近水平巖層邊坡工程地質(zhì)模型及穩(wěn)定性研究

郭兵兵, 舒繼森, 舒應(yīng)秋, 呂金星

(1.河南工程學院安全工程系,河南 鄭州 451191；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院, 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

露天礦邊坡穩(wěn)定性的研究有重要的意義。邊坡穩(wěn)定性研究包括：工程地質(zhì)勘察、工程地質(zhì)模型、巖土參數(shù)確定、穩(wěn)定性計算和邊坡治理。工程地質(zhì)模型是研究邊坡破壞模式和穩(wěn)定性計算分析的基礎(chǔ)工作之一。

工程地質(zhì)模型，就是依據(jù)工程性狀，將重要的工程地質(zhì)條件，亦可稱要素，按實際狀態(tài),簡明醒目地用圖形表示出來；簡言之，即工程與地質(zhì)條件相互依存關(guān)系的圖示[1]?！暗刭|(zhì)模型”是考慮工程設(shè)計的需要，依據(jù)工程性狀將工程地質(zhì)資料中主要的特征地質(zhì)內(nèi)容保留下來，經(jīng)過綜合分析，進行抽象和概化形成的一定模式[2]。

1 邊坡工程地質(zhì)模型

邊坡工程地質(zhì)模型要考慮四個要素：工程地質(zhì)巖組、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、地下水。工程地質(zhì)巖組和巖體結(jié)構(gòu)要素，是控制巖體變形破壞的主要因素，地應(yīng)力和地下水則是重要的影響因素。

工程地質(zhì)巖組是對與工程建設(shè)有關(guān)的巖土體按成因類型、巖性巖相、成層條件與厚度變化、結(jié)構(gòu)特征及物理力學特性的組合，是具有一定的成因聯(lián)系、一定的工程地質(zhì)特征和從屬于某一介質(zhì)類型的巖石組合體。

露天礦邊坡工程地質(zhì)巖組的劃分，一般是以地質(zhì)成因為基礎(chǔ)，以巖性特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點及巖石力學試驗等為依據(jù)，將工程性質(zhì)相同的巖石劃分為一個巖組。按照以下方法：①全面掌握礦區(qū)的地質(zhì)情況。主要由煤田地質(zhì)勘探及礦井地質(zhì)資料獲得。包括煤系及其上覆巖層、土層的地質(zhì)年代，地層對比，巖性、巖相變化，成層條件和接觸關(guān)系，厚度變化等。注意與工程有關(guān)系的特殊性巖層；了解礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征、分布及其與工程的關(guān)系。②進行專門性地質(zhì)勘探工作。結(jié)合邊坡工程，進行專門性工程地質(zhì)勘察，詳細進行編錄、取樣、測試工作。③實驗室試驗工作。進行巖土層的物理、水理、力學性質(zhì)試驗；巖石微觀鑒定；水質(zhì)、煤質(zhì)、古生物鑒定等。④資料綜合分析。進行工程地質(zhì)巖組劃分，根據(jù)巖石的巖性、結(jié)構(gòu)、巖石物理力學性質(zhì)等因素，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)研究要求，劃分工程地質(zhì)巖組。

巖體結(jié)構(gòu)是最基本的控制因素。露天礦邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型一般是層狀巖體結(jié)構(gòu)[3]。

地下水和地應(yīng)力屬于邊坡巖體的賦存環(huán)境。在模型中的表示可以做出隨深度變化的水壓和地應(yīng)力的曲線，如果參數(shù)值的影響不太明確，就大體給出一個數(shù)量級的數(shù)值，并在相關(guān)的說明中加以解釋。對于地下水，如在地下水不太豐富的地區(qū)，只考慮水對巖體的軟化作用，將水的影響放到巖土體的有關(guān)力學參數(shù)中加以考慮[3]。

