断层与弱层群作用下露天矿边坡最危险滑面确定

2022-07-01曹兰柱丁春健宋伟豪邢晓宇

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2022年2期

曹兰柱，丁春健，王东，宋伟豪，邢晓宇，周晶，尹立，林木

（1. 辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000；2. 国家能源平庄煤业（集团）有限责任公司元宝山露天煤矿，内蒙古赤峰 024076）

0 引言

露天矿特点之一是选址的确定性，即对地质条件无可选择，所以露天矿边坡稳定性受到断层、弱层等不良地质构造的影响.露天矿边坡稳定性变形破坏机制极为复杂[1]，已成为露天开采研究的难题.对含有多个顺倾断层、弱层边坡的破坏模式确定及稳定性的合理评价，对保障露天矿的安全生产和提高经济效益至关重要[2-3].近年来，众多学者对断层、弱层影响下边坡稳定性分析进行了一系列研究.李三川[4]采用极限平衡法对含有断层的露天矿边坡潜在滑面的稳定性进行计算，应用RFPA-SRM 数值模拟方法研究其滑坡机理，并提出治理方案.于文鑫[5]在分析软岩复合边坡弱面控制滑坡模式基础上，应用有限元软件ANSYS 分析含有弱层复合边坡的滑坡模式，得出最危险滑面，采用极限平衡法定量求出稳定系数，2 种方法相结合研究边坡稳定性.宋子岭[6]等综合应用极限平衡法、有限元强度折减法、有限差分强度折减法对含有多个顺倾弱层的边坡进行分析、模拟，得到坡体内含有多弱层的边坡的破坏模式与3 种方法稳定系数之间的关系.王东[7]等以黑山露天煤矿底帮边坡工程为背景，对其内有“Y”型顺倾弱层，提出留设煤柱和不留设煤柱设计方案，用二维方法设计后用数值模拟分析其三维效应.廖德武[8]等针对贵阳某滑坡实例，在分析滑体发育特征、变形特征，及形成机制分析基础上，应用极限平衡法和FLAC3D数值模拟法，对含有顺层软弱夹层的岩质边坡进行稳定性与滑坡形成机制分析.曹兰柱[9]等以扎哈淖尔露天煤矿含有顺倾弱层的南帮为工程背景，采用刚体极限平衡法和有限元应力法，分析边坡稳定状态，并采取减重、反压工程及设计合理的边坡形态后，通过监测数据对进行工程处理的南帮进行监测.

通过分析以上的研究成果可见，含简单地质条件的边坡稳定性研究大都基于理论分析方法展开，而含复杂地质条件的边坡稳定性研究主要采用数值模拟手段展开，但鲜有针对含有断层与弱层群的边坡稳定性、滑移模式和滑坡机理的研究.基于此，以元宝山露天煤矿二区东410 集水坑工程为依托，基于极限平衡法，提出一种断层与弱层群作用下露天矿边坡最危险滑面确定方法，并应用FLAC3D验证所提方法的正确性，研究断层与弱层群作用下边坡稳定性及其影响规律，用以指导该矿集水坑区段边坡稳定性计算与形态设计，实现安全生产，并为其他矿山出现的类似工程提供经验[10-11].

1 最危险滑面确定方法

在地质构造运动的不断作用下，岩体的完整性遭到破坏，从而呈现出不同工程级别的断层，复杂的地质构造增加了开采的技术难度和安全风险[12].边坡体内因断层的存在使原本连续的岩层被打断和发生错动，进而使边坡在发生破坏时的滑坡模式发生改变[13].边坡体内没有断层时，滑坡模式主要考虑为圆弧与弱层形成组合滑动；当边坡体内含断层，且断层与弱层相交时，断层有可能作为滑面的一部分.因此受断层影响部分的岩体滑坡模式为“断层+圆弧+弱层”滑动，不受断层影响的岩体滑坡模式为“圆弧+弱层”组合滑动[14].含有断层的滑坡模式见图1.

图1 有断层时圆弧滑面与断层组合滑坡模式示意Fig. 1 schematic diagram of landslide model of circular arc slip surface and fault combination when there is a fault

有断层作为滑体滑面一部分时，滑面的寻找方法步骤如下.

步骤1忽略坡体内有断层的存在，在平盘给定后缘出露位置处搜索滑面，并计算滑面稳定系数.

步骤2当搜索出的滑面与断层不相交时重复步骤1.

步骤3当搜索出的滑面与断层相交时，保留此滑面，应用剩余推力法计算断层、圆弧和弱层组合时形成滑面的稳定系数.

