露天煤礦區(qū)黃土高切坡穩(wěn)定性分析

許俊凱，林喜珊，閆彬彬，趙 澤，王杰民

（1.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；2.甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊(duì)，蘭州 730020）

煤炭礦產(chǎn)資源是社會發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在社會發(fā)展中占主導(dǎo)地位。露天煤炭開采有力地推動了社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但同時也帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題。我國大型露天煤礦大多分布在干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)。開采活動導(dǎo)致該區(qū)域的植被覆蓋率降低、水土流失和土地沙漠化嚴(yán)重，這些問題引起了人們的高度重視[1-4]。在黃土地區(qū)進(jìn)行露天煤礦開采會形成高切坡，這種高切坡存在隱患，尤其是在降雨、地震作用下可能會失穩(wěn)，造成經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。本研究以露天煤礦區(qū)黃土高切坡為研究對象，對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析[5]，以期為嚴(yán)格控制露天煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)，保障煤礦安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益提供科技支撐。

對于煤礦區(qū)黃土高切坡穩(wěn)定性問題的探討，最早是通過長期觀察獲得資料，采用地質(zhì)歷史學(xué)方法進(jìn)行定性描述。20 世紀(jì)20 年代初，學(xué)者將地質(zhì)學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來研究高切坡問題，主要采用剛體極限平衡法，以庫倫準(zhǔn)則為依據(jù)。1916 年，彼德森提出了條分法，將土坡穩(wěn)定問題假設(shè)成平面應(yīng)變問題。Bishop （1955 年）、Morgenstern（1965年）、Janbu（1973年）等許多學(xué)者對條分法做了改進(jìn)，其中Bishop 定義其為沿整個滑裂面的抗剪強(qiáng)度與實(shí)際產(chǎn)生剪應(yīng)力的比值，使得其物理意義更為準(zhǔn)確[7]。極限平衡法是一種比較傳統(tǒng)且成熟的邊坡穩(wěn)定性計算方法，其原理簡單，計算簡便，易于理解。目前在高切坡穩(wěn)定性分析中，盡管條分法有著多種不足，但是因其物理意義明確、操作簡單，從而得到廣泛的應(yīng)用。此外研究高切坡穩(wěn)定性的方法還有很多，多數(shù)基于極限平衡法和極限分析法，比如FLC3D，ANSYS有限元、GUSLOPE，Slide 等軟件方法[8]。國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者及專家對露天煤礦礦區(qū)高切坡穩(wěn)定分析也進(jìn)行了多方面的研究。但是對于天然狀態(tài)、人類工程活動各種工況下，降雨、地震以及耦合作用下高切坡的穩(wěn)定性分析很少。目前在干旱區(qū)黃土礦山開挖過程中會形成一些高切坡，由于煤礦開挖過程中有一些積水以及降雨造成高切坡滲流，易造成邊坡失穩(wěn)。同時還需要綜合考慮水文環(huán)境、地震因素、開挖裂縫、前緣積水或者地表降雨等造成的地下水對邊坡的影響，掌握這些因素對于邊坡分析是很重要的[9]。

本研究以隴原煤礦礦區(qū)高切坡為例，基于有限元分析方法，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件、工程特征，針對在天然、人類工程活動，尤其是坡前積水的有限元分析，建立模型，選取計算剖面、計算參數(shù)以及軟件計算的方法對隴原煤礦礦區(qū)高切邊坡進(jìn)行了不同工況下穩(wěn)定性的分析[10]，旨在對監(jiān)測、治理和修復(fù)三峽庫區(qū)天然存在和工程建設(shè)造成的高切坡提出具有借鑒和指導(dǎo)意義的分析方法。

