软岩边坡露天煤矿弱层深度敏感度研究

赵贵彬，封海洋，韩 猛，梁 也，陈亚飞

（1.内蒙古大雁矿业集团有限责任公司 扎尼河露天矿，内蒙古 呼伦贝尔021122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

露天煤矿边坡是露天煤矿的一个重要组成部分，其稳定性直接影响矿山人员和设备的安全以及采矿进度，也影响到矿山开采方案、投资规模、经济效益以及服务年限等诸多问题[1-3]。边坡失稳是露天煤矿常见的安全问题，失稳后往往会对露天煤矿生产、安全造成影响，严重时甚至会导致露天煤矿的停产，而露天煤矿边坡岩体中存在弱层往往会加剧边坡滑坡的风险，对边坡稳定性极其不利。

弱层泛指影响露天煤矿边坡稳定岩体中的软弱夹层及软弱岩层，其普遍存在于露天煤矿边坡的岩体中，弱层的蠕动变形常常引起边坡的变形、失稳，大量的软弱夹层（简称弱层）蠕动变形实验证明，弱层抗剪强度是随着剪应力作用时间的延长而降低。许多滑坡灾害发生之前，大多都经历一定时间后发生失稳破坏，特别是受弱层强度蠕动过程降低控制的边坡失稳破坏更是如此，因此弱层的蠕变对边坡稳定性有着显著的影响[4-6]。目前只知道弱层的存在对软岩边坡稳定性存在一定的影响，但若基岩中含有弱层，弱层存在深度与软岩边坡稳定性的关系有待研究。为此，以内蒙古某软岩边坡露天煤矿为研究背景，在工程地质条件及岩土物理力学性质研究的基础上，采用极限平衡法对弱层存在深度与软岩边坡的稳定性影响关系进行研究，依据研究成果提出了弱层勘查方案及地下岩移监测方案。

1研究区概况

地层自下而上主要有泥盆系上统大民山组（D3d）、白垩系下统龙江组（K1l）、白垩系下统九峰山组（K1j）、白垩系下统甘河组（K1g）、白垩系下统大磨拐河组（K1d）、白垩系下统伊敏组（K1y）及第四系（Q）。矿区地下水充沛且降雨较多，工程地质及水文地质条件较差，岩土物理力学指标低，属于软岩边坡。9 煤和10 煤本矿可采煤层，煤层顶板岩性为泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩，煤层底板岩性为泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩。其中第四系黏土层、9煤层及10 煤层顶底板泥岩均存在潜在弱层。此次弱层深度敏感度研究主要针对该矿东帮进行，该矿东帮为内排区域，且上部外该矿的外排土场，其地层自上而下分别为，第四系、黏土层、9 煤、10 煤及泥岩，其中9 煤底板及10 煤顶底板都存在泥岩弱层，东帮典型地质模型如图1。

图1 东帮典型地质模型Fig.1 Typical geological model of east side

2 工程地质模型及岩土物理力学参数

在该矿东帮建立了2 条典型剖面，并建立各剖面的工程地质简化模型，2 条剖面工程地质简化模型如图2 和图3。

图2 剖面1 工程地质简化模型Fig.2 Engineering geological simplified model of section 1

图3 剖面2 工程地质简化模型Fig.3 Engineering geological simplified model of section 2

本次弱层深度敏感度研究的岩土物理力学参数通过对以往的各个项目的岩土体试验研究成果进行收集、归纳、分析。采用岩土体工程地质性质类比的方法来确定，未单独开展研究区域的岩土物理力学实验。通过对以往基础研究成果资料的搜集、整理及分析，经过总结最终确定的本次研究的岩土体物理力学参数推荐值见表1。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3 弱层深度灵敏度

剖面1 沿9 煤、10 煤底板滑动及沿底板泥岩内部滑动如图4～图6。剖面2 沿9 煤、10 煤底板滑动及沿底板泥岩内部滑动如图7～图9。

图4 剖面1 沿9 煤底板滑动Fig.4 Section 1 sliding along the 9th coal floor

图5 剖面1 沿10 煤底板滑动Fig.5 Section 1 sliding along the 10th coal floor

图6 剖面1 沿底板泥岩内部滑动Fig.6 Section 1 sliding along the bottom mudstone

图7 剖面2 沿9 煤底板滑动Fig.7 Section 2 sliding along the 9th coal floor

图8 剖面2 沿10 煤底板滑动Fig.8 Section 2 sliding along the 10th coal floor

图9 剖面2 沿底板泥岩内部滑动Fig.9 Section 2 slides along the bottom mudstone

通过对该矿东帮的边坡稳定性评价发现，沿底板泥岩内部滑动的稳定性系数相对于沿9 煤底板及10 煤底板较小，如剖面1 中沿9 煤底板及10 煤底板滑动的边坡稳定性系数分别为1.136 及1.176，而沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数为1.110；剖面2 中沿9 煤底板及10 煤底板滑动的边坡稳定性系数分别为1.118 和1.179，而沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数为1.107，因为9 煤底板及10 煤底板存在泥岩弱层，因此考虑如果在底板泥岩中含有弱层，其对边坡稳定性的影响较之于9 煤及10 煤底板的影响更大。

