李金典,韓 猛,封海洋
(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)
露天礦邊坡大都為沉積巖邊坡,主要以軟巖邊坡為主,具有致密、低滲透、微孔隙等特征,力學(xué)性質(zhì)受含水率的影響較大[1],我國(guó)內(nèi)蒙古東部及廣大東北地區(qū)軟巖分布尤為廣泛。軟巖邊坡在形成過(guò)程中,由于其自身的物理力學(xué)強(qiáng)度較低而且受坡體內(nèi)軟弱夾層的流變特性控制,使邊坡體變形具有蠕動(dòng)特性;邊坡蠕動(dòng)變形進(jìn)入加速階段就預(yù)示著會(huì)因蠕動(dòng)變形的急劇發(fā)展而失穩(wěn)破壞。由于現(xiàn)階段露天礦監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷提升,GNSS 系統(tǒng)因其具有全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)[2],廣泛應(yīng)用于各大露天礦山[3-6]。但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集與整理并沒(méi)有同邊坡的穩(wěn)定性分析較好的聯(lián)系起來(lái),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值并沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)。為此,選取內(nèi)蒙古東部某典型軟巖露天礦邊坡為研究對(duì)象,通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化,總結(jié)邊坡變形規(guī)律,得到邊坡變形破壞模式。
研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部,屬于典型的軟巖露天煤礦。露天礦整體呈向斜構(gòu)造,邊坡順傾,區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,斷層稀少,沒(méi)有受到巖漿巖的影響。礦區(qū)巖性出露地層由下往上主要有:①中生界白堊系下統(tǒng)龍江組的陸相中酸性火山-沉積巖組合;②白堊系下統(tǒng)梅勒?qǐng)D組的中基性火山巖夾中酸性火山碎屑巖及火山碎屑沉積巖;③白堊系下統(tǒng)大磨拐河組的含煤碎屑巖層;④白堊系下統(tǒng)伊敏河組的含煤地層及第四系海拉爾組的松散沉積物。主采煤層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組,整體巖性力學(xué)性質(zhì)較差。礦區(qū)含水層由上至下為第四系含水層和煤系含水層,2 套含水層不斷向礦坑內(nèi)補(bǔ)充水源,在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下,礦區(qū)排水效果并不明顯,加之泥巖弱層分布密集而且規(guī)律性差,邊坡問(wèn)題尤為嚴(yán)重。
選取露天礦東端幫邊坡為研究對(duì)象,基于布置在東端幫GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng),收集東端幫典型監(jiān)測(cè)線(xiàn)上5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2018 年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。選取2018 年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的意義在于:①數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)限包含2018 年?yáng)|幫滑坡前后,完整性強(qiáng);②各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠反映東端幫—內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡的形變過(guò)程,對(duì)現(xiàn)今的解決復(fù)合邊坡問(wèn)題具有指導(dǎo)性意義。研究邊坡位于露天煤礦東端幫,東端幫為非工作幫,現(xiàn)已作為內(nèi)排土場(chǎng),東幫東側(cè)為外排土場(chǎng),并與東幫構(gòu)成東外排土場(chǎng)-內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡。受復(fù)合邊坡長(zhǎng)期蠕動(dòng)變形影響,內(nèi)排土場(chǎng)底部留有煤柱以提高邊坡整體穩(wěn)定性。研究邊坡剖面模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置如圖1。
圖1 邊坡剖面模及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置
由于露天煤礦東幫2014 年至2017 年均有滑坡發(fā)生,于2018 年?yáng)|幫歷史滑坡區(qū)域布置監(jiān)測(cè)線(xiàn)對(duì)東幫變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 同GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4 位于外排土場(chǎng)與內(nèi)排土場(chǎng)之間,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 靠近外排土場(chǎng),監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4 靠近內(nèi)排土場(chǎng);GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3、BP1-2、BP1-5 位于東幫內(nèi)排土場(chǎng),其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3、BP1-2 靠近內(nèi)排土場(chǎng)上部,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 位于內(nèi)排土場(chǎng)中部。
露天煤礦東幫于2018 年6 月發(fā)生滑坡,各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在滑坡后并未進(jìn)行較大挪動(dòng),收集監(jiān)測(cè)線(xiàn)2018年5 月至2018 年7 月邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)東幫邊坡變形特征及破壞機(jī)理進(jìn)行分析。