1 研究區(qū)域概況

高切坡位于甘肅省民勤縣唐家溝煤礦的西部，屬干旱區(qū)荒漠化草原地帶，具有典型大陸性溫帶干旱氣候。研究區(qū)位于戈壁灘上，除幾個低丘外，其余均屬廣闊的戈壁荒漠，周圍都是平川，海拔高程為l 480～1 495 m；地勢西北高而東南低，相對高差僅15 m 左右。該研究區(qū)地貌形態(tài)簡單，植被稀少，干旱并且雨量稀少，平均年降水量為110 mm，常年無地表水系，無高山融雪流入，故地下水補(bǔ)給來源不足，含水性弱。在民勤縣一帶，由于盆地兩側(cè)山脈消失，其東界尚不清楚，在此礦區(qū)范圍內(nèi)主要的地層從老到新，依次為下元古界北大山群、侏羅系中統(tǒng)青土井群、侏羅系上統(tǒng)沙棗河組、新生界第三系及第四系地層[11-12]。受區(qū)域構(gòu)造影響，整個煤系地層呈現(xiàn)南北高中間低。西部高東部低的向斜構(gòu)造形態(tài)，軸部兩端高差80 m，北翼地層傾角15°左右，傾向南，南翼地層傾角20°左右，褶皺兩翼地層平緩，周邊斷層不發(fā)育，由北東轉(zhuǎn)為北傾向。在潮水盆地多處發(fā)現(xiàn)侏羅系中有巖漿巖，在紅果子井、青苔泉南井田、西溝口等地的侏羅系下部地層中有中-基性巖漿。根據(jù)各地資料描述，巖性有玄武巖、安山-玄武巖、輝綠巖、凝灰質(zhì)安山熔巖。

隴原煤礦礦坑平面上大致呈矩形，南北長約600 m，東西寬約700 m，面積約0.5 km2，原始地面高程1 480～1 490 m。礦坑邊坡分級開挖，每級坡高13～15 m，開挖坡度50°～55°，整體平均坡度在16°～20°。礦坑底部高程1 387～1 405 m，面積約0.16 km2，開挖深度70～85 m。礦坑北側(cè)設(shè)有隴原煤礦堆填區(qū)和唐家溝煤礦堆填區(qū)，其中隴原煤礦堆填區(qū)平均高度在20 m，距離礦區(qū)邊坡較遠(yuǎn)，而唐家溝煤礦堆填區(qū)面積0.6 km2，平均高度約60 m，距開挖邊界線平均距離為40 m，最近距離約20 m[13]。通過野外現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，目前出露的侏羅系地層產(chǎn)狀傾向162°～177°，傾角15°～20°，新近系上新統(tǒng)臨夏組砂巖產(chǎn)狀近乎水平。由于邊坡坡面上主要為第四系黃土，新近系上新統(tǒng)臨夏組砂巖及侏羅系砂巖和煤層出露，在礦區(qū)邊坡的東南角和西南角均發(fā)現(xiàn)了地下水出露現(xiàn)象，含水層為第三系上新統(tǒng)臨夏組砂礫巖承壓含水層。此外由于隴原煤礦在早期曾采用井工開采方式，采空區(qū)和巷道被后期的地下水或地表水充滿，形成了一些老窯積水和巷道積水，露天開采的過程中被開挖揭露，在礦坑底部形成了一系列集水坑。此外礦坑底部開挖區(qū)面積較小，集水坑所處位置距礦坑坡腳處較近，隨著積水不斷入滲坡體，坡體含水量增加，邊坡的巖土體力學(xué)參數(shù)會因此降低，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性，形成了開挖區(qū)內(nèi)積水現(xiàn)象。礦區(qū)邊坡分級開挖，外堆填場設(shè)置地點(diǎn)為礦區(qū)西北側(cè)距礦區(qū)400 m處，滿足安全距離和設(shè)計要求，對礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性影響較小。距礦區(qū)北部80 m 處的唐家溝煤礦堆填場，雖然目前唐家溝煤礦已經(jīng)停止生產(chǎn)，其排土場也不再進(jìn)行堆填，但其距離礦區(qū)北部邊坡較近，對北部邊坡性有一定的影響，同時沿坡面有沖溝，龜裂分布，無明顯地下水滲出，局部臨空面存在坍塌、崩塌堆積現(xiàn)象。圖1（a）～（f）中分別表示地層出露現(xiàn)象、地下水出露現(xiàn)象、礦坑底部集水坑、開挖區(qū)內(nèi)積水現(xiàn)象、礦區(qū)北側(cè)唐家溝煤礦堆填場、北側(cè)邊坡后緣沖溝。