步骤4分别在不同平盘给定不同后缘出露位置，重复步骤1～步骤3，直到计算出的断层、圆弧和弱层组合时形成滑面的稳定系数最小时为最危险滑面.

2 工程应用

2.1 边坡工程地质条件分析

依据现场剥采工程现状和工程地质补勘（补堪钻孔号为2018-EBK9-1、2018-EBK9-2、2018-EBK9-3），确定采场东帮410 集水坑区段边坡发育F露9和F1两条与边坡倾向一致的断层，具有切割深度较大、倾角高的特性.坡体地层倾向坑内，倾角在6°～12°变化，一般为8°，主要岩性为砂岩、泥岩及煤.坡体内发育有4 个顺倾软弱夹层（自上而下编号为①号弱层、②号弱层、③号弱层、④号弱层），产状与岩层一致，为层间结构面；呈层状分布，延展性强；弱层中软弱物质在构造及地下水作用下，易软化、泥化，强度降低，对岩体稳定不利.边坡体内地层岩性、断层和弱层分布见图2，各地层岩体的物理力学指标见表1.

图2 边坡体内地层岩性、断层和弱层分布Fig.2 stratum litho logy, fault and weak layer distribution in slope body

表1 岩土体物理力学参数Tab.1 physical and mechanical parameters of rock and soil

2.2 安全储备系数选取

元宝山露天矿东帮剥采工程不断推进，开采深度不断增加，东帮将具备内排条件，需要逐步展开内排作业.内排作业将导致东帮的暴露时间缩短.由现场资料可见，东帮发生过多次的变形与滑坡，一旦出现滑坡，集水坑随之损坏，非工作帮所有第四系残余水会直接、持续地涌入采场，水量巨大不可控制，生产出现停滞，甚至造成淹坑，波及坑内人员的安全和设备的正确使用.因此，参照《煤炭工业露天矿设计规范》（GB50197-2015），确定元宝山露天煤矿采场东帮边坡的安全储备系数为1.25.

2.3 最危险滑面确定与稳定性计算

边坡稳定性分析方法较多，极限平衡法理论完善、物理意义明确[15]，可对被评价边坡给出确切的稳定系数，应用广泛[16]，但对计算前边坡破坏模式确定有要求.依据所提出分析边坡稳定性的滑坡模式，选用极限平衡法中的简化Bishop 法和剩余推力法作为计算方法.

对集水坑区段边坡进行稳定性分析时，结合边坡体内断层与弱层群赋存位置与形态，考虑13 种滑面位置与形态，每一个潜在滑坡区段都进行多个危险滑面的搜索，以确保获得最危险滑面，具体方案与稳定性计算结果见表2.

表2 东帮边坡稳定性评价结果统计Tab.2 statistical of evaluation results of east slope stability

图3为不同滑面位置与形态条件下的最危险滑面稳定性计算结果.

图3 不同滑坡模式下的边坡稳定性极限平衡分析结果Fig.3 results of limit equilibrium analysis of slope stability under different landslide modes

分析图3 可知，边坡体内含有断层、顺倾弱层等软弱结构面，岩体的完整性受到破坏，从而使岩体松散，并且在剥采工程开挖卸载作用下，进一步降低集水坑区段边坡的稳定性.当发生以圆弧切过地层，并以④号弱层为底滑面的组合滑坡时，集水坑区段边坡的稳定系数为1.27，满足边坡所需安全储备系数1.25 的需求.集水坑区段边坡体内4 个弱层中，边坡稳定性主要受④号弱层影响，所以在进行此区段集水坑工程建设时，应针对④号弱层制定相应的防滑措施[17]，以保证工程的实施和集水坑的使用年限.

3 最危险滑面位置与形态合理性验证

极限平衡法在分析边坡稳定性中需要人为确定滑坡模式[18]，且需要经过多次对滑面的搜索才能最终确定最危险滑面形态和位置[19]，而FLAC3D模拟则不需要对滑体破坏面形状和位置做出假设[20].为验证所提出的边坡体内含断层与弱层群边坡最危险滑面确定方法的合理性，采用FLAC3D软件，应用强度折减法对含断层与弱层群边坡破坏模式进行数值模拟，以弥补极限平衡法分析边坡稳定性在确定边坡滑坡模式的不足.稳定性分析模型的几何尺寸和网格划分见图4（a）.模型宽30 m，长635 m，高167 m，为保证数值模拟所需时间和计算精度，模型不同部位疏密程度不同，基底、岩层和弱层（断层）分别以20 m、10 m 和5 m 为步距划分计算单元[21].对模型边界的约束设置如下：模型两侧和底面施加约束为不自由边界，顶部和坡面为自由边界，加载方式为自重加载.