地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在露天礦邊坡的建立,不僅實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)資料的長(zhǎng)期積累,而且可用于分析邊坡的變形趨勢(shì)和規(guī)律,并作為最終結(jié)果來(lái)驗(yàn)證定性或定量分析的可靠性[7]。根據(jù)露天礦東幫監(jiān)測(cè)線(xiàn)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在滑坡發(fā)生前后的位移變化根據(jù)位移變化數(shù)據(jù),分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)矢量位移情況,探究東幫滑坡變形破壞模式。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化趨勢(shì)如圖2,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化趨勢(shì)如圖3。
圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化趨勢(shì)
圖3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂向位移變化趨勢(shì)
滑坡發(fā)生前期,從整體位移數(shù)據(jù)來(lái)看,X-3 人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近東外排土場(chǎng),相比于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn),水平及垂直位移速度較慢,而且變化幅度較小,表明東幫邊坡靠近外排土場(chǎng)一側(cè)變形速度慢,變形幅度??;GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4、BP1-3、BP1-2、BP1-5 水平及垂直位移速度較快,除5 月28 日至6 月1 日之間變化幅度較大外,整體變化幅度較小而且呈現(xiàn)出高速位移狀態(tài),表明東幫靠近內(nèi)排土場(chǎng)一側(cè)變形速度快,變形幅度大。單從水平位移變化來(lái)看,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4位移速度最快,內(nèi)排土場(chǎng)上3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),位移速度差別較小,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 位移速度相對(duì)較大;單從垂直位移變化來(lái)看,人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 垂向位移變化相對(duì)較小,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 除5 月28 日至6 月1 日變化幅度較大外,整體垂直向上移動(dòng),位移速度相對(duì)較小;GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4、BP1-3、BP1-2 整體呈垂直向下運(yùn)動(dòng),而且運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較大,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4 垂直位移速度最大。
滑坡發(fā)生后,并沒(méi)有對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行較大的人為挪動(dòng),從水平位移數(shù)據(jù)來(lái)看,人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3和GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 并未發(fā)生較大的水平運(yùn)動(dòng),位移速度較慢,趨于穩(wěn)定狀態(tài);而監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4 仍處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而且變化幅度較大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-2 由穩(wěn)定狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚龠\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從垂直位移數(shù)據(jù)來(lái)看,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而且變化幅度較大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-2 由穩(wěn)定狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚龠\(yùn)動(dòng)狀態(tài),而且呈垂直向下運(yùn)動(dòng),波動(dòng)幅度較大;人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 和GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 垂向位移速度相對(duì)較小,而且變化幅度較小。
根據(jù)滑坡前各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況,各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的矢量位移變化如圖4。
圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的矢量位移變化圖
從圖4 中可以看出,人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 位于東幫靠近東外排土場(chǎng)一側(cè),以水平位移為主,而且位移量較??;監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4 位于東幫靠近內(nèi)排土場(chǎng)一側(cè),以水平且垂直向下的位移為主,而且位移量較大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3 和BP1-2 位于內(nèi)排土場(chǎng)的上部,均以水平且垂直向下的位移為主,兩者位移量相,其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3 較BP1-2 向下位移更為明顯;監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5位于東幫內(nèi)排土場(chǎng)中部,以水平位移為主,而且位移量較大。