圖1 研究區(qū)域的地質(zhì)條件Fig.1 Geological condition in the research area

2 材料和方法

2.1 計算剖面

從現(xiàn)場勘察來看，北側(cè)邊坡東段，走向358°，起點(diǎn)高程1 396 m，終點(diǎn)高程1 480 m，相對高差約80 m，水平距約270 m，主要出露侏羅系砂巖和新近系臨夏組砂巖，侏羅系砂巖傾角15°，與新近系臨夏組砂巖交界高程約1 430 m，新近系砂巖厚約35 m，巖層近乎水平，頂部第四系砂土較薄，約5 m。南側(cè)邊坡東段，剖面相對高差約75 m，水平距約335 m，坡度約18°。另一方面，由于北側(cè)和南側(cè)邊坡較長，且為主要工作區(qū)域，地層相對比較完整并且構(gòu)造簡單，所以對北側(cè)和南側(cè)邊坡分別選取1個計算剖面，地質(zhì)剖面圖見圖2。

2.2 計算參數(shù)獲取

在現(xiàn)場調(diào)查過程中，對控制性地層取擾動土樣，烘干，碾壓并用2 mm篩子篩分，取篩后的土體配制成需要含水量的試樣，將配制好的試樣分別裝入保鮮箱中放置24 h，使其水分均勻溶解，備用。側(cè)限壓縮試驗(yàn)儀器采用固結(jié)儀，壓力梯度設(shè)為25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 200 kPa，每一級時間為24 h。直剪試驗(yàn)采取不固結(jié)快剪條件，豎向荷載分別采用50 kPa，100 kPa，150 kPa，200 kPa，剪切速率8 mm/min。

2.3 計算條件

由于拉張裂隙在隴原煤礦邊坡表層發(fā)育良好，降水容易滲到基巖的強(qiáng)風(fēng)化層里，在雨季或偶然性暴雨的天氣情況下，降雨就會下滲到坡體所發(fā)育的裂隙中，軟化結(jié)構(gòu)面。地震也是一個不可控制的觸發(fā)因素，隨著地震加速度的增加，高切坡穩(wěn)定性下降；降雨和地震耦合作用更會造成高切坡的穩(wěn)定性下降。所以，本研究主要探討在天然狀態(tài)下、人類工程活動影響下以及降雨、地震和降雨地震耦合作用下高切坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)果和討論

3.1 物理性質(zhì)和強(qiáng)度參數(shù)

在壓縮試驗(yàn)中，對于相同的干密度和含水率，隨著地層年代的增加，壓縮性降低。這是由于地層年代增加，上覆土壓力增大，使得深處地層土體的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，最佳含水率提高。因此相同含水率條件下，深處地層土體含水率距最佳含水率差距更大，壓縮性降低[14]。從液塑限試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，第四系土、新近系土、侏羅系土的塑性指數(shù)都在13～16 之間，侏羅紀(jì)的軟弱夾層塑性指數(shù)為32.85，軟弱夾層塑性指數(shù)高的原因是夾層中富含黏土礦物細(xì)粒，提高了塑性指數(shù)。圖3 表示了新近系土剪切試驗(yàn)曲線、侏羅系土剪切試驗(yàn)曲線。在直剪試驗(yàn)中，第四系、新近系和侏羅系砂巖的內(nèi)摩擦角分別為17.24°，29.43°，31.33°。如圖4和表1 所示，侏羅紀(jì)的軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度與含水量關(guān)系密切，含水量越高，抗剪強(qiáng)度越低。這是由于當(dāng)含水率在塑限以下時，隨著含水率升高，粘聚力降低。黃土的粘聚力中包含有基質(zhì)吸力的作用，含水率增加使得基質(zhì)吸力下降，因此粘聚力降低[15]。侏羅紀(jì)的軟弱夾層土與其他3 種土在抗剪強(qiáng)度方面有較大差異，本質(zhì)上取決于侏羅系軟弱夾層的黏土礦物成分及其水理性質(zhì)（軟化作用）。侏羅紀(jì)的軟弱夾層土細(xì)粒組含量相對較高，在天然狀態(tài)下含水量較低強(qiáng)度較高，而含水率增高抗剪強(qiáng)度迅速降低（表2）。

