露天矿非工作帮红黏土顺层边坡稳定控制对策

陈再明，罗 霄,2,3，白润才

（1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

红黏土是碳酸盐岩系出露的岩石经过复杂的物理风化、化学风化、红土化地质作用而形成的棕红、褐黄等色的高塑性黏土.作为一类对气候条件变化极为敏感的土，具有天然含水质量分数高、液塑限大、孔隙比高、密度低、上硬下软、干缩开裂、遇水弱膨胀等特殊的物理性质[1-3].随着红黏土影响区域在工程建设活动中的日益增加，引发边坡、基坑和地基的失稳问题逐渐凸显.工程实践证明，红黏土边坡的稳定性极差，长期暴露在自然环境下极易发生失稳破坏，严重影响施工进度和矿山生产安全[4].鉴于此，本文依托山西平朔东露天矿北帮红黏土边坡稳定控制工程实践，在工程地质勘查的基础上评价和预测红黏土对边坡稳定性的影响程度，结合现场实际情况，提出有针对性边坡稳定控制措施并进行对比和优化分析，研究成果对提升矿山经济效益、保证安全高效生产具有实际意义.

1 研究区域工程地质概况

平朔东露天矿位于山西省朔州市，矿区范围东西长4.42～5.47 km，南北宽6.53～10.3 km，总面积约48.73 km2，地质储量1 848.92 Mt，设计生产能力为 20.0 Mt/a，剥离采用“单斗-卡车”开采工艺，采煤采用“单斗-卡车-半固定破碎站-带式输送机”半连续开采工艺.勘查结果表明，东露天矿北帮中部标高1 300～1 400 m位置为红黏土集中赋存区域.红黏土具有吸水性强、抗剪强度受水体影响明显的特点[5].勘查结果表明，该区域红黏土与岩层的接触面整体呈“下凹形”，最低点处红黏土厚度为105～120 m，岩土分界面与边坡面顺倾，倾角为5°～6°.红黏土天然含水质量分数为11.1%～42.4%，天然密度为 1.49～2.41 g/cm3，内摩擦角为 9.9°～28.9°，一般呈红色、棕红色，垂直节理发育，可见颗粒状结构，结构面可见黑色铁锰质结核，局部含钙质结核.岩土接触面的产状、空间展布情况、岩性构成特征、物理力学性质等因素决定了该区域边坡的整体稳定性较差，边坡屡次发生局部崩塌破坏.随着下部煤系地层台阶陆续靠帮，北帮边坡整体高度和暴露时间逐渐增大，在降雨入渗、爆破振动等因素的共同作用下，上部坡体是否会沿顺层岩土接触面发生大范围蠕滑失稳直接影响东露天矿的安全高效可持续发展.

选取北帮红黏土影响区域边坡典型剖面DLT-BB-1904，基于已有工程地质调查测绘与无人机航测成果，采用3Dmine矿业工程软件建立边坡典型工程地质模型见图1.模型长度为540 m，高度为140 m，上部红黏土台阶总数为5级，高度约为70 m，岩土分界面顺倾角度为6°.边坡下部地层主要由粉砂岩、中粒砂岩和砂质泥岩组成，岩体结构比较完整，节理裂隙较发育，整体边坡角为31°.

图1 东露天矿北帮红黏土影响区域典型工程地质模型Fig.1 typical engineering geological model of area affected by red clay in north side of the east open-pit Mine

2 边坡变形破坏模式与稳定性分析

2.1 边坡变形破坏模式的数值模拟

应用FLAC3D有限差分数值计算软件，构建东露天矿北帮中部红黏土顺层边坡典型剖面数值分析模型，通过模拟计算并分析边坡水平位移场、竖直位移场和切应变增量等值阴影图，确定边坡潜在滑动部位、滑面形状和破坏模式，并在此基础上合理评价边坡稳定性.

（1）分析模型构建

基于本次工程地质勘查成果，结合研究区域地层结构与地貌特征，考虑红黏土层、岩层顺倾等因素边坡稳定的影响，选取工程地质典型DLT-BB-1904构建数值分析模型，研究极限状态条件下北帮边坡破坏模式，模型沿边坡倾向长度为540 m.所建模型见图2.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.计算中的岩体采用理想弹塑性本构模型Mohr-Coulomb屈服准则描述[6-7].

