阜新海州露天礦邊坡滑坡機理研究

陳軍典，李思晉，靳慧杰，魏 軍 ，常 影

(1.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013；2.遼寧志和房地產(chǎn)土地評估有限公司，遼寧 沈陽110000；3.遼寧省地質(zhì)勘探礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110081；4.阜新工大合力科技有限公司，遼寧 阜新 123000）

阜新海州露天礦經(jīng)多年開采，形成了長約3.9km、寬約1.8km、深約350m的大型深凹露天礦坑。其中，南、北幫長度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、變形顯著，是主要的滑坡區(qū)；東、西幫處于兩個長邊的過渡帶，變形不明顯、滑坡不顯著。通過對滑坡模式、滑坡類型及形成因素進行分析研究，進一步分析滑坡形成機理，為總體治理方案的制定和后續(xù)治理工程的實施提供技術(shù)保障和科學(xué)依據(jù)[1]。

1 地質(zhì)邊坡滑坡模式綜述

1.1 順層地質(zhì)邊坡

順層地質(zhì)邊坡的滑坡模式主要包括以下9種：①滑移～拉裂模式；②滑移～壓致拉裂模式；③塑流～拉裂模式；④滑移～彎曲模式；⑤彎曲～拉裂模式；⑥滑移～前緣剪出模式；⑦滑移～彎轉(zhuǎn)（推動式）模式；⑧順層滑移模式；⑨滑劈模式。

1.2 逆層地質(zhì)邊坡

逆層地質(zhì)邊坡是指具有反傾結(jié)構(gòu)面（邊坡傾向與結(jié)構(gòu)面傾向相反）的邊坡，這類坡體結(jié)構(gòu)形成的滑坡為切層滑坡。逆層地質(zhì)邊坡破壞模式主要有以下3種：①蠕滑～拉裂模式；②傾倒～拉裂模式；③塑流～拉裂模式。

1.3 排土場邊坡

露天礦邊坡破壞最重要的途徑是滑動，即滑坡。根據(jù)滑動面位置的不同，滑動變形可分為三種類型:基底以上滑動、沿基底滑動、基底滑動：

（1）基底以上滑動，即廢棄材料的內(nèi)部滑動，廢棄材料的內(nèi)部滑動是指:滑動面全部產(chǎn)生于廢棄材料的內(nèi)部滑動。底部的抗剪強度高于底部，可以承受頂部的壓力[2]。

（2）沿基底滑動，滑面下部通過基面或通過基面中較淺的弱接觸面。有時也可水平，其抗剪強度較小。

（3）基底滑動，指的是基底層在旋轉(zhuǎn)剪切作用下的滑動。與上述兩種滑動不同的是，基底滑動有其主要的外部特征，即基底底鼓出現(xiàn)在排水場地之前，形成沿邊坡的地質(zhì)體。

2 海州礦滑坡類型及形成因素

2.1 滑坡類型

按物質(zhì)組成，滑坡可分為土滑坡和巖滑坡。前者可分為粘土滑坡、黃土滑坡和堆積物滑坡。后者可分為風(fēng)化巖漿巖型滑坡、沉積型滑坡和變質(zhì)片巖型滑坡。

按滑動面與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系，可劃分為：同類土滑坡、順層滑坡和切層滑坡。海州礦的滑坡主要為順層滑坡和切層崩滑。

按滑坡體厚度，可劃分為：淺層滑坡、中層滑坡以及深層滑坡。這樣劃分便于進行穩(wěn)定性評價和確定防治措施。海州礦的滑坡主要為淺層～中層滑坡。

按年代不同，可分為古滑坡、老滑坡、新滑坡以及正在發(fā)展中的滑坡。

按運動形式不同，可分為牽引式滑坡和推動式滑坡。海州礦滑坡兩種形式都有：北幫邊坡由于大范圍排土，多形成堆載引起的推動式滑坡。

2.2 滑坡形成因素

根據(jù)海州露天礦地質(zhì)特征和發(fā)生的滑坡歷史資料分析，邊坡角大小并不是滑坡的主要因素。50多年來只有一次因為坡度過大而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生，而且規(guī)模也不大。海州礦邊坡一直處于不斷的發(fā)展和變化之中，滑坡形成因素也在不斷變化。

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造因素

由中上侏羅系盆地陸相地塹沉積生成的，露天礦層是一系列雁行式背斜中的海州背斜，褶曲構(gòu)造上總體上為單斜構(gòu)造，南部和深部呈背向斜構(gòu)造，背斜軸與向斜軸基本平行。構(gòu)成邊坡的巖體中不連續(xù)面的傾角對邊坡的穩(wěn)定性影響很大。

2.2.2 礦區(qū)地層特性

斷層和不連續(xù)面對邊坡的變形和滑動起著控制作用，據(jù)統(tǒng)計發(fā)生的滑坡災(zāi)害中，約有1/2受斷層和不連續(xù)面控制。

2.2.3 水文地質(zhì)條件

露天礦深部的地質(zhì)層主要由堅硬的砂巖礦、砂質(zhì)頁巖礦所構(gòu)成，其中頁巖礦和結(jié)構(gòu)致密的砂質(zhì)頁巖為隔水層，隔水層中的巖土體解理不發(fā)育。第四系含水層與下覆基巖含水層垂向有水力聯(lián)系，由于該含水層內(nèi)含有弱層，地下水對弱層及邊坡巖體的不斷作用，對邊坡滑移有一定影響。

