平朔东露天矿含软弱夹层高陡边坡变形破坏机理及治理措施

高伟程

（中国石油天然气管道工程有限公司 沈阳分公司，辽宁 沈阳 110031）

随着我国露天煤矿开采深度不断增加，高陡边坡日趋常态化，高陡边坡问题日渐突出，高陡边坡稳定性成为制约安全与经济的关键因素之一[1]。而软弱夹层是地层岩体中的非连续性面，其物理力学性质较差，往往是造成边坡滑坡主要因素之一[2-3]。因此，探讨含软弱夹层高陡边坡变形破坏机理，有利于高陡边坡稳定性研究及危险边坡治理。目前，国内外专家学者对露天边坡已经进行了一系列研究。例如吕金星等[4]以胜利露天煤矿边坡为例，基于数值模拟分析边坡渐进性破坏，研究表明岩石的流变特性引起边坡渐进破坏，最终导致滑坡；陶志刚等[5]基于高陡边坡物理模拟试验，确定边坡滑坡时内部应力破坏规律及NPR 锚索力学特性，并证实NPR 锚索具有超前预警功能；何怡等[6]以四川某含弱层高边坡为研究对象，基于应变软化M-C 模型分析矿山边坡渐进破坏过程，明确弱层含水量对边坡破坏的影响；范昊天等[7]以苏州某矿区滑坡区为研究对象，基于颗粒流离散元法建立PFC 边坡模型，分析含软弱夹层岩质边坡破坏机理及滑动时应力状态，为边坡治理提供理论基础。

1 矿山概况及物理力学参数

基于平朔东露天矿以往勘探资料，得出露天矿南帮主要岩性有砂岩、泥岩、泥砂岩互层、粉质黏土、煤层及弱层。其中弱层由富含高岭土等黏土矿物组成，在地下水的长期浸润下，力学强度极低，严重影响边坡稳定。同时根据现场情况，在底部1245 台阶上有明显错动迹象，在上部1 345 m 水平有裂缝显现，存在边坡发生大规模滑坡的危险。

根据矿区工程地质条件、以往地质钻孔资料、滑坡反分析及节理化强度分析，以初步设计为依据，构建典型工程地质模型，其地层依次为粉质黏土、泥岩、泥砂岩互层、砂岩、弱层、泥岩、煤等，如图1，相关岩土力学参数推荐值见表1。

图1 典型工程地质剖面

表1 岩土力学参数推荐值

2 变形破坏机理

露天边坡工程是一门复杂的涉及多学科的边缘学科，其集采矿、安全、地质、力学等为一体[8]。露天边坡失稳通常受多因素影响，其稳定性研究极为复杂而且十分困难，不仅寄托于理论学科研究，还应结合实践的积累。通常采用物理模拟（相似实验）、边坡监测（GNSS、雷达监测等）和数值模拟（有限元、有限差分等）3 种研究方法，结合理论分析及现场实际情况得出边坡变形破坏机制和规律[9]。

2.1 数值模拟模型的建立

利用有限元软件，构建典型剖面数值模拟模型，相关物理力学参数见表1。采用位移边界条件进行模型约束，固定x=0 和x=474 2 个面x 方向位移，固定y=0 和y=100 2 个面y 方向位移，固定底面z=0竖直方向位移，顶面为自由边界条件，介质的弹塑性状态采用理想的摩尔-库伦弹塑性模型描述，用以保持受力体系的平衡。

对典型剖面进行数值模拟计算，高陡软弱夹层边坡水平方向位移云图、总位移云图、剪应力云图及剪切应变增量云图如图2～图5。

图2 水平方向位移云图

图3 总位移云图

图4 剪应力云图

图5 剪切应变增量云图

由图2 和图3 可知，边坡呈现上部第四系沉降，下部沿弱层剪出，总位移最大约0.256 m，发生在第四系黏土层区域，水平最大位移量约0.218 m，发生在弱层上方+1 355～1 380 m 水平。由图4 可知，弱层上部1 355～1 380 m 水平出现明显应力集中，表现为拉应力，总体呈应力剪出状。由图5 可知，边坡剪应变增量较大的位置主要集中在+1 355 m 水平弱层位置，尚未见贯通。综上，南帮边坡潜在滑移面是由切层岩体和软弱夹层面组成的复合滑面，即南端帮边坡的破坏模式主要为沿弱层滑动的“坐落-滑移式”。

