魏家峁露天煤矿工作帮边坡滑坡机理研究

2021-10-05乔东亮张永贵郑开慧

露天采矿技术 2021年5期

乔东亮，张永贵，郑开慧

（北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

边坡稳定是露天采矿领域的重要课题。近年来，随着露天煤矿生产规模的不断增大、开采深度的逐渐增加，边坡稳定性问题也日益突出[1-3]。如国内宝日希勒露天煤矿采场西帮、胜利东二露天煤矿南帮、扎哈淖尔露天煤矿南帮等均曾发生大规模滑坡，严重威胁露天煤矿的安全持续生产[4-6]。

为了准确分析边坡稳定性，科学提出边坡防治措施，众多学者对露天矿边坡破坏模式、滑坡机理进行了大量的研究[7-9]。如陶志刚[10]等结合调查数据，利用深部滑动力监测预警结果，判断边坡滑坡成因及其破坏模式，并利用赤平极射投影法分析滑坡发生机理。常治国[11]等利用ANSYS 数值模拟，对典型的排土场边坡稳定性进行了分析，揭示了其坐落-滑移式边坡滑坡变形机理。赵建军[12]等采用物理模型研究滑坡地质力学模式。李禹霏[13]等利用自动化监测手段分析边坡稳定性。张金贵[14]运用数值模拟方法对魏家峁露天矿边坡的位移特征进行分析，并对剪应变和塑性区扩展进行了研究。

基于以上研究成果，综合利用滑坡区域地质条件分析、边坡变形自动化监测、数值模拟等方法，对魏家峁露天煤矿局部工作帮边坡滑坡成因进行分析，为制定局部工作帮滑坡治理方案提供科学依据。

1 工程概况

魏家峁露天煤矿位于准格尔煤田东南部，主采6#煤层为单一近水平厚煤层，煤层平均厚度18 m。剥离生产工艺为单斗卡车间断工艺，采煤生产工艺为半连续工艺，设计生产能力6 Mt/a。矿区大部分被第四系黄土和风积沙覆盖，局部梁顶或者冲沟处有基岩出露。

魏家峁露天煤矿2009 年开工建设，目前已形成工作帮、非工作帮、内排土场等边坡。其中，工作帮边坡上部黄土台阶高度为8 m，台阶坡面角为65°，下部岩石台阶、煤层台阶高度均为16 m，台阶坡面角为70°。随着露天煤矿工作帮的不断推进，工作帮边坡逐渐发生后缘下沉、前缘底鼓等现象，至2018 年10 月，工作帮1 112-1 120 m 水平台阶坡面有大量水与稀泥涌出，各台阶出现裂缝，并伴随台阶沉降，至11 月最大沉降量达2.5 m，沉降范围不断扩大，且下部台阶错落式沉降加剧。为了准确确定滑坡范围，科学确定滑坡治理方案，需要深入分析工作帮边坡滑坡机理。

2 滑坡区域地质条件

为了查明滑坡区域地下水位、弱层赋存等情况，在滑坡区域布置P-1、P-2、P-3 3 条勘探线，每条线上取2 个勘察孔，总计6 个勘察孔。勘察孔信息详见表1。

表1 勘察孔信息表

1）工程地质条件。通过工程地质勘察，确定滑坡区域地层自上而下分别为：粉砂、粉土、粉质黏土、强风化泥岩、强风化砂岩。粉砂为黄褐色，中密状态；粉土为黄褐色，干强度中等。粉质黏土呈现棕红色，具有可塑性，微小层理较发育；强风化泥岩呈现黄褐色，其硬度中等，节理、裂隙一般发育，泡水后软化较明显。强风化砂岩为杂色，其岩层较完整，在勘察过程中未被穿透。

2）水文地质条件。滑坡区域地下水主要靠大气降水补给和侧向补给，由于粉土、粉砂厚度影响，出现了孔隙含水层储水现象，然而地下水排泄主要以蒸发方式进行，因地下水埋藏较深，局部富水，形成典型的上层滞水，当隔水区域被破坏，地下水以泉的形式涌出，其水文地质条件较简单。

3）岩土体物理力学强度指标确定。根据现场勘察，利用实验室试验，并参考以往岩土力学试验，得出的岩土体物理力学强度参数见表2。

表2 岩体物理力学参数

3 边坡变形自动化监测

3.1 表面位移监测

在P-1、P-2、P-3 共3 条勘探线上共布置9 个GNSS 表面位移监测站，统计了2018 年11 月1 日至2019 年1 月4 日的监测数据，监测点累计位移值见表3，监测点累计位移曲线如图1。

图1 监测点累计位移曲线

表3 累计位移值

由表3 可知，点1、点2、点3、点4、点5、点6、点7 这7 个监测站的累计位移较大，且方位角均在31°～48°范围内，1 128 m 水平与1 144 m 水平上的4 个监测点的水平位移量大于1 160 m 水平上的3 个监测点，但1 160 m 水平上的3 个监测点的垂直位移较大。说明1 160 m 水平以上边坡滑动以坐落为主，1 128 m 水平与1 144 m 水平位置处边坡滑动以向临空面滑移为主。点4、点5 这2 个监测站位于滑坡范围之外。滑坡的主要滑动方向为北东方向。

此外，由图1 可知，2018 年11 月15 日之前工作帮边坡处于加速变形阶段，11 月15 日后工作帮边坡处于匀速变形阶段。

3.2 滑动层位监测

为了查明滑动层位，在滑坡区域的3 个剖面布置了6 个测斜孔，孔内安装测斜管，精确测定滑体内部水平位移。监测结果以P-2 剖面孔6 为例，孔6位移-深度曲线如图2。

图2 孔6 位移-深度曲线

根据测斜结果可知，孔3、孔6 测斜孔分别在孔口以下32、27 m 处，据此可以确定边坡滑动层面，其滑动层面是演化弱层，位于强风化泥岩与砂岩接触面之间，此处边坡处于临滑边界状态；此外，边坡内部发生了显著的剪切变形，边坡破坏模式可确定为剪切变形。

4 工作帮边坡破坏模式数值模拟

根据工作帮生产现状及剖面P-2 处的工程地质条件，建立数值模拟模型，模型长414 m，宽94 m，上覆砂土厚56 m。分析影响边坡稳定性的主要参数，运用极限平衡理论，对滑坡进行稳定性验算，获到不同参数下边坡的稳定性系数，分析参数间的敏感性以及对边坡稳定性的影响程度，获得滑坡抗剪强度指标的取值范围。

根据岩土体室内试验结果，基于滑坡处于临滑状态，运用有限差分计算软件，对滑坡抗剪指标进行反演分析，结合现场踏勘情况，坡脚出现了浸水泥岩弱层堆积情况，弱层呈淤泥状，出露情况类似一个极小型的冲积扇，在出露面没有堆积现象，而是极大程度的向四周散开，十分细腻，说明内摩擦角极小的情况，综合得出了合理的数值，弱层的黏聚力为14 kPa，内摩擦角6.5°。

工作帮边坡坐落滑移之后，在坡脚处形成了小范围底鼓，边坡变形最大位置位于演化弱层前缘坡脚处，工作帮边坡将沿弱层继续发生蠕动。边坡塑性区已经贯通，沿底板顺层滑动，坡体后缘圆弧剪切，目前边坡处于欠稳定状态，数值模拟结果与监测数据一致。