圖3 新近系土和侏羅系土剪切試驗(yàn)曲線Fig.3 The shear test curves of Neogene soil and Jurassic soil

圖4 侏羅系軟弱夾層土低含水率和高含水率剪切試驗(yàn)曲線Fig.4 The shear test curves of Jurassic weak interlayer soil with weak and high moisture content

表1 力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of mechanical properties

表2 礦區(qū)邊坡各地層計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of slope around the mining area

3.2 穩(wěn)定性評價結(jié)果

3.2.1 天然狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性

按穩(wěn)定性計算軟件的要求，建立剖面模型并輸入前述已確定的參數(shù)，計算各剖面的穩(wěn)定性系數(shù)。在天然狀態(tài)下和人類工程活動的影響下，各種方法計算結(jié)果基本一致，其中簡化Janbu法計算的穩(wěn)定性系數(shù)略小于其他方法的計算結(jié)果。根據(jù)表3中所列的計算結(jié)果，北側(cè)邊坡天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性具有如下特征：（1）整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.13～1.33。根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）穩(wěn)定性系數(shù)和滑坡穩(wěn)定狀態(tài)的分類，穩(wěn)定性系數(shù)偏低，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。（2）邊坡各個階段的當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)不同，北側(cè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)偏低，南側(cè)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)優(yōu)于北側(cè)邊坡，這與現(xiàn)場觀察的結(jié)果一致。圖5分別為南北側(cè)剖面天然狀態(tài)計算圖。

表3 天然狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性Tab.3 Stability of natural slope in natural state

圖5 北側(cè)、南側(cè)剖面天然狀態(tài)計算圖Fig.5 Calculation diagram of north side and south side profile in natural state

3.2.2 降雨作用下邊坡的穩(wěn)定性

在連續(xù)性降水和極端降水的情況下，降水會隨著坡體的裂縫進(jìn)行下滲，容易入滲到基巖的強(qiáng)風(fēng)化層里，軟化結(jié)構(gòu)面，坡體穩(wěn)定性降低。隨著降雨入滲，當(dāng)坡體內(nèi)的裂縫形成連續(xù)的滲流通道時，有失穩(wěn)的風(fēng)險。在降雨作用下，巖土體重度增加，抗剪強(qiáng)度下降，導(dǎo)致邊坡的下滑力提高而抗滑力降低，坡體內(nèi)的裂縫形成連續(xù)的滲流通道時，邊坡穩(wěn)定性會急劇地降低。

圖6 為對南北兩側(cè)剖面進(jìn)行有限元分析的結(jié)果。由于降雨作用，穩(wěn)定性系數(shù)有所下降，降雨作用最終形成了這種坡前積水。從圖6中也可以看出滲流的方向。在連續(xù)性降水和極端降水的情況下，降水會隨著坡體目前存在的裂縫進(jìn)行下滲。隨著降雨入滲，當(dāng)坡體內(nèi)的裂縫形成連續(xù)的滲流通道時，邊坡穩(wěn)定性會急劇地降低，有失穩(wěn)的風(fēng)險。

圖6 北側(cè)和南側(cè)剖面有限元計算圖Fig.6 Calculation diagram of north and south section with finite element method

