呂 游

（神華準能集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著露天煤礦生產規(guī)模不斷擴大，在礦區(qū)范圍內為了開采更多的煤炭資源，提高經濟效益，礦方多采用靠幫開采，導致并段臺階增多，同時此類邊坡的暴露高度及維持時間也在不斷增加，邊坡安全隱患日益凸顯，如何科學有效地分析評價以及保障露天開采過程中并段臺階邊坡的穩(wěn)定性，是礦山企業(yè)和相關學者關心、重視的課題[1-2]。通過相似材料模擬試驗和數(shù)值模擬相結合的手段對高陡邊坡圍巖的位移及破裂發(fā)生及發(fā)展過程進行研究，結果表明：高陡邊坡圍巖的破壞隨著開采深度的增加，破壞程度逐漸增大，并在坡腳處有明顯的應力集中現(xiàn)象[3-6]。蔡美峰等[7]利用有限差分法對露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性固-流耦合分析，得出地下水的存在，弱化了巖體強度，降低了邊坡的穩(wěn)定性。

為此，以某露天礦北幫變形區(qū)域邊坡為研究對象，對變形區(qū)域的邊坡變形破壞機理及穩(wěn)定性問題進行深入研究，為制定合理的邊坡防治措施提供參考。

1 工程地質特征及計算方法

1.1 工程地質特征

該研究區(qū)域位于寧武煤田北端，沉積層厚度較小，新生界地層覆蓋了地表大部分區(qū)域，屬于典型黃土丘陵地貌。在本區(qū)內的煤系地層主要是石炭系和二疊系地層，其中石炭系中統(tǒng)本溪組含薄煤1～2層，厚度一般小于0.5m，含煤地層主要是上統(tǒng)太原組，所含煤層7 層，主要可采煤層有4＃、9＃、11＃等，本組煤層平均厚度39.8m 含煤系數(shù)42.5%，二疊系下統(tǒng)山西組共含有2～3 層薄煤層，全部為不穩(wěn)定煤層[8]。各巖層巖土體物理力學指標見表1，變形區(qū)域典型工程地質模型如圖1。

表1 巖土體物理力學性質指標值

圖1 變形區(qū)域典型工程地質剖面圖

1.2 邊坡穩(wěn)定性計算方法

極限平衡法是當前邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，其具有計算模型簡單、計算參數(shù)量化準確、計算結果直接實用的特點。在極限平衡法理論體系形成的過程中，出現(xiàn)過一系列簡化計算方法，諸如瑞典法、畢肖普法和陸軍工程師團法等，不同的計算方法，其力學機理與適用條件均有所不同。為此，穩(wěn)定計算采用摩根斯坦-普拉斯法（Morgenstern-Price）來確定變形區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[9-10]，采用Flac3D數(shù)值模擬研究分析片幫區(qū)域邊坡變形位移規(guī)律及破壞模式[11-13]。

2 北幫邊坡變形失穩(wěn)分析

2.1 邊坡變形失穩(wěn)機理

1）剖面模型構建。結合研究區(qū)域邊坡變形和地貌特征，選取的典型剖面構建分析模型如圖2。模型沿邊坡傾向長度為671 m，垂直高度最大為338 m，模型的前、后、左、右邊界為截離邊界，模型前、后邊界以y 方向位移約束，模型左、右邊界以x 方向位移約束，模型的底部邊界以z 方向位移約束，從而構成位移邊界條件，以保持整個系統(tǒng)的受力平衡。

圖2 變形區(qū)域典型剖面分析模型圖

2）數(shù)值模擬結果。數(shù)值模擬結果分析圖如圖3。由圖3 可以看出：在標高1 265～1 320 m 水平并段臺階、標高1 320～1 350 m 水平臺階（砂泥巖互層）出現(xiàn)明顯的變形，存在潛在滑動面，速度矢量圖顯示該區(qū)域坡體有朝向臨空面滑動的趨勢；變形集中區(qū)域在松散層和砂泥巖臺階，即標高1 400～1 425 m水平、1 320～1 352 m 水平、1 265～1 320 m 水平范圍內；由邊坡剪切應變增量云圖可知，由于松散層組臺階邊坡角已達61°且受該區(qū)域紅黏土自身液塑限高，孔隙率大的特性的影響，導致標高1 400～1 425 m 水平組合臺階坡腳處應力集中程度明顯；同時1 320 m 水平平盤上部臺階坡面節(jié)理裂隙發(fā)育，存在多處優(yōu)勢結構面（坡面角72°），致使該區(qū)域應力集中，水平最大位移量為6.59×10-2m，豎向最大沉降量達5.99×10-2m；由于4＃煤靠幫開采，致使1 265～1 320 m 水平多級臺階并段，坡頂巖體存在局部滑塌的可能，朝向臨空面位移在5.00～6.59×10-2m 范圍。