2 層狀巖體邊坡的工程地質(zhì)模型及破壞模式

20世紀80年代初，孫玉科等在研究了大量露天礦和水電工程的邊坡滑坡資料后，按礦床成因分類，對工程地質(zhì)模型做了深入的研究[4]。層狀巖體結(jié)構(gòu)邊坡的工程地質(zhì)模型有：

水平層狀巖體邊坡工程地質(zhì)模型、順坡層狀巖體或順坡層狀碎裂巖體邊坡工程地質(zhì)模型、順破陡傾片狀巖體邊坡工程地質(zhì)模型、反坡陡傾層狀碎裂工程地質(zhì)模型。

舒繼森等對近水平巖層邊坡破壞模式的進行了深入的研究[5-6]。根據(jù)實際的地質(zhì)情況，根據(jù)邊坡中巖層傾向與邊坡傾向的關(guān)系，把近水平地層邊坡分成三類：水平巖層邊坡(巖層傾角在零度左右)；同傾向巖層邊坡(巖層有一定的傾角，傾向與邊坡傾向相同)；反傾向巖層邊坡(巖層傾向與邊坡傾向相反)。抽象出了三種水平地層邊坡模型，分有無軟弱層兩類，用底面摩擦試驗的方法，進行破壞模式的研究。研究認為：①在近水平地層中，邊坡滑動的基本模式為：張裂縫-圓弧面-平面。②對同傾向巖層和水平巖層邊坡來說，如果無軟弱層存在，層面對滑動面有一定的控制作用；如果有弱層存在，則邊坡的滑動面主要受弱層控制。③對于反傾向巖層邊坡，如無弱層存在，則層面對滑動面幾乎無影響?；婵赡艽┻^所有巖層，形成近似圓弧狀的滑動面；如有軟弱層存在，則軟弱層會對滑動面起一定得控制作用，但其影響要比前兩類邊坡中弱層的影響小的多。

3 伊敏露天礦東南幫邊坡工程地質(zhì)模型

3.1 邊坡工程地質(zhì)模型

邊坡巖體的巖層總體產(chǎn)狀為順坡向單斜構(gòu)造，巖層傾角3°～5°，并被邊坡體內(nèi)順邊坡走向發(fā)育的F43斷層(與邊坡呈順傾關(guān)系，順坡向傾角50°～75°)切割成兩個巖體單元。

泥巖是東南幫邊坡的主要巖層?；液谏疑?，有塊狀結(jié)構(gòu),泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。泥巖主要為兩類：一類是致密較為堅硬的，原生節(jié)理較為發(fā)育，屬硬質(zhì)泥巖；一類是泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，強度與含水量有關(guān)，屬軟質(zhì)泥巖。泥巖一般呈厚層～巨厚層狀。砂巖也是主要巖層之一，灰白色，灰綠色，膠結(jié)程度較差，大部分呈松散狀。砂粒粒徑在3～5mm左右，磨圓度較差，孔隙較大，砂巖類顆粒一般呈棱角～次圓狀。膠結(jié)物以泥質(zhì)、凝灰質(zhì)為主，個別為鐵質(zhì)或鈣質(zhì)，砂巖類主要呈層狀或薄層狀。

硬巖，主要是碳酸鹽膠結(jié)的巖類，它們的厚度在0.10～0.70m之間，一般0.30m左右，特點是厚度小，分布零星而層位不穩(wěn)定，淺部少，深部略多，呈透鏡體分布于其他巖層中。一般分布于粉砂巖、細砂巖、泥巖等巖層的底部，而且很薄。

以巖石的地質(zhì)成因類型為基礎(chǔ)，以巖性特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點及巖石力學試驗參數(shù)等為依據(jù)，對巖石進行巖組劃分。

地質(zhì)模型一中，巖組自上而下分別為：第四系松散沉積層、泥巖組A、粉砂巖組、泥巖組B、砂巖組、砂質(zhì)泥巖組。軟弱層在泥巖、粉砂巖層都有出現(xiàn)，巖芯呈泥團狀，軟塑態(tài)，或者巖芯破碎，丟失較多，取芯率低。共發(fā)現(xiàn)有三層。

