抚顺西露天矿软硬岩互层反倾岩体边坡稳定性分析及治理

王凤林 王东明 杨天鸿 吕 斌 高 源 邓文学 纪玉石 王雪峰

(1.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司,河北 唐山 063701;2.东北大学资源土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;3.煤炭科学研究总院抚顺分院,辽宁 抚顺 113001;4.抚顺矿业集团有限责任公司西露天矿,辽宁 抚顺 113001)

随着矿山资源的长期开发,国内外许多露天矿山已进入深部开采阶段[1-3],因此高陡边坡的稳定性评价已成为边坡工程的核心问题[4]。不同岩性的边坡治理难度、方案不同。软岩边坡是我国露天煤矿广泛存在的一种特殊岩质边坡[5-6],因其具有大孔隙度、低强度、遇水强度急剧下降、膨胀性高等物理力学特点,导致软岩边坡的稳定性分析及治理成为工程难题[7-8]。目前边坡稳定性分析方法主要包括定性分析、定量分析和非确定性分析3类。定性分析方法是以地质成因演化论、工程地质类比法及岩体结构理论为基础[9-10],该方法往往受工程经验约束,结果可靠性不强。定量分析方法是目前边坡工程中的主流分析方法,其中刚体极限平衡是定量分析中最常用的方法。随着数学方法的快速发展,刚体极限平衡已经从二维发展到了三维,我国许多学者作出了突出贡献[11-13]。刚体极限平衡法往往对于均质边坡计算效果较好,复杂岩质体的计算结果往往与实际相差较大。非确定性分析方法受边坡岩性、地质构造及环境影响,造成边坡的渐进破坏与理论模型有一定的差距[14]。郑颖人等[15]指出边坡的稳定性分析、参数选用至今仍是一大技术难题,特别是岩质边坡尚缺乏实用的分析方法。

综上所述,虽然许多学者对于边坡稳定性分析方法进行了大量研究,但是参数选取往往是由工程类比或者工程经验得到,很少从岩性特征入手展开分析。边坡的局部滑坡可作为原位试验,结合岩体力学参数反演方法及理论[16]可得到符合实际的力学参数;一些学者也做了详细的边坡稳定性分析,但是未能提出富有成效的治理方案,导致分析结果的工程实践指导意义不足。本研究以抚顺西露天矿北帮E1000勘探线两次大型滑坡为工程背景,分析上下两个楔形体滑坡机理,采用强度折减理论验算刚体极限平衡的反分析方法反演岩体抗剪强度参数,据此计算不同治理方案对应的边坡稳定性,进而设计出最优治理方案,为闭坑后的矿山边坡治理提供理论依据。

1 局部滑坡机理分析

1.1 滑坡概况

1.1.1 下部楔形体

2014年9月抚顺西露天矿北帮E900～E1200勘探线附近发生了楔形体大滑坡,顶部标高-80 m,底部标高-252 m,绿色泥岩底部标高-220 m。南北宽约300 m,东西宽约300 m,高差178 m,滑体厚度达40 m。由于上部泥岩滑移导致底部油母页岩发生的剪切破坏滑移面积约10 m2。滑坡现场照片及对应的剖面如图1所示。

图1 抚顺西露天矿北帮E1000勘探线下部楔形体滑坡Fig.1 Wedge landslide under E1000 exploration line in the north slope of Fushun West Open-pit Mine

1.1.2 上部老滑体

2016年7月25日晚,抚顺地区遭遇重现期50 a的暴雨侵袭(降雨量近200 mm),次日5∶00西露天矿北帮发生局部滑坡。滑坡后缘为矿坑北部地表运输部车库,标高为+75 m,前缘剪出位置位于12段下部台阶,标高-25 m附近,南北宽约300 m,高差110 m;东西边界分别在E800线和E1300线附近,东西宽约500 m,滑坡体面积约为15万m2。前缘滑舌掩埋了底部12、14段干线,导致东露天12段、14段内排电铁线路、西端帮汽车运输公路和兴平公路全部中断,严重影响了东露天矿电铁内排和西露天矿东区上部排土,同时对采区正常生产也造成了较大影响(图2)。

图2 抚顺西露天矿北帮E1000勘探线上部老滑体Fig.2 Old landslide on the E1000 exploration line in the north slope of Fushun West Open-pit Mine