图2 DLT-BB-1904数值分析模型Fig.2 DLT-BB-1904 numerical analysis model

（2）计算参数选取

通过对以往东露天矿及周边矿山已有岩土体物理力学性质试验成果进行收集、整理、归纳和分析，同时结合边坡实际片帮、崩塌情况开展岩土体力学参数的反演分析，最终获得本次研究所需的岩土物理力学性质指标见表1.

表1 岩土体力学性质参数Tab.1 parameters of mechanical properties of rock and soil

（3）计算结果分析

研究剖面边坡剪应变增量见图3.增量较大的位置主要集中在红黏土台阶坡脚位置，由于边坡顺倾角度有限，岩土接触面内部剪应变增量不明显，最大值约为0.137.研究剖面边坡水平位移与竖直位移见图4和图5.由图4可知，端帮上部红黏土边坡易发生两级台阶为一组朝向临空面的滑动，尤以最上部两级台阶的组合滑动最为明显，最大值约为2 m.由图5可知，各红黏土台阶坡顶岩土体均存在明显的向下移动，尤以最上部的黄土台阶最为明显，最大值约为1.18 m，而坡脚位置存在明显隆起，最大值约为0.79 m.综合分析表明，东露天矿北帮红黏土顺层边坡变形破坏模式为红黏土台阶内部的圆弧滑动.

图3 DLT-BB-1904剖面边坡剪应变增量Fig.3 slope shear strain increment of section DLT-BB-1904

图4 DLT-BB-1904剖面边坡水平位移Fig.4 DLT-BB-1904 section slope horizontal displacement

图5 DLT-BB-1904剖面边坡竖直位移Fig.5 vertical displacement of the slope of DLT-BB-1904 section

2.2 基于GEO-SLOPE的边坡稳定性分析

基于北帮典型工程地质模型，在边坡变形破坏模式分析的基础上，采用 Geo-studio极限平衡分析软件进行建模.分析采用广义极限平衡法[8]，计算过程中综合考虑以下因素：① 选取最危险滑面位置（滑动面位置是计算程序自动搜索得到的最危险滑面位置）的安全系数作为计算结果；② 综合考虑软弱夹层、降雨和裂缝对边坡稳定性的影响.广义极限平衡法考虑了其他各种方法涉及的关键因素，基于两个平衡方程得出的安全系数.一个安全系数由力矩平衡给出，另一个由水平方向力平衡给出，并且允许条带间法向力和切向力的变化.

广义极限平衡法通过力矩平衡计算得到的安全系数为

通过水平力平衡得出的安全系数为

式中，c′为有效凝聚力，kPa；φ′为有效内摩擦角，°；U为孔隙水压力，kPa；N为条带底部法向力，N；W为条带重量，kN；D为线载荷，kN/m；α为条带底部倾角，°.

采用极限平衡分析方法对红黏土区域影响条件下的边坡稳定性进行分析评价，安全储备系数是评价边坡稳定性的一个重要指标，直接关系到矿山生产的经济性与安全性《.煤炭工业露天煤矿设计规范》6.0.8条明确规定了边坡稳定性安全系数Fs的选用范围[9].结合东露天矿非工作帮服务年限一般小于10 a的具体情况，选取安全储备系数Fs为1.2，即当Fs小于1.2时，被认为边坡稳定性不满足要求.

计算结果见图6.由图6可知，边坡上部红黏土台阶局部稳定系数Fs为 1.157，稳定性不满足要求，分析原因主要如下：① 受雨季降水影响，红黏土吸水基本达到饱和，孔隙水压力消散速率较慢，土体抗剪强度显著降低，又由于局部红黏土单台阶高度和坡面角过大，最终导致蠕滑变形甚至失稳；② 降雨逐渐由地表入渗至土岩接触面，导致土岩接触面抗剪强度急剧下降，当接触面岩土体抗剪强度不能抵抗上部土体提供的下滑力时，红黏土台阶整体沿土岩接触面发生顺层滑动.由于北帮边坡下部作业设备和人员集中，倘若红黏土台阶发生失稳，后果不堪设想.