地質(zhì)模型二中，巖組自上而下分別為：第四系松散沉積層、泥巖組A、砂巖組、泥巖組B、 泥巖組C。軟弱層在泥巖、粉砂巖層都有出現(xiàn)，巖芯呈泥團狀，軟塑態(tài)，或者巖芯破碎，丟失較多，取芯率低。共發(fā)現(xiàn)四層。

東南幫邊坡體內(nèi)分布有一條東西走向的正斷層F43，傾角45°～75°。斷層破碎帶寬度5m左右，斷層破碎帶以斷層泥為主，F(xiàn)43斷層的斷層泥中分布有厚度不等的砂巖層，構(gòu)成了斷層內(nèi)部層間的導(dǎo)水層。但由于斷層泥中大部分隔水泥巖的存在，F(xiàn)43斷層對于斷層上下盤而言是隔水斷層。

研究區(qū)的邊坡巖體被F43斷層劃分為兩個水力單元：上盤水力單元和下盤水力單元。斷層上盤水力單元中，包含煤層節(jié)理、裂隙含水層和煤層頂、底板泥巖隔水層；下盤水力單元包含有排棄物孔隙含水層、砂巖孔隙承壓含水層和泥巖隔水層。F43斷層上盤水力單元的地下水位，已在采場疏干系統(tǒng)的作用下降到了16#煤層底板以下，對東南幫邊坡的穩(wěn)定性影響已不大，而斷層下盤水力單元由于斷層的隔水作用和下盤泥巖隔水層的作用，地下水位仍然很高。綜合以上因素，建立工程地質(zhì)模型。

3.2 邊坡破壞模式

東南幫邊坡巖體的巖層總體產(chǎn)狀為順坡向單斜構(gòu)造，巖層傾角3°～5°，為近水平地層，地層與邊坡同傾向。結(jié)合工程地質(zhì)模型，對破壞模式及機理進行分析：

1)F43斷層和軟弱巖層是影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在因素，斷層以北16#煤的610、620水平的開采，使坡腳處阻滑段減小，抗滑力減小，邊坡巖土體沿軟弱層剪切滑移，上部邊坡發(fā)生拉裂變形形成拉張裂縫。

2)隨著下部煤層開采的繼續(xù)進行，變形不斷發(fā)展，邊坡上部向下呈弧形坐落，底部沿泥巖底板弱層順層滑移，前緣沿煤層內(nèi)部剪出，邊坡整體滑動。

3)邊坡滑動的基本模式為：張裂縫-圓弧面-平面。

4)對同傾向巖層和水平巖層邊坡來說，有軟弱層存在，則邊坡的滑動面主要受弱層控制，可能產(chǎn)生的模式為：圓弧滑動模式和圓弧-順層滑動模式。圓弧滑動模式的滑面位置、滑體大小，主要受巖體強度和邊坡角的影響，具體位置需通過試算確定。圓弧-順層滑動模式的滑面位置、滑體大小、除了受巖體強度和邊坡角的影響之外，還要受軟弱層位置、產(chǎn)狀和強度的影響，其順層部分位置受軟弱層控制，圓弧部分也需通過試算確定。

3.3 邊坡穩(wěn)定評價

采用傳遞系數(shù)法計算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果如表1、表2所示，并結(jié)合現(xiàn)場情況，評價邊坡的穩(wěn)定性如下：

表1 目前東南幫邊坡穩(wěn)定性計算

表2 16#煤全部采出后東南幫邊坡穩(wěn)定性計算

1)穩(wěn)定系數(shù)是邊坡穩(wěn)定分析中的一個定量參數(shù)，考慮到東南幫上部有運煤膠帶、破碎站、組裝場地、儲煤場鐵道運輸線路。對有重要建筑物及工業(yè)設(shè)施的邊坡，其安全系數(shù)應(yīng)取1.3～1.5[7]。