2.2.4 采礦等人為活動

礦山閉坑后，坑底及邊幫下仍有部分采礦活動，導(dǎo)致各邊幫的形態(tài)一直在改變，進一步破壞了原有地質(zhì)層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，打破了原系統(tǒng)平衡，引起坡體應(yīng)力分布的變化失去平衡，從而對滑坡的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

3 海州礦邊坡滑坡機理

3.1 南幫邊坡滑坡機理

3.1.1 南幫邊坡滑坡模式

采用邊坡中部的典型E10剖面為例，分析南幫逆傾層狀巖質(zhì)邊坡的破壞模式。E10剖面地質(zhì)層結(jié)構(gòu)主要由雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化砂質(zhì)頁巖礦、強風(fēng)化砂質(zhì)頁巖礦、中風(fēng)化砂質(zhì)、中風(fēng)化礫巖礦及中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖礦等組成。地質(zhì)層呈緩傾角的方式傾向坡內(nèi)，其傾角與現(xiàn)今邊坡的坡角基本反向。

根據(jù)邊坡破壞滑動面形態(tài)，可以判斷出海州露天礦南幫逆傾層狀巖體邊坡為崩滑-拉裂破壞模式。從E10剖面邊坡破壞模式分析，邊坡失穩(wěn)破壞一方面由于邊坡面地質(zhì)層風(fēng)化、雨水侵蝕等作用使物理力學(xué)指標降低，從而導(dǎo)致邊坡中下部崩塌破壞。

3.1.2 南幫不穩(wěn)定區(qū)劃分

根據(jù)以上滑坡機制分析結(jié)果，將南幫分為3個滑動區(qū)段：①西部崩滑群W3～E4，②中部崩滑群E5～E15，③東部崩滑群E16～ E23。

3.2 北幫邊坡滑坡機理

3.2.1 北幫邊坡滑坡模式

就北幫歷次滑坡統(tǒng)計可知，北幫人工順層邊坡產(chǎn)生滑坡最早始于20世紀50年代后期，而最多的則是產(chǎn)于80年代以來。目前，北幫已形成18°～20°的到界邊坡，邊坡走向基本上與層狀地層的走向方向一致，而且地層呈緩傾角的方式傾向坡外。北幫自上而下分布有9層的弱層，形成了北幫滑坡的滑床控制面。在開采剝離過程中，坡腳附近切斷了4～9#弱層中的某一層位，使弱層臨空而產(chǎn)生滑動。

由于弱層傾角與坡面傾角相當(dāng)，當(dāng)坡體受到擾動，如排土堆載、邊坡下井采、放炮振動等，對降低弱層強度的影響是顯著的。

北幫的滑坡或蠕動變形體，除底面受到弱層影響之外，其前緣還受到陡傾坡外的太平中部一號（F中1）和太平東部一號（F東1）兩個大斷層的切割影響。其中，F(xiàn)中1斷層為與礦層走向斜交的張性正斷層，致使露天深部礦層下降，并斜切礦層底板下弱層，給邊坡穩(wěn)定帶來一定隱患。F東1斷層陡傾坡外，散體結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶，在坡體后部層狀結(jié)構(gòu)巖層的重力作用下，容易發(fā)生塑性變形，被擠壓隆起，導(dǎo)致層狀巖層在斷層帶內(nèi)或斷層帶附近剪出。

3.2.2 北幫不穩(wěn)定區(qū)劃分

當(dāng)前的海州礦北幫邊坡是滿足整體穩(wěn)定性要求的。但由于坡面無序堆載、部分地下采空和正斷層切割等因素的影響，形成了2個典型局部不穩(wěn)定區(qū)：①西部不穩(wěn)定區(qū)W4～E6，②東部不穩(wěn)定區(qū)E18～E24。

3.3 內(nèi)排土場滑坡機理

海州露天礦主要包括北幫西部和礦坑?xùn)|部的兩座大型內(nèi)排土區(qū)域。

（1）北幫西部排土區(qū)。該區(qū)域是指礦坑北幫西部W3～E5、N8.5～N13的排土區(qū)，滑坡模式屬于排棄物料內(nèi)部滑動和沿X#弱層基底滑動的組合式滑坡類型。由于該區(qū)域大范圍的內(nèi)部排土造成荷載急劇增大，從而形成典型的推動式滑坡。

（2）礦坑?xùn)|部排土場區(qū)。該區(qū)域是指礦坑?xùn)|幫前E21～E23、SN0～N8的大型礦渣堆積體，堆積厚度達50m～80m。該排土場區(qū)北部邊界達F東1斷層，在北幫下部邊坡面堆積；南部邊界接近南幫坡腳。該排土場區(qū)由于尚未沉降穩(wěn)定，存在以F東1斷層為基底的滑動可能性和堆積體的內(nèi)部滑坡隱患。該排土場區(qū)在一定程度上抑制了北幫順層邊坡的滑坡趨勢，并對北幫東部和東幫邊坡起到了壓坡腳的有利作用。