李曉俊，劉干，曹宇

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

弱層邊坡穩(wěn)定分析及治理措施

李曉俊，劉干，曹宇

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

通過邊坡勘察及室內(nèi)試驗，查清邊坡的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，尤其是軟弱層情況，對弱層邊坡進行穩(wěn)定性分析評價，并提出相應(yīng)的治理措施，保證露天煤礦安全生產(chǎn)。

露天礦；邊坡勘察；軟弱層；邊坡穩(wěn)定分析；治理措施

0 引言

隨著采剝工程的進行，哈密露天煤礦采場降深到50 m左右時，采場南、北端幫上部均出現(xiàn)了數(shù)條平行邊幫的裂縫，初步分析認為，邊坡穩(wěn)定性較差，可能存在弱層。隨著采礦工程的進行，端幫逐步到界，邊坡形態(tài)向高陡趨勢變化，存在滑坡風險，對哈密露天礦邊坡進行穩(wěn)定分析并提出相應(yīng)的治理措施。本次邊坡穩(wěn)定性研究工作從邊坡工程地質(zhì)勘察入手，對獲取的巖心進行詳細的巖土物理力學試驗，為邊坡穩(wěn)定分析及治理提供依據(jù)。

1 邊坡勘察及室內(nèi)試驗

勘察主要目的是查明邊坡工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，尤其是弱層情況，為邊坡穩(wěn)定分析提供支撐?？辈靺^(qū)域為露天礦南北兩端幫，垂直邊坡方向各布置1條勘探線，南幫剖面3個鉆孔，北端幫剖面4個鉆孔。

根據(jù)鉆探資料，地層巖性主要由泥巖、砂巖組成，泥巖主要為隔水層，砂巖主要為含水層，隔水層與含水層互層。地層整體來說呈北高南低發(fā)育，南幫為反傾坡面，北幫為整體反傾、局部順傾坡面。

巖土體力學參數(shù)的獲取是邊坡穩(wěn)定性評價的必要條件，通常巖土體力學參數(shù)的確定可以采用類比法、反分析法、試驗法等手段獲得，而試驗法是最基礎(chǔ)的方法，也是其它使用方法的基礎(chǔ)。本次邊坡勘察進行鉆探取樣，進行巖土物理力學實驗，力求獲得較真實的邊坡穩(wěn)定性評價所需數(shù)據(jù)[1]。

2 影響邊坡穩(wěn)定因素及滑坡機理

影響哈密露天礦邊坡穩(wěn)定性的因素很多，這些因素可分為2類[2]：

1）巖石的礦物組成、巖體中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（如層面、斷層、節(jié)理、片理等的性質(zhì)和產(chǎn)狀）和構(gòu)造應(yīng)力，它們是邊坡巖體自身所固有的，是影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)因。礦區(qū)內(nèi)存在多層泥巖軟巖層，是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)在因素。

2）水文地質(zhì)條件、采礦工程活動、爆破震動、風化等，為巖體所處的環(huán)境條件，是影響邊坡穩(wěn)定性的外因[3]。

2.1 弱層的影響及確定

弱層與邊坡面的位置關(guān)系對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用。弱層是影響哈密露天礦邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

在邊坡巖層中的主要弱層有泥巖層、頁巖層、黏土層等，弱層的主要特點是膠結(jié)性很差，由于所含礦物主要為蒙脫石、伊利石，遇水易軟化，吸水膨脹，失水收縮。在地下水的浸泡下，強度降低，坡體易沿弱化夾層滑出[4]。

通過現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔取芯研判、室內(nèi)試驗等綜合方法進行分析，確定影響本露天礦邊坡穩(wěn)定的主要弱層為7煤頂?shù)装濉?0煤頂?shù)装寮爸虚g泥巖夾矸等泥巖層。

2.2 結(jié)構(gòu)面及水的影響

巖石小試塊的強度往往比自然巖體的強度高出十幾倍甚至數(shù)十倍，而有結(jié)構(gòu)弱面時，邊坡易沿弱面產(chǎn)生滑動。因此，需對邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)弱面進行研究，調(diào)查其形態(tài)及空間分布等特征，研究其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

邊坡在雨季、解凍期及疏干排水不當?shù)那闆r下易發(fā)生滑坡，說明水對邊坡穩(wěn)定性有著很大的不利影響，這些不利影響主要表現(xiàn)在：軟化泥巖類巖石，特別是含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物的巖石，使其強度大大降低；同時水對邊坡產(chǎn)生靜水壓力與動水壓力，增加了邊坡的下滑力。