2)模型一，圓弧滑動和圓弧-順層滑動下，這兩種模式的穩(wěn)定系數(shù)都不高，接近極限平衡狀態(tài)。從計算結(jié)果看，軟弱層二、三的穩(wěn)定計算安全系數(shù)較小，沿第二、三軟弱層滑動的可能性比較大，邊坡體賦存的第二軟弱層、第三軟弱層，對邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)影響顯著。邊坡的移動變形近似這個方向。

模型二，無論是圓弧滑動，還是圓弧-順層滑動，都有比較高的安全系數(shù)，可以認為是穩(wěn)定的，但目前坡頂附近區(qū)域出現(xiàn)裂縫，與穩(wěn)定計算結(jié)果不符。出現(xiàn)這樣情況被認為是，在目前選定的這個計算剖面上，邊坡是穩(wěn)定的，現(xiàn)在邊坡的變形移動不是沿這個方向的。

變形區(qū)邊坡目前狀態(tài)為：F43斷層以南邊坡首先沿前一級裂縫位置呈“坐落-滑移式”變形，變形向下部發(fā)展，由于F43斷層北部煤層的支擋作用，應(yīng)力至F43斷層部位集中，使之F43斷層附近局部隆起；前一級變形使之后緣邊坡支撐力降低，邊坡沿后一級裂縫位置呈“坐落式”變形，而前一級變形體又對后一級變形體起支擋作用，邊坡尚未達到整體破壞階段。

3)16#煤全部采出后，模型一，圓弧滑動模式已經(jīng)到了極限平衡狀態(tài)，模型圓弧-順層滑動模式，安全系數(shù)小于1，已經(jīng)失穩(wěn)破壞。模型二，圓弧滑動模式下，第一、二軟弱層接近極限平衡狀態(tài)。圓弧-順層滑動模式下，第一、二軟弱層接近極限平衡狀態(tài)。

4)目前的東南幫邊坡是整體式穩(wěn)定的，但局部處于近極限平衡狀態(tài)。依據(jù)計算結(jié)果，如果不采取任何技術(shù)措施，當16#煤全部采出后，東南幫邊坡會局部失穩(wěn)滑動或整體破壞，甚至在開采的過程中就會破壞。

5)對于東南幫邊坡，可以采取加固抗滑措施，提高其穩(wěn)定性；可以在開采16#煤時，改變開采程序或者留設(shè)煤柱。具體需要進一步研究。

4 結(jié)語

通過劃分工程地質(zhì)巖組，考慮巖體結(jié)構(gòu)和地下水的影響，建立了東南幫邊坡工程地質(zhì)模型。利用邊坡工程地質(zhì)模型，分析東南幫邊坡破壞模式有圓弧滑動和圓弧-順層滑動。

F43斷層和軟弱巖層是影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在因素，邊坡的滑動面主要受弱層控制。評價了16#煤開采前后邊坡的穩(wěn)定性，為露天礦現(xiàn)場安全生產(chǎn)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

[1] 許兵.論工程地質(zhì)模型涵義、意義、建模與應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學報，1997，5(3)：199-204.

[2] 孫玉科.礦山巖體工程的系統(tǒng)工程[J].工程地質(zhì)學報，1996，4(4)： 7-14.

[3] 周壽昌，杜競中，郭增濤,等.露天礦邊坡穩(wěn)定[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1990.

[4] 孫玉科，楊志法，丁恩保,等.中國露天礦邊坡穩(wěn)定性研究[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，1999.

[5] 舒繼森.近水平地層露天煤礦邊坡破壞模式研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，1989.

[6] 芮勇勤.蠕動邊坡穩(wěn)定性及其變形、失穩(wěn)的預(yù)測與控制[D].徐州：中國礦業(yè)大學，1998.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部.煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范[Z].2005-07-15.