图6 北帮边坡稳定性分析结果Fig.6 results of stability analysis of northern slope

3 边坡稳定治理方案及对比分析

根据露天矿边坡服务年限的长短，将边坡分为临时性边坡与永久性边坡，不同性质的边坡防治技术也不相同.常见的防治措施有内排措施、削坡和压脚、预应力锚杆、锚杆挡墙、抗滑桩等方式.国内许多学者采用工程实践和模拟研究相结合的方法对以上控制措施进行对比分析，结果表明，坡脚反压与削坡减重可以主动有效地防治边坡失稳变形，研究成果在许多露天矿成功运用[10-13].例如，平朔矿区安家岭露天矿运用坡脚反压与削坡减重相结合的方法成功解决了 2002年北帮受井工开采影响引起1 280 m和1 310 m平盘沿弱面发生大范围的技术难题，在保证安全的前提下，实现了煤炭资源的高效生产[12].基于现场实际情况，综合考虑北帮含红黏土边坡的稳定性较差，提出采用削方减载、反压坡脚两种治理方案.

3.1 坡脚反压

坡脚反压是在滑坡前缘抗滑段及其以外回填土石增加抗滑力的工程措施.回填压脚的作用原理，就是增加抗滑力而稳定滑坡，实际上也是一种支挡工程.根据红黏土边坡可能沿土岩接触面发生坐落式“圆弧-顺层”组合滑动的特征，充分利用露天矿得天独厚的内排优势，实现内排快速跟进、及时反压.优化分析结果表明，能够确保红黏土边坡稳定的反压标高至少应为1 390 m，此时典型剖面红黏土边坡稳定系数Fs由最初的 1.157提高至1.215，满足安全储备系数的要求.具体坡脚反压方案的分析模型及效果见图7.

图7 坡脚反压措施对东露天矿北帮边坡稳定的控制作用分析模型Fig.7 analysis model of control effect of slope foot back pressure measures on slope stability of north side of the East Open-pit Mine

3.2 削方减载

削方减载是在滑坡体的上部主滑段和牵引段挖去部分滑体，减小滑动力的工程措施.采用极限平衡分析方法对最小削坡范围进行优化分析，结果表明：最小削坡范围是将1 425 m平盘向后削坡48 m，同时将1 400 m平盘向后方削坡27 m，1 425 m平盘沿边坡走向削坡长度为300 m，1 400 m平盘沿边坡走向削坡长度为200 m，削方工程总量为44万m3，经过削坡减载处理过后红黏土边坡局部安全系数由原来的1.157提高到1.223，满足安全储备系数Fs大于1.2的要求，具体削方减载方案的分析模型及效果见图8.

图8 削方减载措施对东露天矿北帮边坡稳定的控制作用分析模型Fig.8 analysis model of control effect of cutting square and load reduction measures on slope stability of the north side of East Open-pit Mine

3.3 方案比选

坡脚反压和削方减载两种方案均能将安全系数提高到安全范围内，均能满足《煤炭安全规程》、《煤矿安全生产标准化考核定级办法试行）》和《煤矿安全生产标准化基本要求及评分办法（试行）》中的相关规定，削方减载需要剥离的工程量约44万m3，支出费用约1 000万元，成本花费较高，同时在1 400～1 425 m平盘安置设备困难，实际可操作性不强.相比而言，在具备条件的情况下，坡脚反压方案仅需要很少的工程量，而且在保证边坡稳定的同时，缩短了排土运距，在一定程度上节约了生产成本，综合考虑经济效益、现场生产实际和工程组织等因素，最终推荐采用坡脚反压措施.

4 结论

（1）由于红黏土具有天然含水率高、液塑限大、遇水易软化的特点，在岩层面与边坡面顺倾的情况下，红黏土将会对露天矿边坡的稳定性造成很大威胁，不利于矿山的安全生产.

（2）采用FLAC3D数值分方法对东露天矿北帮红黏土边坡变形破坏模式进行了模拟研究，通过对比分析边坡水平位移场、竖直位移场和剪应变增量等值阴影图，认为红黏土影响条件下端帮边坡的变形破坏模式为红黏土台阶内部的圆弧滑动.

（3）采用极限平衡分析法对赋存红黏土的北帮边坡进行稳定性分析计算.结果表明，1 360～1 440 m台阶的安全系数为1.157，不满足安全储备系数的要求，结合现场实际情况，提出坡脚反压和削方减载两种较为合理可行的方案，两种方案均能使边坡的安全稳定系数提高到安全范围内，综合经济合理性、实际水文地质条件等因素，经过对比分析，推荐使用坡脚反压治理方案，既可以提高端帮边坡的稳定性又可以增大露天矿排土量，缩短排土运距，对露天矿安全生产具有重要实际意义.