某露天煤礦粉質(zhì)黏土邊坡穩(wěn)定性分析及治理

劉 博，姬 莉，吳 姍

（1．北京商務(wù)中心區(qū)管理委員會(huì)，北京100011；2．北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司，北京100621；3．北京礦冶研究總院，北京100160）

露天礦開(kāi)采是各類(lèi)礦物開(kāi)發(fā)主要的方式之一，全世界固體礦物產(chǎn)量的三分之二采用露天開(kāi)采，在各類(lèi)露天礦山的開(kāi)發(fā)與開(kāi)采過(guò)程中，邊坡巖體安全穩(wěn)定性是制約著礦山經(jīng)濟(jì)效益最主要的影響因素［1］。提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的一條有效途徑是提高邊坡角，提高邊坡角可以增加礦石開(kāi)采量、減少剝離量和降低開(kāi)采成本，但是提高邊坡角后，就會(huì)影響邊坡巖體的穩(wěn)定性，使邊坡發(fā)生變形和破壞，甚至滑坡，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)［2－3］。

我國(guó)已對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究，并在邊坡穩(wěn)定性分析與研究、滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及邊坡的工程治理技術(shù)等方面都取得了很大進(jìn)展，在己形成的獨(dú)立的學(xué)科體系的邊坡工程領(lǐng)域取得了豐碩成果［4－5］。本文通過(guò)對(duì)某露天礦邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析與研究，揭示其滑坡成因，對(duì)露天礦采場(chǎng)最終邊坡穩(wěn)定性做出了客觀評(píng)價(jià)，達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)、治理邊坡的作用。

1 工程概況

1．1 工程地質(zhì)概況

本區(qū)整體上為一北東高、南西低的單斜構(gòu)造，地層基本走向?yàn)镹W、SE向，傾向S45°W，地層傾角在2～7°之間，大部分范圍不大于5°。由于地層傾角近于水平，表現(xiàn)出泛褶曲現(xiàn)象，即微小的波狀起伏使地層發(fā)生明顯的走向變化，表現(xiàn)為等高線大幅度的彎曲。

礦田東西長(zhǎng)4．42～5．47km，南北寬6．53～10．3km，總勘探面積48．73km2。根據(jù)鉆探揭露的地層，勘察區(qū)地層主要為新生界第四系、第三系以及晚古生界二疊系下石盒子組、山西組及石炭系太原組地層。覆蓋層主要由素填土、沖洪積物、粉質(zhì)黏土等構(gòu)成，基巖主要由砂巖巖組、泥巖等構(gòu)成，通過(guò)鉆孔勘查可知，粉質(zhì)黏土厚度較厚且變化明顯，最薄區(qū)域幾近尖滅，而最厚區(qū)域粉質(zhì)黏土層厚度近100m。

1．2 采區(qū)邊坡破壞模式

露天礦自基建施工以來(lái)，先后發(fā)生過(guò)數(shù)次與粉質(zhì)黏土有關(guān)的滑坡（塌方），以2010年5月下旬發(fā)生的滑坡為例，東北幫邊坡開(kāi)挖至1360平臺(tái)，該區(qū)域南側(cè)邊坡發(fā)生滑坡，滑坡后緣位于1380平臺(tái)，滑坡總高度約25m，涉及1360、1380兩個(gè)臺(tái)階，后緣張裂縫距1380平臺(tái)眉線最大距離約20m，最大裂縫寬度達(dá)50cm?；缕矫娣植夹螒B(tài)近似扇形，滑向?yàn)镹ESW。通過(guò)三維激光掃描儀得到的3D點(diǎn)云圖可知，滑坡前緣跨度約為167m，滑坡體沿滑移方向總長(zhǎng)度約96m?；庐a(chǎn)生的主要原因包括：①滑坡前緣滑面為粉質(zhì)黏土與全風(fēng)化泥巖接觸面，且泥巖產(chǎn)狀傾向坡內(nèi)，傾角約6．5°；②地下水的不利影響；③滑體為粉質(zhì)黏土，抗剪強(qiáng)度較低，邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，坡度較陡，破壞原有平衡狀態(tài)，致使邊幫塌滑。綜上所述滑坡類(lèi)型為重力推移式滑坡。

2 邊坡巖土力學(xué)試驗(yàn)