通過室內(nèi)物理力學試驗結(jié)果可知，治理區(qū)內(nèi)的泥巖在浸水后極易快速崩解泥化，強度急劇降低，泥巖的水理性質(zhì)較差。

2.3 地震、爆破震動的影響

露天礦邊坡所受的震動主要來自地震及爆破作業(yè)。地震及爆破作業(yè)所產(chǎn)生的震動對邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為：①震動破壞巖體，使巖體強度降低，產(chǎn)生滑動、錯動、崩塌等破壞。同時可能使地表及內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，地表水及地下水易沿裂縫滲透，加速巖體的滑動。②震動使邊坡產(chǎn)生震動力，增加了邊坡的下滑力[5]。

邊坡穩(wěn)定計算前，需對影響邊坡穩(wěn)定的主要因素進行分析，使計算結(jié)果更準確，并且為后續(xù)邊坡治理措施提供依據(jù)。

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 滑坡模式及巖土參數(shù)

通過分析，確定了哈密露天礦邊坡地層中存在多個弱層，邊坡可能出現(xiàn)的滑坡模式為沿弱層的圓弧-折線型滑坡模式。

巖土體力學參數(shù)指標可以直觀的反映出巖體強度，同時，合理的巖土體物理力學參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)。由于本礦地層中含水，在開采過程中，需對地下水進行疏干，但不可能徹底疏干，因此在確定不同地層強度時，不僅要確定不同巖土體自然狀態(tài)下強度，還要確定不同巖土體飽和狀態(tài)下的強度。根據(jù)室內(nèi)試驗，結(jié)合工程經(jīng)驗，確定巖土體物理力學性質(zhì)指標推薦值見表1。

表1 巖土體物理力學指標推薦值

3.2 模型建立及計算

根據(jù)勘察所建立的地質(zhì)剖面，結(jié)合采場現(xiàn)狀，整理出邊坡穩(wěn)定計算模型，對各層巖土體賦值，以極限平衡法對邊坡進行穩(wěn)定性計算分析，計算過程中考慮地下水對邊坡穩(wěn)定性影響，根據(jù)水位線位置分別對各巖層賦予天然與飽和巖體力學參數(shù)。計算過程采用自動搜索滑弧計算方法，給出最危險滑移面的穩(wěn)定性系數(shù)。邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖1、圖2。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，各剖面參數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)見表2。

經(jīng)過計算，北端幫邊坡沿10煤中間弱層滑移，南端幫邊坡沿7煤底泥巖弱層滑移，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.029、0.95，穩(wěn)定系數(shù)不能滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，安全儲備系數(shù)較低。

圖1 北端幫邊坡計算結(jié)果

圖2 南幫邊坡計算結(jié)果

表2 邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

4 治理措施

通過對哈密露天礦南北端幫的邊坡穩(wěn)定分析，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)均較低，需進行邊坡防治工作。

邊坡防治措施主要可分為采礦措施、工程措施。采礦措施主要有調(diào)整采礦順序、統(tǒng)籌安排采區(qū)、內(nèi)排壓腳措施、設(shè)計合理邊坡角、控制開采技術(shù)等。工程措施主要有錨索加固措施、支擋措施、注漿加固措施等。由于工程措施施工復(fù)雜，費用較高，不適合對本露天礦邊坡進行大范圍治理。只有結(jié)合采礦措施對邊坡進行治理才是比較經(jīng)濟合理的方法。綜合分析哈密露天礦的實際情況，考慮到技術(shù)可行及經(jīng)濟合理的治理原則，進行了削幫緩坡方案及內(nèi)排壓腳方案的設(shè)計，并提出邊坡監(jiān)測手段。

4.1 削幫緩坡

地表裂縫是由于內(nèi)部巖體擾動而產(chǎn)生的外在表現(xiàn)，削幫緩坡一方面可以減輕下部巖體所受壓力，延緩邊坡整體變形，另一方面，可以防止受爆破震動等影響引起第四系松散層的滑塌。削幫緩坡主要是通過合理降低邊坡角度使得邊坡的整體穩(wěn)定性達到一個安全的狀態(tài)。對兩端幫進行削幫緩坡計算分析。削幫緩坡至10煤底板。

計算結(jié)果表明：通過削幫緩坡進行邊坡治理，當北端幫邊坡角度達到18°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，當南端幫邊坡角度達到23°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.26，邊坡穩(wěn)定系數(shù)較未采取措施之前提高較為明顯，穩(wěn)定系數(shù)滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范[6]對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，邊坡安全性得到了保障。此方案雖然達到了邊坡穩(wěn)定性的要求，但剝離量大大增加，剝離費用增大。經(jīng)過計算，北幫裂縫區(qū)域內(nèi)削幫量約121.2萬m3，南幫削幫裂縫區(qū)域內(nèi)削幫量約177萬m3，在經(jīng)濟上并不合理。因此不建議采用此治理措施。