1.2 滑坡机理

(1)下部楔形体滑坡机理。抚顺西露天矿北帮边坡-80m平台以下边坡较陡,倾角约38°,-80m平台以上边坡较缓,倾角约21°,岩性为40多层绿色泥岩和褐色页岩互层形成的沉积岩地层。其中,褐色页岩为透水层,绿色泥岩为隔水层,地表降雨和地下水浸入透水层之后无法穿过绿色泥岩,在接触面形成泥化夹层,泥化夹层又具有很好的隔水效应,致使边坡形成40多层软硬相间的地层。此外,经过物探研究发现坡表50 m以内岩体渗透性明显高于深部,表明北帮边坡存在厚约50 m的风化卸荷带,导致坡表40多层泥页岩块体的抗剪强度远低于深部,部分褐色页岩沿切层剪出。在汛期楔形滑坡体左侧的F5断层发生的活化破碎程度加剧,右侧发育较好的穿层节理裂隙(图1)在水压力下开度增加,形成宏观裂隙并贯通,楔形体两端约束解除,下部块体受自重和上部岩块推力作用沿着切层剪出,同时为上部岩体腾出自由空间,上部产生岩体滑移,边坡失稳。

(2)上部老滑体滑坡机理。上半坡从几何特征看不易发生滑坡,但是受到以下多种因素影响发生了滑坡:①历史滑坡影响,在发生2016年大滑坡以前,已经发生过5次规模大小不一的滑坡,边坡岩体整体呈散体状态,稳定性较差;②该地段的历史滑坡均发生在解冻期和汛期,表明该地段对水的敏感程度较高,在发生滑坡前该地段已经历多次强降雨,上部白垩系砂岩受F1断层及周边次生断层影响,被分割成上宽下窄的倒三角体,在雨季时第四系冲积层水源和地表降雨汇合不断冲刷,同时边坡下部存在20世纪遗留的井工开采工程(如-447 m采区及-650 m采区),受地下采空区影响,边坡整体向南部临空面产生倾倒变形,导致边坡后缘被拉裂成多条自西向东的拉裂缝;③在雨季地表水和第四系冲积层通过北部拉裂缝浸入泥页岩互层中,导致整个散体含水率增加,容重增大,褐色页岩透水层中的内部裂隙贯通形成切层,将下部泥页岩互层分割成多个块体,边坡内部约束解除,边坡沿着切层产生剪切滑移破坏。

2 岩体抗剪强度参数反分析

本研究反分析以上述局部滑坡体为例,以抚顺矿业集团提供的E1000剖面建立数值模型,地下水位由辽宁省第十地质大队提供的钻孔水位数据得出,构建的数值模型如图3所示。

图3 E1000剖面反分析数学模型Fig.3 Mathematics models for E1000 profile back analysis

本研究通过Slope/w软件敏感性参数分析功能,反算上述楔形滑坡体在有水和无水情况下的抗剪强度参数组合。无水情况下,假设边坡在自重条件下处于极限平衡状态,边坡稳定性系数(安全系数)-抗剪强度组合关系如图4所示。分析图4可知:两处滑坡体主要岩性均为绿色泥岩和褐色页岩,考虑到同时反演两种岩性参数难度较大,且两种岩性交替出现多达40多层,反倾破坏模式为切层破坏,在进行边坡稳定性极限平衡分析时,采用两种岩性的平均岩体力学参数也可近似得到反倾多互层边坡的稳定性系数,故本研究将其简化为一种岩性。

图4 下部楔形体滑坡的抗剪强度参数敏感性关系曲线Fig.4 Sensitivity relationship curves of shear strength parameters of lower wedge landslide

基于强度折减理论模拟的不同内摩擦角φ、不同黏聚力c对应的边坡滑坡模式见表1。不同参数组合滑面形状与实际滑面对比如图5所示。从图5可以看出其滑坡影响规律与已有研究结果[16]相似,均质类边坡往往从坡脚剪出,且摩擦角越大,滑带厚度越薄,往往越接近坡壁破坏。同时可以看出140 kPa/22°和 130 kPa/23°组合所得的滑坡模式与现场实际最为接近。同时查阅文献[17-20],考虑边坡岩体表面风化、且存在50m左右的卸荷带等因素,本研究取值 φ=23°,c=135 kPa。

图5 不同参数组合滑面形状与实际滑面对比Fig.5 Comparison of slide surface with different parameters combination and actual slide surface

表1 不同c、φ值对应的滑坡模式Table 1 Landslide models with different c andφvalues

假设边坡处于饱水破碎情况下,受重力处于极限平衡时的边坡稳定性系数与抗剪强度的关系如图6所示。考虑到E1000勘探线上部老滑体受多次滑坡影响,坡表面风化严重,已经呈散体状态,且当时发生滑坡时遭遇了50 a一遇的大暴雨(200 m),进入汛期后,又历经多次强降雨,水对边坡的岩体浸水弱化严重,通过对西排土场破碎的泥页岩排土物料进行大量测试发现,北帮泥页岩处于破碎饱水状态时的摩擦角取值可参考排土物料自然安息角φ=16°,根据图6得出c=28 kPa。

图6 上部老滑体滑坡的抗剪强度参数敏感性分析曲线Fig.6 Sensitivity analysis curves of shear strength parameters of the upper old landslide

根据两次滑坡反分析情况的不同,本研究将φ=23°,c=135 kPa作为干燥条件下的岩体强度参数组合,将φ=16°,c=28 kPa作为浸水弱化后的强度参数组合。

