡角为22°。

4 结 论

1)地下水是含弱层顺倾边坡稳定性的关键影响因素，在地下水的作用下，东明露天矿南帮边坡稳定性逐渐由受煤层顶板软质泥岩控制调整为受第四系下部夹砾黏土层控制，边坡破坏模式为“坐落—滑移式”，地下水的存在导致南帮各典型位置边坡稳定性系数分别降低8.88%、20.73%和11.61%，尤以夹砾黏土层位置的稳定性系数变化最为明显。

2)采用极限平衡法和有限元强度折减法进行边坡角优化的结论相对比较吻合，而极限平衡法侧重边坡滑坡时力和力矩的平衡，计算结果更具有指导意义。由于软岩边坡变形的时效性，在保证开挖后内排及时跟进的前提下，最终确定极限稳定边坡角为22°。

3)提出以“有限差分方法确定边坡滑移破坏模式和变形破坏特征，然后极限平衡法和有限元强度折减法优化合理边坡角”的优化方法，该方法能够科学合理地确定最优边坡角，同时对于类似工况边坡具有借鉴意义。