圖3 數(shù)值模擬結果分析圖

結合現(xiàn)場的實際工況，塑性區(qū)域破壞的范圍主要集中在松散層及砂泥巖層圖3（d），而松散層中塑性區(qū)域比較集中的主要原因是1 400 m 水平平盤上部存在紅黏土、坡面角偏大（61°）等因素所致；1 320～1 350 m 水平坡面臺階存在多處優(yōu)勢結構面、節(jié)理裂隙發(fā)育，受外力爆破震動等多重內外因素的影響使其抗剪強度降低，該區(qū)域邊坡松動滑動面呈圓弧形，正常情況下，北幫標高1 265～1 425 m 邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性較小，邊坡的變形破壞模式為單臺階或并段臺階沿不良結構面朝向臨空面發(fā)生局部滑塌、崩塌破壞。

2.2 邊坡穩(wěn)定性

本次邊坡穩(wěn)定性驗算選取1 個研究剖面，經過綜合分析，研究剖面現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定情況如下：

1）松散層臺階。標高1 400～1 425 m（松散層多臺階、標高1 375～1 400 m 松散層多臺階邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.04、1.08，存在一定風險；標高1 363～1 375 m 松散層多臺階邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.23，穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定。

2）砂質泥巖層臺階。標高1 320～1 352 m 砂質泥巖層多臺階邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，邊坡失穩(wěn)，發(fā)生滑坡；標高1 352～1 375 m 砂質泥巖層多臺階、標高1 352 m 砂質泥巖層單臺階、標高1 265～1 320 m煤巖多臺階、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別是1.30、1.25、1.03。安全系數(shù)偏小的主要原因為：①下部爆破作業(yè)，擾動該區(qū)域坡面巖體原有穩(wěn)定狀態(tài)；②邊坡順傾，加之巖體自身節(jié)理裂隙發(fā)育，在該區(qū)域存有多組優(yōu)勢結構面；③近期受降水影響，雨水進一步弱化巖土體強度，且該區(qū)域單臺階坡面角偏大62.02°（組合臺階高度32 m），下部1 265～1 320 m 水平由于前期靠幫開采，致使多級臺階并段，高度約為55 m，臺階坡面角58.28°。

3）整體。整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.32，符合規(guī)范要求，邊坡整體穩(wěn)定。研究剖面整體坡面角分別為29.88°，正常情況下發(fā)生整體失穩(wěn)的可能較??；但考慮到雨季降水、巖體自身結構特性以及爆破震動的影響，存在局部滑塌或垮塌的可能。

3 加強邊坡穩(wěn)定性的措施

為預防雨季降水進一步降低坡體強度，破壞邊坡穩(wěn)定性，影響安全高效生產，建議將標高1 320～1 375 m 所在臺階進行削坡擴幫，并在該區(qū)域布設GNSS 監(jiān)測站，時時監(jiān)測1 260～1 375 m 水平各級臺階邊坡的位移變形。針對1 320～1 350 m 水平坡體發(fā)生的片幫問題，提出削坡擴幫的邊坡治理措施，即通過對下滑段采取削坡處理，達到減小該區(qū)域巖體邊坡單臺階坡面角和減載的作用，有效降低下滑段的剩余下滑力，從而抑制坡體下滑。通過放緩邊坡消除剪出口的不平衡推力，使該滑坡的抗滑力與下滑力的比值，即該邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)大于安全儲備系數(shù)，從而使其在設計工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。具體方案如下：

1）標高1 375 m 外包車道外側約有11 m 寬左右土方，將該區(qū)域土方以及滑坡造成在1320 平盤坡腳處堆積的物料進行清理，1320 平盤向北側擴幫5 m，1352 平盤向北擴幫10 m，在保證極限平衡狀態(tài)下，實現(xiàn)最大限度擴幫。該方案既解決了1320 平盤及上部各級平盤空間不足問題，也保證了坡體的穩(wěn)定。

2）在1320 平盤擴幫5 m 的基礎上，對該區(qū)域坡體進行削坡處理，當標高1 320～1 350 m 水平滑坡段不同臺階坡面角為55.49°時，1 320～1 350 m 水平坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.21，大于安全儲備系數(shù)1.20。

3）對1 260～1 375 m 水平片幫區(qū)高陡邊坡各級臺階進行GNSS 邊坡地表位移實時監(jiān)測。具體為：在1265 平盤、1305 平盤、1320 平盤、1352 平盤、1363 平盤和1375 平盤分別布置1 個GNSS 邊坡地表位移監(jiān)測站，共6 個監(jiān)測站，各監(jiān)測站形成1 條完整地表位移監(jiān)測線，并形成自動化監(jiān)測系統(tǒng)。通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)設置經驗警戒值實時監(jiān)控邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

1）基于片幫區(qū)域邊坡工程地質與現(xiàn)場條件，建立工程地質模型，采用數(shù)值模擬分析的方法研究了片幫區(qū)域邊坡的變形失穩(wěn)機理，探明邊坡變形模式。

2）提出削坡擴幫治理方案，即在1 320～1 375 m水平平盤片幫區(qū)進行清方和向北削坡擴幫，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定。