從監(jiān)測(cè)點(diǎn)矢量位移變化數(shù)據(jù)來(lái)看,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4、BP1-3、BP1-2、BP1-5 位于同一滑體之上,上部剪入口位于人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)X-3 和GNSS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4之間,表明東幫滑體并未同東外排土場(chǎng)構(gòu)成東外排土場(chǎng)-東幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡問(wèn)題;從監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4的位移變化來(lái)看,滑坡滑移面位于煤層或是泥巖弱層之中;從監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 的位移變化來(lái)看,剪出口位于該點(diǎn)位置之下靠近坑底一側(cè),根據(jù)實(shí)際情況,坑底并未出現(xiàn)底鼓,滑坡從內(nèi)排土場(chǎng)下部排棄物料中剪出。整體來(lái)看,監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-4 控制區(qū)域首先出現(xiàn)形變,當(dāng)形變積累到某一數(shù)值或因此而形成拉張裂縫后,變形范圍逐漸向下部延伸,帶動(dòng)內(nèi)排土場(chǎng)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-3、BP1-2 控制區(qū)域的逐步變形滑動(dòng),最終從監(jiān)測(cè)點(diǎn)BP1-5 控制區(qū)域西側(cè)(靠近采煤界面一側(cè))剪出,為典型的“坐落式”滑坡模式。
滑坡的產(chǎn)生與降雨有著密切聯(lián)系,雨水入滲不僅可以改變邊坡土體的水分分布,而且可以導(dǎo)致土體強(qiáng)度大大降低,從而可能成為觸發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素[8]。中國(guó)是滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一,發(fā)生的滑坡災(zāi)害中有68.5%是由降雨作用引起的[9],降雨作用是導(dǎo)致和誘發(fā)滑坡的主要因素[10-12]。收集的礦區(qū)所在地區(qū)2018 年逐月平均降水量以及逐月平均氣溫資料如圖5。
圖5 礦區(qū)逐月平均降水量及氣溫變化圖
由圖5,2018 年逐月平均降水量及氣溫變化圖中可以看出,7 月份降水量與氣溫達(dá)到最高值,5—7月份為降水量增速最快的時(shí)期;從邊坡變形數(shù)據(jù)可以反映5 月末至6 月末(滑坡發(fā)生)邊坡均處于高速變形階段,滑坡發(fā)生后,也是降水量最大的月份,滑坡前緣BP1-5 控制區(qū)域趨于穩(wěn)定,但滑體上部分區(qū)域自7 下旬仍在高速運(yùn)動(dòng)。
巖石在一定的滲透壓力或水動(dòng)力條件下產(chǎn)生的物理、化學(xué)和力學(xué)作用過(guò)程是導(dǎo)致巖體發(fā)生變形破壞的根本原因[13-15]。巖石吸水后,礦物顆粒成分、粒間膠結(jié)成分、膠結(jié)方式、孔隙分布和毛管壓力效應(yīng)等均發(fā)生變化,造成巖石結(jié)構(gòu)面弱化、強(qiáng)度降低[16]。由于滑坡發(fā)生于降水量迅速增高的階段,滑坡發(fā)生后滑體上部?jī)?nèi)排土場(chǎng)區(qū)域仍處于高速變形階段,故而探討含水率對(duì)軟巖力學(xué)性質(zhì)的影響,進(jìn)而分析降水量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。測(cè)試了泥巖在不同含水率下的力學(xué)性質(zhì),測(cè)試在煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展,不同含水率條件下泥巖力學(xué)性質(zhì)變化如圖6。
圖6 不同含水率條件下泥巖力學(xué)性質(zhì)變化
從圖6 中可以看出,隨著泥巖含水率的提高,黏聚力與內(nèi)摩擦角逐漸降低,故而進(jìn)一步加劇了邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增大。由此可見(jiàn),露天礦邊坡穩(wěn)定性受水的影響較大。
基于GNSS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化趨勢(shì),結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件,探討地下水對(duì)邊坡泥巖弱層的影響,得出露天煤礦軟巖邊坡變形規(guī)律:
1)根據(jù)對(duì)邊坡變形數(shù)據(jù)的分析。變形范圍幾乎涵蓋整個(gè)東幫但并未涉及東外排土場(chǎng),隨著內(nèi)排的增高存在引發(fā)東外排土場(chǎng)—東幫內(nèi)排土場(chǎng)復(fù)合邊坡問(wèn)題的可能,且滑移面可能會(huì)向深部發(fā)展。
2)結(jié)合邊坡變形位移分析?;麦w上各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變形速度快,同時(shí)在滑坡發(fā)生后滑體上部與中部仍以較高的速度發(fā)生變化。
3)邊坡變形由上部開(kāi)始,產(chǎn)生一系列張裂縫,進(jìn)而向下部延伸,帶動(dòng)下部巖土體逐步滑動(dòng),為典型的“坐落式”滑坡模式。
4)發(fā)生滑坡后,應(yīng)力釋放逐漸減少并趨于穩(wěn)定,等到次年雨季來(lái)臨邊坡位移會(huì)進(jìn)一步增大。
通過(guò)對(duì)蒙東地區(qū)某露天礦軟巖邊坡GNSS 數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合氣候條件及軟巖自身特性進(jìn)行綜合分析。通過(guò)邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,確定研究邊坡滑動(dòng)模式為典型的“坐落-滑移式”;整體邊坡滑動(dòng)變形并未構(gòu)成復(fù)合邊坡,但隨著內(nèi)排的增加以及受大氣降水同軟巖弱層自身特性的影響,整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)加??;基于邊坡形變及氣候條件及軟巖特征分析,應(yīng)加強(qiáng)防范春季凍融對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。