3.2.3 地震作用下的邊坡穩(wěn)定性

圖7所示為南北剖面地震系數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)曲線。地震是一種不可控制的觸發(fā)因素。地震達(dá)到一定強(qiáng)度時，不僅可以誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，還可能控制邊坡震后的繼續(xù)發(fā)展形態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。對于研究區(qū)，其地震基本烈度為Ⅶ度，計算加速度等于0.1g。由于地震發(fā)生很難預(yù)測，其發(fā)生的強(qiáng)度具有不可知性，故水平地震加速度取值為0～0.2g。隨地震烈度的增大，邊坡的穩(wěn)定性急劇下降。

圖7 北側(cè)剖面（a）與南側(cè)剖面（b）地震系數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)曲線Fig.7 The curves of seismic coefficient and stability coefficient for north (a) and south (b) side section

3.2.4 降雨地震耦合作用下的邊坡穩(wěn)定性

邊坡對于地震極為敏感，隨著地震烈度的增大，邊坡的穩(wěn)定性急劇下降。如圖7所示，對于北側(cè)剖面，當(dāng)水平地震加速度大于0.02g時，計算得到的穩(wěn)定性系數(shù)都小于1，邊坡失穩(wěn)破壞；對于南側(cè)剖面，當(dāng)水平地震加速度大于0.04g時，計算得到的穩(wěn)定性系數(shù)都小于1，邊坡失穩(wěn)破壞。在高烈度地震和極端降雨耦合條件下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.6～0.7。在降雨、地震或人類工程活動的作用下，穩(wěn)定性會下降，可能出現(xiàn)嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象。在降雨地震作用下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.13～1.33降低到0.55～0.63，可能發(fā)生變形破壞。地震的烈度對于邊坡的穩(wěn)定性影響很大，地震烈度越大，邊坡越不穩(wěn)定。考慮在降雨和地震的耦合作用下邊坡的穩(wěn)定性，選取降雨作用下的計算參數(shù)，水平的地震加速度與穩(wěn)定性系數(shù)曲線如圖8所示。在邊坡穩(wěn)定性分析中，降雨和地震這種耦合作用對邊坡破壞極大，邊坡最容易滑動。

圖8 降雨和地震耦合作用下北側(cè)（a）與南側(cè)（b）剖面地震系數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)曲線Fig.8 The curves of seismic coefficient and stability coefficient for (a) north and (b) south side section under the coupling of rainfall and earthquake

4 結(jié)論

（1）本研究通過分析隴原煤礦邊坡所處地區(qū)整體地形地貌特征、坡體的巖性及其物質(zhì)組成以及坡體的整體結(jié)構(gòu)，初步定性地評價了該邊坡的穩(wěn)定性。邊坡南側(cè)的整體形態(tài)比較規(guī)則，相對較為穩(wěn)定。北側(cè)邊坡局部變形破壞嚴(yán)重，出露巖層的產(chǎn)狀和坡向相同，表現(xiàn)為順傾邊坡，邊坡穩(wěn)定性相對較低。

（2）目前北側(cè)邊坡后緣有發(fā)育的拉張裂縫且裂縫走向和后壁大致平行，局部臨空面存在坍塌、崩塌堆積現(xiàn)象。在南側(cè)邊坡局部區(qū)域新近系砂巖中有少量地下水出露，由于坡向、氣溫等原因，出露的地下水在坡面上和坡腳處形成冰體。

（3）由于外界環(huán)境因素所產(chǎn)生的各種流水進(jìn)入礦坑內(nèi)，和邊坡基巖長期接觸后，會使邊坡底部基巖的強(qiáng)度迅速下降，從而可能大幅度降低邊坡穩(wěn)定性，由于礦區(qū)早期開采以及地下水等各方面因素的作用，邊坡坡面上存在的裂隙會進(jìn)一步發(fā)育，出現(xiàn)暴雨或地震等天然現(xiàn)象的時候，會極大地增加邊坡災(zāi)害產(chǎn)生的概率，并危及人類生命及財產(chǎn)安全。根據(jù)高切坡穩(wěn)定性分析，建議采取相應(yīng)預(yù)防措施，以保證煤礦生產(chǎn)安全。