鄧焱，郝喆，尹亮亮 ，滕達(dá) ，吳超君

(1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110036；2.遼寧有色勘察研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110013；3.自然資源部老礦山地質(zhì)災(zāi)害治理及生態(tài)修復(fù)創(chuàng)新中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110013)

0 引言

阜新海州露天煤礦是世界聞名的大型露天煤礦，也是新中國(guó)第一座大型機(jī)械化、電氣化露天煤礦。閉坑后礦坑仍存在著滑坡、崩塌、地面沉陷、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題[1]，嚴(yán)重威脅著海州露天礦周圍企事業(yè)單位、居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。2019年對(duì)海州露天礦進(jìn)行了全面的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，彌補(bǔ)了以往資料的不足，本文依據(jù)最新的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性及滑坡機(jī)理分析。

多年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)海州露天礦邊坡穩(wěn)定性相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。YANG TH等[2]在大量滑坡試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以海州露天礦為例，探討了不同條件下邊坡的穩(wěn)定性及評(píng)估和預(yù)測(cè)方法；HAN Jun等[3]對(duì)海州礦進(jìn)行數(shù)值模擬，劃分了地質(zhì)結(jié)構(gòu)和沉積體系；FENG Meisheng等[4]對(duì)海州礦滑坡時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究表明，重力場(chǎng)在一定程度上受潮汐影響，滑坡與潮汐變化存在關(guān)系；LYU Peiyin等[5]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)海州礦60多次大型滑坡進(jìn)行分析，進(jìn)而驗(yàn)證傳統(tǒng)方法確定的滑坡地帶；白羽等[6]采用FEPG有限元方法分析了殘煤自燃對(duì)海州礦邊坡穩(wěn)定性的影響過(guò)程；劉向峰等[7]用強(qiáng)度折減法對(duì)海州礦部分剖面安全系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，提出了加固措施。

本文針對(duì)阜新海州露天礦北幫逆層邊坡，建立三維地質(zhì)力學(xué)模型，模擬邊坡變形和應(yīng)力分布，同時(shí)利用極限平衡法分析，計(jì)算各剖面安全系數(shù)。三維數(shù)值模擬和極限分析法相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，避免了單一分析方法的局限性，進(jìn)一步剖析了逆層高邊坡的滑坡機(jī)理，得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為海州露天礦下一步的治理提供了依據(jù)，可為其它礦坑閉坑治理提供參考。

1 邊坡三維數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立

海州礦南幫巖體總體上屬于逆層露天高邊坡，但在空間上有顯著的不均一性。為此，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪DOM和DEM數(shù)據(jù)及地下的井工礦開(kāi)采資料，繪制出各剖面的邊坡形態(tài)、地層結(jié)構(gòu)和采空區(qū)分布，采用分區(qū)建模的方法通過(guò)CAD、ANSYS、FLAC3D結(jié)合進(jìn)行建模[8]，建立符合實(shí)際情況的三維地質(zhì)力學(xué)模型來(lái)模擬邊坡變形和應(yīng)力分布特征。針對(duì)南幫的3個(gè)典型區(qū)域：南幫西部區(qū)（代表剖面EW0）、南幫中部區(qū)（代表剖面E10）和南幫東部區(qū)（代表剖面E20），建立三維地質(zhì)力學(xué)模型如圖1所示。

1.2 結(jié)果與分析

數(shù)值模擬的應(yīng)力及位移云圖見(jiàn)圖2。

圖1 數(shù)值模擬模型

圖2 南幫西、中和東部區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果

分析位移云圖可知：南幫西部崩滑區(qū)的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，這是由于邊坡上部受邊坡角較陡及上部巖層風(fēng)化程度較高影響，下部受采空區(qū)影響，中部受地層逆傾影響；南幫中部崩滑區(qū)的邊坡上部位移較小，中下部位移量較大；南幫東部崩滑區(qū)的中部位移量較大，兩端位移量較小，位移量較大均由于下部采空區(qū)及煤自燃導(dǎo)致巖體強(qiáng)度指標(biāo)降低的影響所致；最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D清晰反映出剪切應(yīng)變?cè)隽繋Х植继卣鳎畲蠹羟袘?yīng)變?cè)隽恐饕植荚诓煽諈^(qū)及煤自燃發(fā)火嚴(yán)重處，剪切破壞分布和臨界失穩(wěn)空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現(xiàn)了邊坡變形的剪切蠕變特征，表明采空區(qū)、煤自燃是邊坡失穩(wěn)的主控因素。從水平應(yīng)力云圖可知：水平應(yīng)力分布具有從開(kāi)挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點(diǎn)，隨降深增加呈線性正比例關(guān)系。從垂直應(yīng)力云圖可知：隨埋深增加垂直應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，呈現(xiàn)受重力場(chǎng)控制的分布規(guī)律，垂直應(yīng)力總體分布較均勻；邊坡初始開(kāi)挖后，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布。