3 边坡稳定性

选取极限平衡理论体系分析边坡稳定性[10]。依据“露天煤矿工程设计规范”相关规定，矿区非工作帮临时性边坡稳定系数Fs取值范围为1.00～1.20，根据矿区地质资料、边坡边坡现状及南帮边坡对露天矿的作用，本次选取安全储备系数为1.10。根据所建立的外排土场典型工程地质剖面图，岩土体物理力学指标推荐值见表1，利用Morgenstern-Price 法分析外排土场边坡稳定性，稳定分析结果如图6。

图6 稳定分析结果

根据典型剖面边坡稳定计算结果可知，边坡稳定系数为1.01，边坡处于极限平衡态，正在蠕动变化，易发生滑坡事故。

4 边坡治理措施

鉴于南帮上部1 345 m 水平有裂缝显现的现状，为防止出现坡顶裂隙与弱层贯通，造成边坡滑动。考虑露天矿地质条件、矿区现状、治理的迫切性、施工费用经济性及施工安全性，选削坡减载治理为主，GNSS 监测为辅的治理设计方案。

4.1 削坡减载

治理工程涉及+1 320～+1 380 m 水平范围，削坡减载治理方案设计主要原则为：在开采境界内，保障上部运输道路完整，保障上部供电系统、其它设备位置不变，保障+1 350 m 水平运输道路宽度不小于40 m，同时确保上部松散第四系黄土稳定。

以现状边坡特征为基础，参考矿区初步设计，同时结合边坡现场实际条件，选取单台阶角度为55°，设计边坡整体南移10、15、20、25、30 m，治理设计曲线如图7。

图7 治理设计曲线

根据图7 计算结果及南帮安全储备系数要求，确定南帮最优削帮方案为南扩25 m，单坡面角55°，稳定系数1.110，满足安全储备系数要求。同时可知，该设计方案下南帮单剖面开挖量约455 m2，其中土方量273 m2，岩石182 m2。

4.2 GNSS 监测

为确保南帮边坡的长治久安，保证矿区正常生产作息安全，需建立健全“矿山边坡监测控制系统”，保证边坡实时在线监测与控制，避免“为了监测而监测”或“只监不控”局面的继续，故在边坡变形区建立在线边坡监控系统（GNSS 边坡监控系统），对监测点进行数据采集分析，绘制速度监测成果，治理前位移曲线图如图8。

图8 治理前位移曲线图

由图8 可知，变形区范围内DLT-01～DLT-04监测点日均位移处于20.36～29.43 mm/d。未出现明显加速阶段，边坡处于蠕动变形阶段与现场实际情况相符。GNSS 监测系统可进行有效解算、处理与分析，能够形成相应的位移数据曲线，为边坡“临滑预警”提供基础数据支撑。

5 结语

1）基于数值模拟分析可知，平朔东露天矿边坡变形破坏机理为沿软弱夹层的“坐落-滑移”式破坏模式。水平最大位移量约0.218 m，发生在弱层上方+1 355～1 380 m 水平。

2）基于现场勘查及极限平衡法可知，南帮现状边坡处于极限平衡状态，并正在蠕动变形，亟需开展边坡治理工程。

3）综合考虑各种治理措施，针对南帮现状提出：以削帮减载为主，GNSS 监测为辅。治理设计边坡稳定系数为1.10，满足安全储备系数要求；GNSS 监测系统，监测现状边坡变形速率约为0.025 m/d，需要尽快推进治理方案。