针对沿底板泥岩内部滑动的边坡稳定性系数小于沿9 煤底板及10 煤底板的边坡稳定性系数的情况，使用极限平衡法对弱层深度敏感度与软岩边坡稳定性的关系进行研究。

极限平衡法又称条分法，是进行边坡稳定性评价的常用软件，主要具有计算模型简单易懂、计算参数相对固定、计算结果物理意义明确等特点。其主要思想为假设存在潜在的滑动破坏面，并将滑体划分为若干条块，通过对每个条块建立静力平衡方程来建立整个滑体的平衡方程，并将潜在滑面上的抗剪力与剪切力之比作为潜在滑体的稳定性系数。随着极限平衡法的发展，出现了很多更为简化的方法，例如Bishop 法、Ordinary 法、Janbu 法、Spencer 法、Morgenstern-price 法、Sarma 法、不平衡推力法及传递系数法等[7-8]。针对本次研究，选择用Morgenstern-price法来计算不同深度的泥岩弱层对应的边坡稳定性系数[9]，该方法考虑了全部平衡条件与边界条件来消除计算方法的误差，使得计算结果更加精确。

剖面1 沿第3、第4、第5 弱层滑动如图10～图12。剖面2 沿第3、第4、第5 弱层滑动如图13～图15。

图10 剖面1 沿第3 弱层滑动Fig.10 Section 1 sliding along the 3rd weak layer

图11 剖面1 沿第4 弱层滑动Fig.11 Section 1 sliding along the 4th weak layer

图12 剖面1 沿第5 弱层滑动Fig.12 Section 1 sliding along the 5th weak layer

图13 剖面2 沿第3 弱层滑动Fig.13 Section 2 sliding along the 3rd weak layer

对第1～第6 弱层深度与其对应的边坡稳定性系数进行统计，弱层位置与边坡稳定性系数关系统计表表2。

图14 剖面2 沿第4 弱层滑动Fig.14 Section 2 sliding along the 4th weak layer

图15 剖面2 沿第5 弱层滑动Fig.15 Section 2 sliding along the 5th weak layer

表2 弱层位置与边坡稳定性系数关系统计表Table 2 Statistical table of relationship between weaklayer position and slope stability coefficient

从表2 可以得出，随着弱层深度的增加，边坡稳定性系数在随之减小，当弱层位于10 煤底板以下20 m 处时，边坡稳定性系数降低到极限值，然后随着弱层深度的增加，边坡稳定性系数又逐渐增大，其函数关系呈现出来的是1 条先下降到达最低点然后再上升的曲线，由此可以得到，如果10 煤底板以下存在有弱层，边坡稳定性系数并不是随着弱层的深度增加一直递减，而是递减到一定程度又随着弱层深度的增加出现递增，当该弱层位于10 煤底板以下20 m 处时，对边坡稳定性影响最大。

4 弱层勘查及地下岩移监测

4.1 弱层勘查

通过分析得知如果该矿10 煤底板下方20 m 处存在泥岩弱层时，对边坡稳定性影响最大。而该露天矿在后期的开采过程中将会对下部9 煤及10 煤进行开采，并对内排区域进行内排增高扩容，因此会加剧滑坡的风险，为避免露天煤矿在后期开采中边坡由该层位滑动对露天煤矿生产及安全造成影响，因此需要对弱层位置进行勘查，查明该位置是否存在弱层，如若有弱层，查明该位置弱层的性质及厚度。

根据该矿内排土场原有地质勘查资料及钻孔布置位置资料并结合地质调查，依据DZ/T 0215—2002《煤、泥炭地质勘察规范》、MT/T 1042—2007《煤炭地质勘查钻孔质量标准》、GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》及《露天矿边坡工程地质勘察规范》等国家相关规程、规范要求，在东帮下部垂直于东帮方向自北向南共布置3 条勘探线，勘探线1与勘探线2 间距约237 m，勘探线2 与勘探线3 间距约320 m，每条勘探线共布置2 个钻孔，共布置6个钻孔，根据弱层深度敏感度研究结果终孔位置需跨越弱层最大影响区域，最终确定终孔10 煤底板下30 m，用以查明10 煤底板下的工程地质条件，并查明弱层分布情况。

4.2 地下岩移监测

地下岩移监测是指通过仪器测量的方式，对地下岩体相对于稳当地层的位移速度、位移量以及方向，从而确定移动岩体滑移面与变形变化规律[10-12]。一般方法是通过工程地质勘探钻孔来实现，利用工程地质勘探中的钻孔建立地下位移监测孔，弱层勘查孔成孔后，本着“一孔多用，相互验证”的原则，在钻孔中下入地下岩移监测系统，用于地下岩移监测，因该矿东帮区域为内排区域，随着后期内排量的增加，东帮位移量会增大，而且随着内排的增高，此次的成孔可能会被掩埋，因此内排土场地下位移监测是很有必要的，且不可使用固定监测装置对东帮地下岩移进行监测，需使用人工监测方法对地下岩移进行监测，人工地下位移监测装置示意图如图16。

图16 人工地下位移监测装置示意图Fig 16 Schematic diagram of artificial underground displacement monitoring device

5 结 语

1）采用极限平衡法对弱层深度敏感度进行了分析，得出边坡稳定性系数并不是随着弱层的深度增加一直递减，而是递减到一定程度又随着弱层深度的增加出现递增，当该弱层位于10 煤底板以下20 m 处时，对边坡稳定性影响最大。

2）如果10 煤底板以下20 m 处存在弱层，对排土场边坡稳定性影响最大，为了保证在后期开采及内排过程中边坡的稳定，需要对弱层进行勘查及进行地下岩移监测，在内排土场下部布置3 条勘探线，共6 个钻孔用于弱层勘查，终孔位置为10 煤底板下30 m，在成孔后，采用人工地下位移监测装置进行地下位移监测。