3 边坡治理

3.1 边坡稳定性研究

抚顺西露天矿北帮临近抚顺市区,坑界50～500 m都有密集建筑物,结合《煤炭工业露天矿设计规范》(GB 50197—2015)相关规定,将北帮的稳定性系数设定为1.5,方可满足安全储备系数要求。

根据上文反分析获得的岩土抗剪强度参数,结合文献[19-25],汇总得到计算中使用的各种岩石力学参数取值(表2)。为了确保计算后的稳定性系数具有参考意义,本研究选择北帮潜在滑坡风险较高的E2200剖面构建数值模型进行后续分析(图7)。

图7 E2200剖面数值模型(单位:m)Fig.7 Numerical model of E2200 profile

表2 反倾边坡计算所用的材料力学参数Table 2 Mechanical parameters of materials used in calculation of reverse slope

北帮E2200勘探线边坡不同工况下的稳定性系数如图8所示。由图8可知:自然含水条件下的边坡稳定性系数为1.003,14段公路平台以下为最危险滑面(图8(a));疏干排水工程下稳定性系数达到1.102,没有孔隙水压力,边坡稳定性有所提高(图8(b));调整削坡角度为5°时的边坡稳定性系数为1.508(图8(c)),根据矿山资料得知削坡治理成本(约30元/m3)大致为回填成本(10元/m3)的3倍,抚顺西露天东西长约6.6 km,削坡治理成本较大,该方案仅做参考;放弃每年的疏干排水工程,靠人工降雨及第四系冲积层给矿区充水,依靠水压力对边坡施加约束力,但泥岩遇水弱化程度较大,安全系数为0.958(图8(d)),不满足要求。根据抚顺西露天矿工程地质背景,本研究提出了一种回填压脚—蓄水成湖的综合治理方案(图8(e)),蓄水标高为-40 m,通过计算安全系数可达到1.506。

图8 北帮E2200线不同工况下边坡稳定性系数Fig.8 Slope stability coefficients of E2200 line in north slope under different working conditions

3.2 边坡治理方案设计

抚顺西露天矿北帮为反倾层状凸边坡,凸点在-40 m标高,边坡角上缓下陡,为了提高下半边坡的稳定性,可用尾矿或废石等物料对矿坑底部整体回填至-148 m水平,-148～-40 m采用3个台阶分段内排。内排边坡角16°,单层台阶角30°,从-148 m开始第1个和第2个台阶段高40 m,第3个台阶段高28 m,平盘宽度90 m。考虑到北帮东北部有大量密集建筑物,人口密集,因此对E1000线往东进行局部削坡,加强东部边坡稳定性(图9)。该治理方案优势在于:不仅可以放弃每年的疏干排水工程,节约治理成本,还可以解决东露天矿外排土物料堆砌问题(方量计算结果见表3),在利用附近舍场废弃物的同时,实现占用土地的复用开发。矿坑及周边定位为生态化文旅康养功能区,采用回填压脚方式,形成错落有致的地表形态,为生态利用和景观设计奠定良好的基础。该方案已作为抚顺西露天矿后期边坡治理的一种较为可行的比选方案。

表3 初步设计方案工程量Table 3 Detailed quantities of the preliminary design scheme

图9 初步治理方案示意(单位:m)Fig.9 Schematic of the preliminary treatment scheme

4 结 论

(1)基于滑坡区域精细化工程地质勘查,揭示了抚顺西露天矿软硬岩互层反倾岩体边坡受局部构造影响发生的楔形体滑坡和倾倒变形—剪切滑移的变形机理。具体表现为:E1000勘探线下部汛期降雨导致F5断层构造活化、穿层裂隙开度增加和内部裂隙贯通,构造在边坡上形成的楔形体被分割成块,褐色页岩透水层内部约束解除,岩体整体抗剪强度下降而发生楔形体滑坡;上部老滑体滑坡受地下水、强降雨和地下井工开采等因素影响,北部F1断层和破碎带处发生拉裂,边坡向南部倾倒变形,在50 a一遇暴雨诱发下,边坡整体发生剪切滑移。

(2)采用极限平衡法与强度折减数值模拟相结合以及模拟破坏模式与实际破坏模式相对应的方法,反演得出北帮泥页岩互层干燥时的岩体抗剪强度参数为φ=23°,c=135 kPa,饱水状态的抗剪强度参数为φ=16°,c=28 kPa。对滑坡风险较大的E2200剖面进行了多种防治方案下的边坡稳定性分析,验算了回填压脚—蓄水成湖治理方案对应的边坡稳定性系数可达到1.506左右。根据治理方案的可行性分析,设计了针对抚顺西露天矿工况的边坡治理方案。

(3)本研究对于软硬岩多互层的简化尚有不足之处,下一步将建立各向异性的力学本构模型并结合损伤力学理论建立适用于该类滑坡机制的数值模型和模拟方法。