2 邊坡極限平衡分析

2.1 計(jì)算剖面及參數(shù)

采用Morgenstern-Price極限平衡法開(kāi)展南幫邊坡滑移的進(jìn)一步分析[9]。在南幫全長(zhǎng)范圍內(nèi)，確定10個(gè)計(jì)算剖面：W3、EW0、E2、E5、E7、E10、E13、E17、E20、E23。取全坡高進(jìn)行分析。確定模擬區(qū)總高度約400m～450m；水平總長(zhǎng)度取為700m～1100m不等。剖面中的第四紀(jì)土層、煤層、采空區(qū)、平巷、斷層均按實(shí)際剖面的材料參數(shù)真實(shí)模擬。參考《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50197—2005），因海州礦南幫邊坡上無(wú)特別重要建筑物，將穩(wěn)定系數(shù)取為1.30。

2.2 結(jié)果與分析

使用Geostudio軟件建立各剖面計(jì)算模型，代表性剖面見(jiàn)圖3。據(jù)此，計(jì)算出南幫各剖面的整體安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 典型剖面整體計(jì)算模型

由圖4可見(jiàn)，海州礦南幫除W3和E23兩個(gè)西、東邊緣剖面之外，其它剖面的安全系數(shù)均處于1.0～1.15之間，與安全系數(shù)限值差距甚大。EW0～E10區(qū)域，是滑坡最危險(xiǎn)地帶，從地質(zhì)剖面圖可見(jiàn)，中部剖面煤層露頭較多，現(xiàn)場(chǎng)也可見(jiàn)中部區(qū)域火點(diǎn)密集分布，導(dǎo)致地下采空區(qū)和煤巖參數(shù)弱化，在其他因素影響下極易誘發(fā)滑坡。

圖4 各剖面穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3 滑坡機(jī)理分析

根據(jù)以上結(jié)果分析，將南幫分為3個(gè)滑動(dòng)區(qū)段[10]：西部崩滑群W3～E4，中部崩滑群E5～E15，東部崩滑群E16～E23。

（1）西部崩滑群。西部崩滑群的范圍為W3～E4。三維計(jì)算結(jié)果表明，西部代表性剖面EW0的邊坡上部位移較大，下部位移次之，中部位移最小，計(jì)算安全系數(shù)為1.062，推測(cè)邊坡巖體為背斜構(gòu)造，而且存在順傾弱層，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡上部受邊坡角較陡且上部巖層風(fēng)化程度較高的影響，及下部受采空區(qū)的影響，邊坡位移較大；中部受地層逆傾影響，位移量最小。最大剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D清晰反映出剪切應(yīng)變?cè)隽繋У姆植继卣鳎畲蠹羟袘?yīng)變?cè)隽恐饕植荚诓煽諈^(qū)及煤自燃發(fā)火嚴(yán)重處，剪切破壞分布和臨界失穩(wěn)空間云圖及最大位移云圖中的最大變形特征一致，充分體現(xiàn)了采空區(qū)、煤自燃是邊坡失穩(wěn)的主控因素[11?12]。