通過(guò)勘探鉆孔、探井和探槽取樣，并進(jìn)行了室內(nèi)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。土力學(xué)試驗(yàn)包括：土物理性質(zhì)（密度、含水率、比重、顆分等）、界限含水率、直接剪切試驗(yàn)（天然直剪、飽和直剪）、反復(fù)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)、土三軸壓縮試驗(yàn)、土滲透試驗(yàn)、土的濕陷性、土的膨脹性等。巖石力學(xué)試驗(yàn)包括：巖石密度、吸水率、巖石顆粒密度（比重）、孔隙率、巖石單軸壓縮（天然、飽和）、巖石變角?？辜粼囼?yàn)及變形。根據(jù)鉆探工藝及取樣方法，所取土樣質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)及II級(jí)。

圖1 東北幫滑坡3D點(diǎn)云圖（三維激光掃描）

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021－2001）［6］和《港口工程地基規(guī)范》（JTJ250－98）［7］，同時(shí)參考前期勘察報(bào)告及施工場(chǎng)地周邊相似工程地質(zhì)條件下巖土體的經(jīng)驗(yàn)值，選出全區(qū)土層天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的物理力學(xué)參數(shù)建議值。各地層物理力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 各地層參數(shù)建議值

3 邊坡穩(wěn)定性的極限平衡分析

3．1 首采區(qū)分區(qū)及剖面的選取

目前工程界在邊坡穩(wěn)定性分析中常用的方法仍然是傳統(tǒng)的極限平衡法，如瑞典條分法、Janbu法、Bishop法、摩根斯頓一普賴(lài)斯法等［8］。本文運(yùn)用slide軟件的極限平衡法，將露天邊坡劃分為6個(gè)區(qū)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。其中東北幫兩個(gè)滑坡體合并作為一個(gè)滑坡區(qū)，選取A－A、B－B、H－H剖面，此外，按照空間位置將整個(gè)首采區(qū)邊坡劃分成5個(gè)區(qū)，見(jiàn)圖2。

3．2 邊坡穩(wěn)定性分析

3．2．1 滑坡區(qū)穩(wěn)定性分析

針對(duì)礦區(qū)易發(fā)生滑坡的區(qū)域，選取西段滑坡處A－A、B－B兩條計(jì)算剖面以及東段滑坡處勘察揭露的H－H工程地質(zhì)剖面，計(jì)算剖面中，如剖面深度超過(guò)本次勘探深度（進(jìn)入基巖深度20m），巖體類(lèi)別參照圍巖分布情況及以往地質(zhì)勘查報(bào)告確定，見(jiàn)圖3、圖4。通過(guò)極限平衡力學(xué)分析，A－A剖面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5，三個(gè)剖面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。滑坡區(qū)平均安全系數(shù)為0．66～0．80，屬于不穩(wěn)定區(qū)域，需加以治理。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察和穩(wěn)定性分析結(jié)果，發(fā)生滑坡的原因主要包括：原設(shè)計(jì)邊坡坡度較陡，礦區(qū)普遍發(fā)育的粉質(zhì)黏土層地域性強(qiáng)，物理力學(xué)性質(zhì)特殊，在區(qū)域構(gòu)造營(yíng)力的作用下粉質(zhì)黏土地層豎向裂隙發(fā)育，從而其豎向滲透系數(shù)大于水平向滲透系數(shù)，地下水容易在此處聚集。

圖2 首采區(qū)穩(wěn)定性分析分區(qū)圖

圖3 A－A，B－B剖面位置圖

3．2．2 各分區(qū)穩(wěn)定性分析

分別選取多個(gè)剖面計(jì)算各分區(qū)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中I區(qū)、II區(qū)、V區(qū)安全系數(shù)均大于1．2，邊坡穩(wěn)定，III區(qū)、IV區(qū)安全系數(shù)介于1．10～1．20之間，邊坡基本穩(wěn)定。III區(qū)、IV區(qū)地層巖性、傾角變化較大，在降雨等外部條件的影響下，極易發(fā)生滑坡，應(yīng)加以治理。

圖4 A－A剖面圖

圖5 A－A剖面計(jì)算危險(xiǎn)滑面（圓弧）圖

表2 滑坡區(qū)計(jì)算結(jié)果

表3 各分區(qū)穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，將首采區(qū)邊坡分成穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)三類(lèi)區(qū)域，見(jiàn)圖6。邊坡穩(wěn)定區(qū)主要集中在非基建期南端幫、非基建期西端幫以及基建期南端幫部分區(qū)域，邊坡基本穩(wěn)定區(qū)主要集中在北幫和東北幫部分區(qū)域。