4.2 內(nèi)排壓腳

內(nèi)排壓腳可以增加抗滑力進而使邊坡穩(wěn)定，選用內(nèi)排的方式進行處理，即將剝離物壓在端幫邊坡下部臺階，加大抗滑力，提高邊坡穩(wěn)定性。通過盡早開采10煤，達到壓腳條件后立即對邊坡進行內(nèi)排壓腳，既能提高邊坡穩(wěn)定性，又為排土節(jié)約了空間，對于提高露天礦南北端幫邊坡的穩(wěn)定性，具有重要的作用，能夠在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟性。

通過分析計算，南端幫回填高度達到50 m，北端幫回填高度達到40 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達到1.25以上，邊坡可基本保持穩(wěn)定。內(nèi)排壓腳措施不僅可以使邊坡穩(wěn)定系數(shù)達到規(guī)范要求，保證邊坡穩(wěn)定性，在經(jīng)濟上也比較合理。最終，采用此方案進行邊坡治理。

4.3 邊坡監(jiān)測

邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是對邊坡穩(wěn)定性變化的行為狀態(tài)反復(fù)觀測，以研究邊坡的穩(wěn)定程度及變化規(guī)律，一般分為表面位移監(jiān)測、巖體內(nèi)部位移及應(yīng)力監(jiān)測、水壓監(jiān)測等[7]。做好邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是防止邊坡災(zāi)害發(fā)生的重要措施之一。在生產(chǎn)過程中，建立起有效的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對哈密露天礦兩端幫邊坡進行實時監(jiān)測[8]。結(jié)合露天礦現(xiàn)場實際情況，采用GPS地表位移自動監(jiān)測系統(tǒng)，利用GPS監(jiān)測速度快、選點靈活、布網(wǎng)方便、測站間無需通視的特點對南北端幫邊坡地表進行監(jiān)測。

5 結(jié)論

通過對哈密露天礦兩端幫邊坡穩(wěn)定性分析得到如下結(jié)論∶

1）南北端幫邊坡可能出現(xiàn)的破壞模式是沿弱層的圓弧-折線型滑坡模式。

2）采用削幫緩坡降低邊坡角的方法可以使端幫邊坡穩(wěn)定系數(shù)達到1.25以上，從而滿足GB50197—2015煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范對生產(chǎn)邊坡穩(wěn)定性的要求，但是工程量較大，經(jīng)濟上不可行，不建議采用此方案。

3）通過盡早開采10煤，達到壓腳條件后立即對邊坡進行內(nèi)排壓腳，既能提高邊坡穩(wěn)定性，又為排土節(jié)約了空間，對提高露天礦端幫邊坡的穩(wěn)定性具有重要的作用，在安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟性。

4）隨著采礦工程的推進，邊坡弱層逐漸揭露出來，為確保生產(chǎn)安全，應(yīng)及時增加先進性的監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測端幫變形情況，建議采用GPS監(jiān)測手段,同時應(yīng)該加快10煤的開采，抓緊實現(xiàn)內(nèi)排。

京：中國計劃出版社，2012.

［2］王浩.邊坡穩(wěn)定性影響因素及評價方法［J］.黑龍江交通科技，2011（7）：110-111.

［3］唐學民.邊坡穩(wěn)定性影響因素分析［J］.西部探礦工程，2012（9）：8.

［4］白羽.海州露天礦邊坡殘煤自燃誘發(fā)滑坡的數(shù)值模擬研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學，2009.

［5］李煥忠，李惠發(fā)，陳思，等.撫順東露天礦邊坡穩(wěn)定性分析［J］.露天采礦技術(shù)，2009（4）：39.

［6］GB50197—2015.煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2015.

［7］徐紹全，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學出版社，2001.

［8］石玉泉，付培義.礦山GPS沉陷與變形監(jiān)測體系［J］.太原理工大學學報，2003（3）：166-168.

【責任編輯：張東旭】

［1］GB50778—2012.露天煤礦巖土工程勘察規(guī)范［S］.北

Stability analysis and control measures of weak layer slope

LI Xiaojun,LIU Gan,CAO Yu
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

By slope investigation and indoor test,the mine finds out the slope engineering geological and hydrogeological conditions,especially the weak layer,and analyzes and evaluates the stability of slope in weak layer,and puts forward the corresponding control measures,in order to ensure safety production in the open－pit coal mine.

open－pit mine;slope investigation;weak layer;slope stability analysis;control measure

TD824.7

B

1671－9816（2017）02－0005－04

李曉俊，劉干，曹宇.弱層邊坡穩(wěn)定分析及治理措施［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（2）：5－8.

2016－08－18

李曉?。?982—），男，山東煙臺人，碩士，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學巖土專業(yè)，從事露天礦邊坡設(shè)計工作。

DOI∶10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.002