（2）中部崩滑群。中部崩滑群的范圍為E5～E15，該區(qū)域是南幫滑坡最嚴(yán)重的區(qū)段。三維計(jì)算結(jié)果表明，南幫E10剖面邊坡上部位移較小，中下部由于下部斷層帶被壓密，在上部巖體和自身重量的作用下，位移量較大，計(jì)算安全系數(shù)為1.025。該區(qū)段邊坡雖暫時(shí)沒(méi)有整體滑移趨勢(shì)，但隨著巖面暴露時(shí)間增長(zhǎng)，局部滑動(dòng)會(huì)時(shí)有發(fā)生，未滑動(dòng)區(qū)會(huì)逐漸變成滑動(dòng)區(qū)，從而危害整個(gè)邊坡的穩(wěn)定。采空區(qū)和煤自燃仍是該區(qū)邊坡失穩(wěn)的主控因素[13]，由于中西部崩滑并導(dǎo)致坡腳失穩(wěn)，帶動(dòng)上部邊坡的拉裂破壞，引發(fā)滑坡。

（3）東部滑塌群。東部滑塌群的范圍為E16～E23，該區(qū)域是南幫滑坡較嚴(yán)重的區(qū)段。三維計(jì)算結(jié)果表明，南幫E20剖面中部位移量較大，兩端位移量較小，計(jì)算安全系數(shù)為1.083，位移量較大是因?yàn)槭芟虏坎煽諈^(qū)及煤自燃導(dǎo)致巖體強(qiáng)度指標(biāo)降低影響；最大剪切應(yīng)變?cè)隽恐饕植荚诓煽諈^(qū)及煤自燃發(fā)火嚴(yán)重處。從水平應(yīng)力云圖可知：水平應(yīng)力分布具有從開(kāi)挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點(diǎn)，隨降深增加呈線性正比例關(guān)系。從垂直應(yīng)力云圖可知：垂直應(yīng)力隨埋深增加而呈線性增長(zhǎng)，呈現(xiàn)受重力場(chǎng)控制的分布規(guī)律，垂直應(yīng)力總體分布較均勻，邊坡初始開(kāi)挖后，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)與坡表面平行的層狀分布。

4 結(jié)論

結(jié)合三維地質(zhì)力學(xué)數(shù)值模擬分析和極限平衡分析，對(duì)海州露天礦逆層高邊坡穩(wěn)定性及滑坡機(jī)理進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下。

（1）南幫三維模擬結(jié)果表明：南幫邊坡西部區(qū)域的上部位移較大，下部位移次之，中部位移最??；中部區(qū)域的上部位移較小，中下部位移量較大；東部區(qū)域的中部位移量較大，上下部位移量較小。最大剪切應(yīng)變?cè)隽恐饕植加诿鹤匀及l(fā)火嚴(yán)重及采空區(qū)集中處，表明殘煤自燃和地下采空區(qū)是南幫滑坡的主控因素。水平應(yīng)力從開(kāi)挖坡面逐漸向坡內(nèi)增加；垂直應(yīng)力隨埋深增加而呈線性增長(zhǎng)，總體分布均勻，呈現(xiàn)與坡面平行的層狀分布。

（2）南幫極限平衡分析表明：現(xiàn)狀邊坡的整體穩(wěn)定性難以滿足規(guī)范要求，除W3以西和E23以東區(qū)域外，其它中部剖面安全系數(shù)均處于1.0～1.15之間，與安全系數(shù)限值差距較大。EW0～E10區(qū)域是滑坡最危險(xiǎn)地帶，中部區(qū)域各剖面煤層露頭和內(nèi)部采空區(qū)較多，自燃火點(diǎn)分布密集，導(dǎo)致地下采空和煤巖參數(shù)弱化，在其他因素影響下極易誘發(fā)滑坡。

（3）南幫滑坡的模式屬于切層崩滑：邊坡中下部的煤炭露頭常年暴露在大氣中，同時(shí)邊坡風(fēng)化和采動(dòng)使邊坡產(chǎn)生大量的裂隙，給煤炭提供了足夠的供氧條件和持續(xù)的蓄熱環(huán)境，導(dǎo)致持續(xù)不斷產(chǎn)生煤炭自燃現(xiàn)象，自燃后煤巖強(qiáng)度降低、空隙增大，產(chǎn)生崩塌破壞，并引起上部失去支撐而變形滑動(dòng)，發(fā)生崩滑-拉裂破壞，引發(fā)邊坡大范圍滑塌。

（4）依據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，南幫可劃分為3個(gè)范圍大、滑坡嚴(yán)重的區(qū)域：西部崩滑區(qū)W3～E4，中部崩滑區(qū)E5～E15，東部崩滑區(qū)E16～E23，下一步需要重點(diǎn)治理。