圖6 露天邊坡穩(wěn)定性分區(qū)圖

4 露天邊坡滑坡區(qū)域治理

4．1 各區(qū)邊坡角調(diào)整分析

對(duì)于不穩(wěn)定區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生滑坡，在遵循適度放緩，局部封閉，有效排水的原則下。提出了可行性的調(diào)整建議：松散層邊坡總體坡角由原設(shè)計(jì)的26°調(diào)整為23°，粉土層坡面角保持原設(shè)計(jì)，粉質(zhì)黏土層坡面角調(diào)整為34～36°，以及具體的坡面防護(hù)措施和排水措施對(duì)于基本穩(wěn)定區(qū)主要針對(duì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)行調(diào)整，臺(tái)階坡腳調(diào)整為50°，其他層破體采用原設(shè)計(jì)即可。做好邊坡粉質(zhì)黏土層及下伏全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層的封閉、排水工程，重點(diǎn)防護(hù)部位為粉質(zhì)黏土與下伏泥巖層界面附近。

對(duì)于穩(wěn)定區(qū)采用原基建幫邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)，其余剖面松散層邊坡的總體坡度建議取值范圍為26～32°。

4．2 滑坡區(qū)處置方案

1）滑坡體刷坡。首先對(duì)滑坡體進(jìn)行刷坡，根據(jù)適當(dāng)放緩的原則，刷坡后松散層邊坡總體坡角由原設(shè)計(jì)的26°調(diào)整為23°，粉土層臺(tái)階坡面角保持原設(shè)計(jì)60°，粉質(zhì)黏土層臺(tái)階坡面角調(diào)整為34～36°，采用建議的不穩(wěn)定區(qū)邊坡斷面參數(shù)，滑坡散體基本被清除。

2）滑坡體坡面防護(hù)。根據(jù)局部封閉的原則，刷坡后在粉質(zhì)黏土層及下伏全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層出露坡面進(jìn)行掛土工網(wǎng)、噴射混凝土防護(hù)。

3）滑坡體排水。根據(jù)有效排水的原則，應(yīng)盡量將滑坡體的坡外來(lái)水、坡面積水以及坡體內(nèi)的水采取截、排水措施排出坡外。

4）整體施工。鑒于東北幫整體邊坡基本處于臨界狀態(tài)，滑坡體的處治工程可與東北幫調(diào)整坡角后的施工一并展開(kāi)。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)運(yùn)用slide軟件的極限平衡法將首采區(qū)分成穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)三類(lèi)區(qū)域，不穩(wěn)定區(qū)主要集中在東北幫及其它幫局部區(qū)域。在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，需要通過(guò)邊坡斷面參數(shù)調(diào)整、坡面防護(hù)、坡體坡面排水及加強(qiáng)不穩(wěn)定區(qū)邊坡的變形監(jiān)測(cè)等手段，確保邊坡的穩(wěn)定性。

2）露天礦區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，邊坡工程勘察不可能一勞永逸，隨著礦區(qū)的開(kāi)挖，巖體的揭露，應(yīng)不斷地收集工程地質(zhì)和水文地質(zhì)新的信息，及時(shí)對(duì)這些新的信息及時(shí)進(jìn)行研究和分析，不斷補(bǔ)充，完善或修正已取得的研究成果。

［1］ 胡柳青，李夕兵，溫世游．邊坡穩(wěn)定性研究及其發(fā)展趨勢(shì)［J］．礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2000，20（5）：7－9．

［2］ 齊更生，彭少民．國(guó)內(nèi)外滑坡防治與研究現(xiàn)狀綜述［J］．地質(zhì)勘探安全，2000（3）：16－19．

［3］ 夏元友，朱瑞賡，李新平．邊坡穩(wěn)定性研究的綜述與展望［J］．金屬礦山，1995（12）：9－12．

［4］ 彭德紅．淺談邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］．上海地質(zhì)，2005，3：44－47．

［5］ 劉立平，姜德義，鄭碩才，等．邊坡穩(wěn)定性分析方法的最新進(jìn)展［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，23（2）：115－118．

［6］ GB50021－2001．巖土工程勘察規(guī)范［S］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009．

［7］ JTJ250－98．港口工程地基規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，1998．

［8］ 陳昌富，楊寧．邊坡穩(wěn)定性分析水平條分法及其進(jìn)化計(jì)算［J］．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，31（3）：72－75．